开采沉陷覆岩运动规律的相似材料模拟试验

开采沉陷覆岩运动规律的相似材料模拟试验
郭辉;株楠;秦长才;刘利君
【摘要】在研究开采沉陷引起的覆岩运动及其地表移动的规律时,采用相似材料模拟的方法,可以直观的表达出在工作面推进过程中,所引起的覆岩及其地表的水平位移、下沉量及其移动规律.通过实验表明,随着工作面的推进,煤层上覆岩层运动逐渐剧烈,水平位移和下沉量逐渐增大,直至达到充分采动后,水平位移和下沉量衰减并逐渐趋于稳定.
【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】5页(P12-15,7)
【关键词】开采沉陷;相似材料模拟;覆岩运动
【作者】郭辉;株楠;秦长才;刘利君
【作者单位】安徽理工大学,安徽淮南 232001;安徽理工大学,安徽淮南 232001;安徽理工大学,安徽淮南 232001;安徽理工大学,安徽淮南 232001
【正文语种】中文
【中图分类】P258
相似材料模拟试验主要用于矿山测量和煤炭研究及其应用，自1958年引进我国，并逐渐应用到煤炭行业、煤炭高校以及相关专业的研究中。

它是根据工作面岩层的相关物理力学以及地质参数，在一定的模型试架中按一定的比例缩小制成模型，以
相似理论为基础，利用模型与实地工作面相似或类似的特征来研究开采工作面推进引起的覆岩运动和地表沉陷的一种的模型试验技术。

用相似材料模拟开采沉陷引起覆岩运动及其地表移动规律的方法，不仅可以直观的表达出在工作面推进的过程中煤层上覆岩层的运动，还可以直接观测出覆岩运动及其地表沉降的下沉量和水平位移，并且还可以为实地矿井工作中的新技术和新实验方法提供一定的参考数据，省时省力且效果明显。

1 试验研究方法
根据实地矿井煤层、岩层的物理力学性质和地质参数，按照相似材料模拟理论制作与实地矿井相似的模型，模拟出与实地矿井相似的岩层、煤层及其厚度和深度。

首先，在模型上按煤层上关键层的位置布设一定数量的观测点，同时在试架上布设稳定的控制点A、B、C和D，并进行采前观测2次，求出平均值作为采前观测值。

然后，进行模拟开采，在模拟工作面推进的过程中，根据模拟煤层长度以及模拟开采进度，进行一定次数的采中全面观测。

最后，在模拟开采完成后，进行两次采后全面观测。

1.1 相似模拟材料组成
试验的模型设计是按照模拟理论完成，相似模拟材料主要包括：沙子、石灰、石膏和水。

在制作模型的过程中，按照一定的配比将上述材料混合并堆砌模拟试验对象。

各分层之间洒入均匀的云母粉用来分层。

而在制作煤层中，在材料中混入墨汁模拟实地的煤层［1］。

1.2 试验手段和设备
试验主要有模型框架系统、加载系统和观测系统三部分组成。

模型框架是根据相似材料配比表完成，试验中的荷载由配重块进行模拟加载。

试验的观测通过使用精度为±5″全站仪来完成。

1.3 相似模型设计及点位布设
实验模型按1：100的几何比例进行制作，依据相似准则，在以下几个方面保持相似关系：
（1）几何相似
设原型的尺寸为LP，模型的相应尺寸为Lm。

取几何相似系数为：
（2）时间相似
由于原型和模型中的重力加速度相等，取时间相似系数为：
（3）弹性相似
设原型中各岩层的弹性模量为Epi，模型中相应岩层的弹性模量为Emi。

取弹性模量相似系数为：
（4）泊松比相似
设原型中各岩层的泊松比为μpi，模型中相应岩层的泊松比为μmi，取泊松比相似系数为：
（5）应力相似
设原型中各岩层内的应力为σpi，模型中相应岩层内应力为σmi，取应力相似系数：
点位布设应选择在相似模型的煤层上方关键层［2］。

岩层关键层是指在采场覆岩层中存在着多层岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层［3］。

关键层的断裂将会导致岩层的局部或全部移动，并且各关键层之间的不协调移动会使岩层产生离层，所以在关键层上布设点位能很好的观测出煤层上覆岩层受到煤层开采影响的变化［4］。

1.4 模拟开采设计及观测次数
在模拟实验台的两端分别留设60cm的边界煤柱，以消除模型边界效应，试验首先从左侧边界处做切眼开始。

煤层采高为2.5cm，每两小时采煤一次，每次向前推进5cm，模型回采每2小时相当于现场一昼夜，5cm相当于现场采5m。

根据煤层开采推进进度，实验每四次进行一次观测，即煤层工作面推进20cm进行一次观测，然后根据有效开采长度来确定观测次数［5］。

2 数据处理
如图1所示，假设固定点A、B到O点的水平投影距离为L1，C、D到O的距离为L2，L1与L2的水平夹角为θ0，观测A、B、C和D四个点的竖直角分别是φ1、φ2、φ3和φ4，假设A、C两点的高度为H1，B、D两点的高度为分别为H2（见图2（a）），则有：
所以，
同理，对于C、D两点：
所以，
图1 模型观测示意图
图2 计算原理
取模型内任意点X（见图2）。

设X点到O点的水平投影长度为L，到AB边的水平距离为Lx，到AD边的垂直距离为Hx。

对该点进行观测，可得水平角θ1、θ2（见图2（b））。

经过计算可以得到：
根据上述公式可以计算模型内任意点在模拟开采前的LX0和HX0以及开采后的LXi和HXi，从而求出点位的下沉量W 为W ＝HXi–HX0，水平移动值U为U＝LXi–。

3 实例
相似模拟试验选用淮南某矿1202（3）工作面。

模型按1：100的几何比例制作，试验模型煤层推进长度为280m。

根据岩层压力观测线的布设情况，分别在距煤层顶板9cm、16cm、31cm和78cm处布设四条测量观测线，分别为1号观测线、2号观测线、3号观测线和4号观测线。

其中1号、2号和3号测线布设了22个测点，4号布设32个测点，1号、2号和3号观测线测点间的水平距离均为15cm，而4号观测线测点间的水平距离为10cm，四条观测线共计98个测点。

模型开采两个小时开采一次，采高4cm，在初放期间推进速度为每2.5小时推进
5cm，在之后的回采中推进速度为每2.5小时推进8cm，每开采四次作一次观测。

本模型在采前进行了2次全面观测，采动期间进行了8次全面观测，采后进行了
2次。

在进行全面观测时，把全站仪安置在模型正前方大于6m处，对A、B、C
和D点进行两个测回观测水平方向角和垂直角，采用盘左盘右为一测回的观测方
法对每一测点的水平方向角和垂直角进行观测，从而通过计算得到观测点的位置坐标LXi和HXi。

3.1 模型观测数据分析
3.1.1 各观测线下沉值曲线图
1号、2号、3号和4号观测线动态下沉曲线如图3～图6所示。

在做图时，把各观测点的观测值按相似比例还原。

图3 1号观测线动态下沉曲线图
图4 2号观测线动态下沉曲线图
图5 3号观测线动态下沉曲线图
图6 4号观测线动态下沉曲线图
当工作面推进了140cm的时候，部分测点开始移动，随着工作面的继续推进，下沉移动值和移动范围由小到大发生变化，当工作面推进了300cm以后，4条测线均发生了较大的下沉位移，1号、2号、3号和4号观测线的最大下沉值分别完成了最大下沉量的89%、90%、91%和72%，最终，1号、2号、3号和4号观测
线的最大下沉点分别为11号、31号、51号和72号测点，最大下沉值分别为35.49mm、37.27mm、40.47mm 和55.66mm。

下沉曲线左右基本对称，与水
平煤层开采岩层移动和变形规律一致。

由于观测线中间部位已为充分采动区，所以明显出现了平底。

3.1.2 各观测线水平变形曲线图
各观测线水平变形曲线如图7～图10所示。

图7 1号观测线水平变形动态曲线图
图8 2号观测线水平变形动态曲线图
图9 3号观测线水平变形动态曲线图
图10 4号观测线水平变形动态曲线图
4号观测线的水平移动量明显比1号、2号和3号观测线的水平移动量大。

在70
号点和71号点、71号点和72号点、91号点和92号点分别之间出现了大于
2mm／m的水平拉伸变形。

3.2 覆岩运动分析
试验过程中，煤层上覆岩层随着工作面推进逐渐垮落，不断变化。

处于煤层之上的岩层在工作面推进后，不规则冒落，堆散在采空区内，并逐渐被压实（如图11）。

而距离煤层顶板较远的覆岩则是呈规则垮落，层层堆叠，保持层序不变，在下沉比较严重的区域则出现层向离层裂缝（如图12）。

图11 煤层顶板岩层冒落
图12 煤层上岩层规则垮落
4 结论
（1）从本试验可以看出，相似材料模拟模型可以直观的表达出，在随着采煤工作面的推进过程中，煤层上覆岩层的下沉与水平运动情况。

（2）煤层上覆岩层的三个移动带的形成和范围的改变与煤层推进距离有关。

在实验过程中，随煤层开采不断推进，采空区跨距不断增大，引起煤层上覆岩层的下沉量增加，弯曲下沉带也逐渐向上扩展。

当煤层开采推进至距切眼74cm时，岩层出现裂隙，裂隙带形成。

煤层推进距离
继续增加时，离层、裂隙逐渐向上延伸；煤层开采推进至距切眼310cm时，岩层水平位移和下沉迅速增大，煤层顶板发生垮落，并发育成离层，出现了冒落带；此时弯曲下沉带和裂隙带继续向上发展直到引起松散层下沉弯曲，导致地表移动。

（3）根据对煤层上覆岩层移动曲线分析，岩层移动过程划分为初始阶段、活跃阶段和衰减阶段。

在煤层开采不断推进过程中，岩层在水平移动和下沉的影响下，初始运动阶段岩层出现裂隙和离层，并不断发展；活跃阶段，其特点是水平移动较为剧烈，垂直位移急剧增加，但各层位移速度不相同，此时形成层间离层；衰减阶段，在采空区以外的一定范围内，变形曲线又趋于缓和，此时各岩层进入缓慢的互相压合过程，层间离层逐渐消失。

参考文献
［1］王思敏 .论岩石的地质性及其岩石力学演绎［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（3）：433－450.
［2］林韵梅.实验岩石力学—模拟研究［M］.北京煤炭工业出版社，1984.
［3］钱鸣高 .岩层控制的关键层理论［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003. ［4］许家林，钱鸣高 .关键层运动对岩层移动与地表沉陷的影响研究［J］.煤炭学
报，2000，25（2）：122－126.
［5］王思敬 .论岩石的地质性及其岩石力学演绎［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（3）：433－450.
［6］何国清，杨伦等 .矿山开采沉陷学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1991.。