厚松散层薄基岩条件覆岩破坏特征综合研究.pdf

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1、36能源技术与管理2011年第3期doi：lO．3969~．issn．1672—9943．2011．03．016厚松散层薄基岩条件覆岩破坏特征综合研究张志勇，任春辉，李忠凯(淮北矿业股份公司海孜煤矿，安徽淮北235146)[摘要]为了合理留设海孜煤矿浅部工作面的露头安全保护煤(岩)柱，从而解放大量浅部压煤，采用相似材料模拟试验、数值模拟分析、经验公式计算及现场实测4种方法对深厚松散含水层下覆岩破坏特征进行综合分析，建立了一整套适合研究煤矿覆岩破坏的技术体系。结果表明：理论预测值与现场实测值基本一致，垮采比为3．30～4．17，裂采比为13．44~15．83

2、。并且相似模拟重点反映了煤层开采时覆岩破坏特征和规律；数值模拟获取了上覆岩层垮落过程中的物理力学场的变化；经验公式法则可作为参考；而地面钻孔实测获得的“两带”高度精度较高，它们之间相互补充验证，最终确定海孜煤矿西部井地质条件下的垮采比为3．50，裂采比为14．75。[关键词]松散含水层；覆岩破坏；技术体系；垮采比；裂采比[中图分类号】TD163[文献标识码]B[文章编号]1672-9943(2011)03-0036-04的性质和结构，以及模拟开采研究目的，确定模型0引言的几何相似比100：1，容重相似比为1．6：1。由煤层开采中覆岩的破坏高度是决定安全煤地

3、面“两带”钻孔09一Dl取得103l工作面各岩层(岩)柱留设类型的关键因素，并且直接决定着提物理力学参数，由此计算得出模型各岩层的相似高水体下煤炭回采上限的可能性和安全性。由于物理力学参数，如表1所示。煤矿现场条件的复杂多变，目前研究手段又趋于单一，因此必须综合各种方法来弥补以往不足，获得更为全面可靠的数据，以便为煤矿安全生产提供借鉴_l_。淮北矿业股份公司海孜煤矿I3采区和83采区属于西部井浅部采区。西部井基岩上部第三、第四系松散层厚度为210～240m，松散地层底部赋存有厚度为0～8m的砂砾含水层(即“四含”)，受该含水层威胁，海孜矿非常有必要综合分析

4、覆岩破坏特征，对类似开采条件下的覆岩破坏进行有(a)开挖前模型效预测，实现全矿井安全高效生产。1覆岩破坏相似模拟试验1．1试验模型简述试验以海孜煤矿l0号煤层103l工作面为原型，同时做一般化调整]。根据1031工作面实际情况，设计煤层厚度2．40m，煤层倾角6。。利用相似模拟技术，研究工作面开采过程中覆岩破坏规律、运移规律、位移的变化规律等。考虑边界效应等影响，模型长度取200m，宽度16m，高8013"1，(b)开挖110ITI模型如图l所示。根据模拟开采范围、1031工作面顶底板岩层图1海孜煤矿相似模拟试验2011年第3期张志勇，等厚松散层薄基岩条件

5、覆岩破坏特征综合研究37表1模型各岩层物理力学参数2数值模拟覆岩破坏特征2．1模型的建立数值计算以海孜煤矿I3采区1033工作面为例。根据海孜煤矿采矿地质条件，参照09一s1孔、补1孑L、5—5孔、06—6孔、5-617孔的柱状图信息等建!。1033工作面费强值-为254m；考虑到两边各100m的边界影响，确定推进方向长度为1120m。在模型垂直方向上依次分为底板、煤层、基岩、“四含”和松散层，均按实际的厚度进行模拟。整个模型共划分为77616个单元，84249个节点，如图3所示。O9一S1补15-506—65-6171．2覆岩破坏特征试验过程中随着工作面

6、的不断推进，顶板岩层发生破坏并逐渐向上发育，在开采进尺到25m时，顶板出现第一次垮落；推进到50m时，顶板上方岩层达到充分垮落，垮落高度约为10m；继续推进到110m时，裂隙充分发育，裂隙发育高度约38m，如图1所示。由模拟试验可知，模拟得1031图3数值模拟计算网格剖分图工作面开采厚度为2．4m时，垮落带高度约为10m，数值计算结果的可靠度往往依赖于本构模垮采比4．17；裂隙带高度约为38m，裂采比型、边界条件和岩体力学参数选取的合理性。海孜15．83。煤矿的岩体以砂岩、页岩为主，属于弹塑性材料，1．3覆岩岩层水平位移特征计算采用摩尔一库仑(Mohr—C

7、oulomb)屈服准则：在顶板布置位移基点，来观测工作面开采过程中上覆岩层水平位移的变化情况，如图2所示。L=0-1-0"3篙_2c、／可以看出，开挖以后覆岩岩层并未立即发生位移，式中，Or、0-分别为最大和最小主应力，MPa；而是随着工作面的推进渐渐出现微小变化；当工C为材料粘结力，MPa；~p为摩擦角，(。)。作面推进约90m时，裂隙带发育到观测点处，水当≥0时，材料将发生剪切破坏。平位移变大；随着工作面的继续推进，水平位移渐计算模型边界条件确定如下：模型前后和左渐趋于稳定。右边界施加水平约束，即边界水平位移为零；模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直

8、位移均为零；模型顶部为自由边界。其岩体力学参数如表2暑—＼：=＼．