浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究.pdf

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1、2010年8月矿业安全与环保第37卷第4期浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究魏久传h，李忠建h，郭建斌h，张新国，李炳胜。，谢道雷h(1．山东科技大学a．地质科学与工程学院；b．资源与环境工程学院，山东青岛266510；2．新汶矿业集团，山东新泰271233)摘要：为分析伊犁一矿首采工作面浅埋煤层采动覆岩运动特征，进行了相似材料模拟研究。分析了直接顶破坏、老顶破坏、采动覆岩破坏高度发展等规律，并进行了切顶冒落分析。研究结果表明，首采工作面具有采动覆岩破裂高度随工作面推进而增大，采动覆岩破裂高度在充分采动前约为采空区跨度之半等规律。试验过程和理论计算均未出现切顶冒落现象

2、。研究结果可为矿区首采工作面煤层安全开采提供理论依据，同时，对分析其他浅埋煤层安全开采覆岩运动规律具有一定的借鉴意义。关键词：浅埋煤层；覆岩运动；相似材料模拟；切顶冒落中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1008—4495(2010)04—0011—03随着我国能源基地的西移，地表厚松散层浅埋侏罗系裂隙一孔隙承压含水层。煤层覆岩运动规律的研究为煤层安全开采提供了理2相似材料模拟基本原理论依据¨J。地表厚松散层浅埋煤层长壁工作面相似材料模拟实验和现场矿压观测表明，工作面矿山考虑现场工作面长度和研究内容，模型的几何压力显现没有因煤层埋藏浅而减缓，相反却相当剧比例为

3、1：100，推进长度为220m，模型的相似条件烈。其主要特点是工作面来压表现为煤层上覆基岩如下_9]：全厚度切落，导致工作面顶板出现台阶下沉，支架压1)几何相似。设原型的3个相互垂直方向的死，造成巨大损失。为避免此类事故发生，利用相尺寸为，】，p，z，模型的相应尺寸为，ym，z，取似材料模拟试验对伊犁一矿首采工作面煤层上覆岩长度相似系数Cf=rm／=Z／Z=1／100；层运动规律进行研究，为煤层安全开采提供依据。2)时间相似。取时间相似系数为C=Tm／Tp=1首采工作面水文地质概况=1／10；3)容重相似。设原型中第i层岩层的容重为伊犁一矿首采工作面位于井田东一采区中南

4、Y相应模型中该岩层的容重为Y取容重相似系部，总体上为一走向近东西、向北倾的单斜构造。地数为C=y／y=1／1．5，则模型中各岩层的容重为层沿走向、倾向稳定，区内目前尚未发现有明显的断=Ypi／1．5；层。地势南高北低，地貌为倾斜平原；水文地质为山4)弹模相似。设原型材料的弹性模量为E。，前垄岗状倾斜平原潜水、承压水水文地质区；首采工材料模型的弹性模量为E，则各分层的弹性模量相作面所在区域内地表水受控于南山水系，流经本区似系数为CE=E／E。=CC=1／150；对地下水有影响的河流为琼博拉萨依沟。发育的地5)强度相似和应力相似。设原型材料的单向层由老至新有：古生界石炭系、

5、二叠系，中生界三叠抗压强度为。，相应的模型材料的单向抗压强度为系、侏罗系、白垩系，新生界第三系、第四系。主要含水层包括：第四系孔隙含水层、新近系孑L隙含水层和⋯，则模型中各层材料的单向抗压强度为Or"=／150ocpl收稿日期：2009～10—11；2010—07—20修订3相似材料选择及模型制作基金项目：山东科技大学研究生科技创新基金项目模型设计总高度1．5m，采深149m，有效试验(YCA100102)长度220m。由于相似模拟试验的近似程度取决于作者简介：魏久传(1962一)，男，山东博兴人，教授，主要从事矿井水害预测及防治方面研究工作。E—mail：jcwee@

6、相似材料的选择和各种材料的配比，因此需对相似126．eom。材料配比进行试块研究。本次试块在常温下制作，·l1·2010年8月矿业安全与环保第37卷第4期试验模具采用15em×15cmX15cm混凝土标准模具。所测试的配比为8：5：5，8：6：4，9：7：3，每一配比制成3个试块(见图1)。试块成型后1d脱模，在常温下养护3d，然后测其强度。本次试验技术评价指标为单轴抗压强度，采用刚性液压伺服试验机测定试块的单轴抗压强度。图2直接顶堆积状态直接顶的其他部分，基本上呈规则垮落，即垮落后能保持原来的层序不变。但是直接顶的厚度和组成随工作面推进速度和工作面地质条件的变化，其厚

7、度和组成也是不断变化的。特别当老顶下位岩层是非厚硬岩层时，直接顶和老顶可以相互转化。当图1模拟试块工作面推进的距离增大时，直接顶随悬垮长度的增加而垮落，与其下部岩层成为一组同步运动。以8：5：5配比为例，试件1单轴抗压强度为在试验过程中，可观测到岩层之间发生离层的0．207MPa，试件2单轴抗压强度为0．206MPa，试件3次序并非是逐层自下而上的，而是率先在采动覆岩单轴抗压强度为0．250MPa(去除)，平均为中第一厚硬岩层的下部出现离层，随着工作面的推0．206MPa。根据应力相似，现以8：5：5配比为例，计进离层裂隙长度和高度增大，