煤层开采覆岩变形与破坏试验研究.pdf

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1、矿业研究与开发第卷第期年月，，煤层开采覆岩变形与破坏试验研究别小勇，周国庆，赵光思，王晓波（中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州市）摘要：顶底板赋存含水层的煤系地层在采煤影响下可能因田内最上主要可采煤层煤时，由于煤系地层的顶、导水裂隙的发育而导致突水危险。采用平面模拟的方法，通底板都赋存有强含水层，在采动影响下产生的导水过实验室相似模拟试验，对某井田采煤过程中覆岩变形与破裂隙带可能导通其顶部的煤基岩裂隙含水层，采坏规律进行了模拟试验研究，获得了上覆岩层应力的分布以煤过程可能有突水危险，需要对煤层回采过程中顶及随开采面推进的发展规律，结果表明，在本

2、模拟条件下煤板岩层冒落情况以及导水裂隙带的高度进行评估以层开采导致上部覆岩破裂带触及上部含水层，因此需采取必确保安全生产。要措施，以确保安全生产。目前我国大多数煤矿采用的导水裂隙带发育高关键词：煤层；覆岩；导水裂隙带；岩层应力；相似模拟中图分类号：，文献标识码：度计算经验公式主要考虑的因素是煤层采厚，而未文章编号：（）全面考虑其他因素，如开采面积、煤层倾角、断层、采煤方法和覆岩岩性等。导水裂隙带的发展是一个动态过程，只有结合实际采场的推进情况，才能真正实现对导水裂隙带发育高度的准确评价。本文拟结合，，该井田实际，采用相似模拟试验的方法模拟煤层开

3、，采过程覆岩变形和破坏的特征，研究导水裂隙带发（，育高度，为煤矿安全生产提供科学依据。，，，）模型的建立：，原型地层条件研究区内煤以上地层沉积环境由湖泊相逐渐向河床相过渡，煤层的沉积厚度越来越小，岩性也由粘土岩、粉砂岩向中、粗砂岩和含砾粗砂岩、砾岩过渡。其特征如下。（）煤层。煤顶至煤顶段地层中，共含煤层：即煤、煤和煤。煤厚度，平均，常含层夹矸，结构比较简单，厚度不稳定。有大范围变薄或缺失现象。煤层底板岩性，基本稳定，为砾状粘土岩或粉砂岩；顶板岩性变化较大。煤厚度，极不稳定不可采煤层，仅：，，在个别钻孔中见煤层，相应层位由中、粗砂岩所取，，代，而

4、使煤缺失。煤厚度，平均，为不稳定的可采煤层，局部大面积冲刷缺失或引言薄，相应层位被中、粗砂岩或砾岩替代。某井田地处华北型煤盆地的开平煤田，开采井（）粘土岩和粉砂岩。主要发育在煤层的直接收稿日期：作者简介：别小勇（），男，河南南阳人，博士研究生，主要从事岩土方面的研究矿业研究与开发，（）顶、底板层位，煤顶煤顶岩层段，粘土岩和粉中个压力盒间距为，工作面上方的个压砂岩的平均厚度占该段地层总厚度的左右。力盒间距为。压力盒布置位置见图、图。岩体强度较低，在煤层开采时随采随落，对上覆岩层不具有承载能力。（）砂岩。煤以上地层岩层粒级由下而上逐渐变粗。煤煤顶底

5、板间主要以中、细砂岩为主，一般为泥质或凝灰质胶结；中、粗砂岩主要赋存于煤顶板，大部分为厚层状含砾结构。相似配比根据试样试验获得的岩石物理力学参数，以砂子为骨料，添加一定配比的胶结料配制相似材料以模拟顶底板岩层，煤层材料则在上述相似材料中添图倾向布置工作面试验模型加粉煤灰来实现。经反复调整，获得各层材料的最佳配比。由于采矿工程的复杂性难以实现材料参数的完全相似，根据试验目的，模拟试验以单向抗压强度为主导准则，同时做到弹性模量和单向抗拉强度近似相似。模型的建立试验采用平面模拟的方法在平面应变模型架上进行，分别考虑了开采沿走向推进和沿倾向布置工作面两

6、种情况。走向模型几何缩比为，模型尺寸为；则模拟原型的实际高度为；沿倾向布置工作面模型几何缩比为，图走向推进模型测点布置模型尺寸为，对应模拟原型实际高度为。根据试验确定的几何缩比，确定各岩层厚度并在试验台上铺设模型。模型上覆岩层应力采用应力补偿法实现，左右为固定位移约束边界，铺设完毕的试验模型见图、图。图倾向布置工作面模型测点布置试验过程将模型按设计要求铺好，干燥后施加补偿应力，加载时首先在垂直方向加到原始应力水平状态，原始应力水平按下式计算：图走向推进试验模型!!""（）观测方案#!!#""!!（）根据试验目的，在模型的煤和煤之间的砂$#岩中布

7、置压力盒进行应力测量。走向模型共布置压式中：!———静压下围岩垂直主应力，；力盒个，前个压力盒间距，后个压力!———静压下围岩水平主应力，；盒间距。倾向模型布置个压力盒，实体煤"———煤层上覆岩层的平均重度，；别小勇，等：煤层开采覆岩变形与破坏试验研究!———煤层埋深，；!———泊松比。加载稳定后，首先根据工程实际开采煤，开采速度按试验确定的时间缩比进行。待煤采完模型稳定后开采煤。试验过程中通过模型网格及时测量上覆岩层的位移和覆岩带的发育过程，采用型数据巡回检测仪测量压力变化。模拟结果分析图煤开采至时底板应力分布模型的裂隙发育情况（）在开采工作

8、面沿走向推进时，随工作面向前推进，破裂带发育高度也随之发展；当工作面推进长度超过时，破裂带高度渐趋稳定，高度约为。在整个开采过程中破裂带经历了发育发展