急倾斜煤层开采上覆岩层运动规律模拟研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com焦作工学院学报(自然科学版)，第22卷，第3期，2003年5月JournalofJiaozuoInstituteofTechnobgy(NaturalScience)，Vo1．22，No．3，May2003急倾斜煤层开采上覆岩层运动规律模拟研究汪成兵，张盛，勾攀峰，张义顺(焦作工学院资源与材料工程系，河南焦作454000)摘要：相似材料模拟试验是研究矿山压力及围岩运动的重要手段．本文以平顶山煤业(集团)有限责任公司十三矿己】5一】7—12041工作面为模拟对象，对己组煤开采上覆岩层运动规律进行相似材料模拟

2、试验，通过对模拟试验结果分析，得出己组开采上覆岩层的运动规律．关键词：运动规律；相似模拟；急倾斜煤层中图分类号：TD352文献标识码：A文章编号：1007-7332(2003)03-01654)30引言平顶山煤业(集团)有限责任公司十三矿，设计生产能力为180万t／a，1993年破土动工，1998年7月试生产，主要开采二叠系山西组己15一】7煤层(即二】煤层)．采用一对立井、采区上下山开采．由于新建矿井矿压研究尚属空白，并且由于该矿地质条件变化大，邻近矿井的矿压研究成果不便利用，因此，有必要对该矿己组煤开采后上覆岩层的运动规律进行研究．相似材料模拟试验

3、是研究矿山压力及围岩运动的方法之一，它以相似理论为依据，用与煤岩力学性质相似的材料，按原型与模型间所需的相似准则做成模型，然后在模型中开拓巷道或进行回采，观察顶板岩层的变形、位移及破坏情况，据此分析原型中所发生的情况，试验结果直观，相似程度高．1模型设计与试验试验采用长×宽×高=1．5m×0．1m×1．1m的平面应力模型试验架．试验时模型架前后安装固定有机玻璃和钢板，一方面限制模型纵向位移，另一方面便于观测和拍照．1．1相似模拟试验的现场条件试验以平顶山煤业(集团)责任有限公司十三矿己15—17—12041工作面为模拟对象，采用平面应力模型研究沿倾斜方

4、向顶板的运动．12041工作面开采己15—17煤层，采深为322-450m，煤层平均厚度为5．15m，煤层倾角为45。，工作面斜长为75m．采用走向长壁分层开采爆破落煤法，分层采高为2．5m．煤层顶板为9．1m厚的大占砂岩，煤层底板为4．86m的细砂岩，其顶、底板物理力学性质见表1．1．2相似比的选择以岩石抗压强度、抗拉强度、密度、几何条件为主，在满足上述参数相似的同时，应使模型与原型的边界条件及初始条件相似．据相似理论、试验台规格和模拟条件，相似参数定为：几何比aI=，1／75，密度比口y=0．63，强度比=口L·口y=8．4×10一，外力比口p：口

5、y·口=1．49×10一．1．3相似材料的选取和模型架制作根据相似材料模拟试验的要求]，模型相似材料以石英砂作为骨料，石膏、石灰、碳酸钙作为胶结材料，和水按一定比例配制而成，倾斜分层铺设于模型架中，层与层之间撤入滑石粉模拟层面．收稿日期：2003~1—16：修回日期：2003~2·18作者简介：汪成兵(1979一)。男。安徽怀宁人，硕士研究生。从事矿山岩体力学方面的研究维普资讯http://www.cqvip.com166焦作工学院学报(自然科学版)2003年第22卷如图1所示．模型采用杠杆法进行加载．表1煤层顶、底岩层的物理力学性质Tab．1Phys

6、icalandmechanicalfeatureoftheseamroofandflor注：老顶、直接顶均为大占砂岩2试验结果及分析(1)上分层开采后，直接顶岩层先在层理处离层，然后断裂，断裂岩块大部分趋于一致．工作面上下部采空区顶板跨落不一致，具有不对称性．采空区上部直接顶冒落充分，与周围岩体完全脱离，下部冒落不充分．直接顶冒落后，老顶与上位岩层产生裂隙，但由于岩块间咬合，其跨落不充分．(2)下分层开采后，直接顶随采随跨，且进一步破碎．随着时间的推移，在上覆岩层及外在载荷的作用下，老顶完全跨落，沿倾斜方向分成3块．工作面上侧采空区顶板岩层被弯曲拉断，

7、下侧采空区上覆岩层未在煤壁处剪断．上覆岩层最终跨落情况如图2、图3所示．图1试验前的模型开采后顶板的跨落特征为：上覆岩层按破坏程度Fig．1Modelbeforeexperiment自下而上存在着冒落带、裂隙带、弯曲下沉带．沿倾斜方向冒落带形状为上、下端不对称的平顶拱形，其拱顶长度为32cm，拱底即工作面斜长100cm．垂直工作面层面上，上覆岩层呈层状冒落，顶板冒落最大法线高度为44cm，相当于两层采高的6．41倍，位●●-于采#空}区中1上部ll；下部最大Il法j线冒落高度为30cm，相当于两层采高的4．4倍．冒落拱上端拱边缘与采空区跨落岩层完全脱离

8、，并存在有一定的空隙，下端拱边缘与采空区跨落岩层未完全脱离．处于工作面中、上部的顶板岩层运动较