有关覆岩三带的相似模拟讨论

河南理工大学硕士研究生
《相似理论与模拟试验》课程论文
2014-2015学年第二学期
题目：关于《采场覆岩“三带”演化特性的
相似模拟实验及分析》的意见与看法
姓名：冯好收
学号：xxxxxxxxxxxxxxx
专业：xxxxxxxxxxxxxx
本文主要是对发表在“矿业安全与环保”期刊上的一篇文章——《采场覆岩“三带”演化特性的相似模拟实验及分析》提出的一些个人见解与看法。

一、文献简介
这篇文章是从三个方面来研究分析采场覆岩“三带”的高度的。

第一，通过对覆岩采动裂隙发育特征进行相似材料模拟实验分析，研究采场覆岩裂隙的测点层位下沉量裂隙密度及离层率，得出覆岩“三带”的高度；第二，利用钻孔探测仪实测垮落带高度，对相似模拟实验结果进行验证；第三，根据理论分析对上两种方法得出的结果进行比较分析，确定“三带”的高度范围。

相似模拟实验以某矿综采放顶煤40108工作面为基本原型，工作面长度180m，走向长度1917m，平均采深384m。

煤层平均倾角5°，平均厚度11.5m，其中割煤高度3.4m，预留底煤厚度平均2.0m，放顶煤厚度平均6.1m。

二、所提意见与看法
1、对垮落带理论分析的不同见解
随着工作面的推进，煤层内的采空空间将有其上覆岩层垮落、填充，由于岩层破碎后体积膨胀，当采空区上方岩层垮落一定高度后将填满采空空间，其上方的岩层由于受下部垮落岩石的支撑不再垮落，但因压力过大和受力不均匀将产生裂隙。

文章中提到，垮落带高度即是垮落后能把采空空间填满的岩层厚度与煤层开采厚度之和，亦是垮落岩层膨胀的高度。

并给出下列关系式：
H=lk=h+l（1）由式（1）得：
l=h/(k-1) （2）将式（2）代入式（1）得：
H=kh/(k-1) （3）式中：H——垮落带高度，m；
l——垮落带岩层厚度，m；
h——煤层采高，m；
k——煤层顶板岩层的膨胀系数。

并据此得出，放顶煤开采条件下的垮落带高度的关系式：
m Z=(h-δ)/(k P-1) （4）式中：h为煤层厚度，10.1~13.6m，平均11.5m；
δ为因丢煤而引起的充填厚度，δ=h(1-c)k m，m；
c为总采出率，取85%；
k m为垮落顶煤碎胀系数，取1.1；
k p为岩层的碎胀系数，取1.2。

根据40108工作面的岩性特征，计算出40108工作面采空区理论垮落带高度为42.2~56.8，平均48m。

若根据文中对垮落带高度的描述及计算公式，那么公式（4）得出的结果m Z 就不是跨落带的高度，而是垮落后能把采空空间填满的岩层厚度。

文中所给的理论分析不但是矛盾的，而且是错误的，他忽略了一个重要的因素，当煤层顶板覆岩的岩性不同时，在冒落过程中顶板的下沉值也是不同的。

在《“三下”采煤规程》中对跨落带高度计算有详细分类，其中有：
（1）如果煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，采后能形成悬顶时，其下方的垮落带最大高度可采用下式计算：
H m=M/[(K-1)cosα] （5）式中：M——煤层采厚；
K——冒落岩石碎涨系数；
α——煤层倾角。

（2）当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，开采单一煤层的跨落带最大高度可采用下式计算：
H m=(M-W)/[(K-1)cosα]（6）式中：W——冒落过程中顶板的下沉量。

要注意的是，在这些公式中垮落带高度H m指的是垮落后能把采空区空间填满的岩层厚度，并不包括煤层厚度。

由原文章中相似模型煤岩层的物理力学性质的参数可以推断出，所模拟的煤层顶板岩性属于中硬岩层。

对于中硬岩层条件下两带高度，《“三下”采煤规程》没有收录针对综放开采条件下的公式，通常依据厚煤层分层开采时的计算公式计算。

垮落带高度H m：
H m=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2 （7）
导水断裂带高度H li ：
H li=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6 （8）式中，∑M为累计采厚；±2.2为中误差。

代入数据计算得，40108工作面采空区垮落带高度为13.54~17.94m，导水断裂带高度为46.67~57.87m。

但对于综放工作面，由于采高的扩大，垮落带和导水断裂带发育高度均将比分层开采明显增大，采用分层开采公式已经不适用。

综放工作面中硬条件下覆岩两带高度可用以下经验公式计算（参考文献2）。

垮落带高度H m：
H m=100∑M/(0.49∑M+19.12)±4.71 （9）
导水断裂带高度H li ：
H li=100∑M/(0.26∑M+6.88)±11.49 （10）
代入数据计算得，40108工作面采空区垮落带高度为41.75~51.17m，导水断裂带高度为105.02~128.00m。

可以看出，原文章中的数据与本文所得数据非常接近，但原文章中的计算方法是错误的，或者说是很不准确的。

2、对模型裂隙发育及分布规律分析的一些看法
原文对裂隙的发展规律分为3个阶段（如图1、2）：
a、开切眼到顶板初次来压前( 0~58m)。

顶板岩层随着工作面的推进，由初次开挖的弹性变形向塑性变形!破坏发展，直到出现破断裂隙，且裂隙密度不断增加，至工作面初次来压时，裂隙密度达到最大，为裂隙发育区。

b、顶板初次来压后周期性矿压显现的正常回采期( 距切眼58m至工作面前方50m) 。

此阶段内随着覆岩的垮落，破断裂隙向较高层位发展，当工作面推进到一定距离后，采空区中部的垮落矸石被重新压实，裂隙密度迅速减小，形成压实稳定区。

c、工作面附近( 工作面前方50m内)。

由于支架等支承作用，此阶段覆岩的破断裂隙分布密度仍然较大，为裂隙发育区。

图1 工作面推进346m时“三带”分布
图2 切眼至采煤工作面覆岩裂隙密度分布
原文对模型裂隙的发育及分布规律分析的不够准确，煤岩层的力学性质、层位关系是发生不同变形行为的内在因素，裂隙是岩体变形、破坏的主要控制因素，裂隙的宏观等级是评价其控制作用大小的指标。

顶板岩层发生大范围移动变形的直接原因是采动诱发的纵向与横向裂隙相互贯通并由此产生扩容、破坏；顶板裂隙发育情况可采用裂隙分布密度和张开度表示，岩体宏观裂隙张开度＞3 mm 即为发育裂隙，依据模型几何相似比1∶200 计算，模型裂隙＞0.015mm 即为发育裂隙，故模型宏观可见裂隙均可视为发育裂隙；由于各层相似模拟材料具有各向同性和均质性，可见裂隙密度与工程实际采动岩层差别较大，故不能仅采用裂隙密度来划分其发育程度。

应采用宏观可见裂隙的分布规律对“三带”高度进行分析：
a、工作面顶板一定范围内的岩层发生较大离层及周期性断裂，沿离层面形
成的横向裂隙与纵向断裂面及竖向裂隙交叉贯通，将岩层沿竖直方向切割为碎块，裂隙密度、张开度均较大，具有这些裂隙发育及分布特性的岩层范围可视为冒落带；
b、离层与纵向裂隙是相互促进、相互影响的，周期性来压时发生明显下沉和离层，离层诱发的纵向裂隙与离层面形成的横向裂隙相互切割贯通，但纵向裂隙的密度与张开度均较小，不足以将岩层切割为碎块，具有这些裂隙发育及分布特性的岩层范围可视为裂隙带；
c、周期性来压时发生缓慢下沉，岩层发生竖向或近似竖向连续位移，不同岩层之间未发生可见的横向宏观离层裂隙，宏观可见纵向裂隙密度与张开度较小，具有这些变形和裂隙发育特性的岩层范围为弯曲下沉带。

3、对相似模拟实验方案的建议
原文实验相似比及参数：利用西安科技大学西部煤矿开采及灾害防治重点实验室的平面模型，按几何比例1：200沿煤层走向对某一剖面进行模拟，走向模型尺寸3000mm×200mm×1100mm，模型铺设高度大于15倍采高时，上覆岩层采用物理相似的配重实现均匀加载。

根据原型确定模型时间相似常数10、容重相似常数1.5、泊松比相似常数1.0，应力及强度相似常数均为300。

模型设计中未明确开挖步距与开挖间隔。

根据几何比例，模型中煤层厚度平均50mm，对特厚煤层来说，开挖步距也是要考虑的重要因素，对实验中初次来压、周期来压等上覆岩层发生较大范围运动有很大影响，也是提高实验精准度的因素之一。

另外，模型铺设高度只有15倍的采高（1100mm），只能观测到垮落带与裂隙带的发展变化，并不能观测到弯曲下沉带的岩层变化，建议采用更大的模型尺寸3000mm×200mm×1800mm，可以很好地观测到整个“三带”的变化规律。

三、总结
采用实验室实验、理论分析、数值模拟、现场观测相结合的方法，对解决采矿问题的研究是最合理有效的方法。

对采动覆岩纵横向裂隙的分布、发育及相互贯通情况进行分析研究，采用相似材料模拟实验方法，是准确划定“三带”高度的有效方法。

再辅助以裂隙及分布特性的理论分析，以及现场探测数据的参照对比，保证了相似材料模拟实验研
究结果的可靠性。

其中，我们要注意的是，一定要保证理论分析的正确性，尽量提高相似模拟试验的精准度，确保现场观测的可靠性，这样才能使我们所研究的问题得到正确的结论。

参考文献：
[1] 李树刚，王琳华，林海飞．采场覆岩“三带”演化特性的相似模拟实验及分析[J]．矿业安全与环保，2013，40(3):17-20.
[2] 许延春，李俊成．综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J]．煤矿开采，2011，16(2):4-7.
[3] 张军，王建鹏．采动覆岩“三带”高度相似模拟及实证研究[J]．采矿与安全工程学报，2014，31(2).
[4] 康建荣，王金庄．采动覆岩力学模型及断裂破坏条件分析[J]．煤炭学报，2002，27(1):16-20.。