采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究_杨鹏

合集下载

覆岩采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验

摘
要：煤层开采后，岩采动裂隙演化规律及其形态特征与卸压瓦斯抽采密切相关。通过沿工覆
作面走向及倾向相似材料模拟实验，到覆岩采动破断裂隙的产生、展为三阶段演化规律，得发形态呈 “ 状。离层裂隙呈两大阶段、Ｍ” 两个层位、个区间的演化特征，三即在主关键层触矸前，布分形态在垮落的最上位亚关键层上部，呈倒 “ 状，Ｖ” 下部呈 “ 状；Ｍ” 当主关键层触矸后，关键层下主
第３卷第５ｏ期
２１００年９月
西
安
科
技
大学学
报
Ｖｏ．Ｎｏ５１３０．Ｓｐｔ２０ｅ．０１
ＪＵＲＡＬＯＦ Ⅺ ＩＲＩＹＯＦＳＩＮＥＡＥＨＬＧＯＮＡＮＵＮＶＥＳＴＣＥＣＮＤＴＣＮＯＯＹ
｛收稿日期：００～０２１１—２０
基金项目：国家自然科学基金项目（０７０８；５８４９）高等学校博士学科点专项科研基金（０９１１１０２；２０６２１００）西安科技大学博士启动基金
（５３１７；Ａ００１）西安科技大学培育基金（０９０）２００８通讯作者：海飞（９９一）男，林１７，山西大同人，讲师，士，博主要从事矿山安全与瓦斯灾害防治技术的研究．
６～１。平均８５。工作面走向９０ｍ，。６，．。０面长１０ｍ，深２０～０采用综放一次采全高开采，高２６采０４０ｍ．采．７ｍ，推进速度３～５ｍｄ／．１２相似常数的确定．

《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖

《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖于铁军
【期刊名称】《煤炭高等教育》
【年(卷),期】1990(000)001
【摘要】由中国矿业大学钱鸣高教授等人研究的《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖。

该项成果系统地研究了采场矿山压力及其控制问题,发现了已破断的岩块互相挤压后形成“砌体梁”平衡的结构,根据老顶所处的各种边界条件,获得了老项作为“板”形式的各种破断方式及规律,提出了弹性板和梁的力学模型,在矿山压力理论上有重要发展,达到国际先进水平,在国内外受到高度评价和承认。

对采矿学科和煤炭工业的发展有重要的指导和推动作用。

【总页数】1页(P58-58)
【作者】于铁军
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】G64
【相关文献】
1."两硬"5m采高上覆岩层活动规律相似模拟试验分析 [J], 于斌;王爱国
2.我院谢向东教授参加的“非线性生态动力系统研究”项目获福建省自然科学奖三等奖 [J],
3.我院谢向东教授参加的“非线性生态动力系统研究”项目获福建省自然科学奖三等奖 [J], 无
4.大采高采场上覆岩层运动规律的研究 [J], 周献惠
5.生科院、材化学院项目获浙江省自然科学奖、技术发明奖三等奖 [J],
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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。

采矿工程中相似模拟试验研究现状及发展趋势

①基金项目：省级大学生创新创业训练计划项目：层状组合裂隙岩体失稳破坏特征试验研究（项目编号：S201910 452049）。
作者简介：邱露（2002—），女，本科在读，研究方向为土木工程、岩土工程。通信作者：孙熙震（1987—），男，博士，讲师，研究方向为岩石力学、岩土工程。E-mail：496661950@。
摘要：相似模拟试验是采矿工程中研究覆岩运动特征的重要手段。本文结合已有成果对相似模拟试验在采场
覆岩运动研究中应用进行了分析总结。研究指出：尽管相似模拟试验结合应力、位移等监测手段能较好对采场覆
岩运动情况进行反映，但存在一定不足，并从试验材料、试验方法、地质构造模拟、观测手段等方面对存在问题
进行了分析，在此基础上探讨了相似模拟试验未来发展趋势。研究成果对于指导和改进相似模拟试验有一定的
QIU Lu SUN Xizhen* (School of Civil Engineering and Architecture, Linyi University, Linyi, Shandong Province, 276000 China) Abstract：Si m i la r si mu lat ion test wa s the m a in method to invest ig ate the overburden movement characteristics. The application of similar simulation test in overburden movement was summarized deeply with existing research results. Similar simulation tests can basically ref lect overburden movement combining with stress, displacement monitor etc., however, the def iciencies of test materials, test method, geological structure modeling and monitoring measures are still existed. The trends of similar simulation test are also analyzed in the paper. The research results have some reference signif icance of guiding and improving similar simulation test. Key Words：Similar Simulation; Overburden strata movement; Review; State and trends

煤矿开采覆岩移动规律的相似模拟研究

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｉｌｒａｍａｔｅｉｒａｌｓ；ｏｖｅｒｂｕｄｅｒｎｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔ；ｔｈｅｌａｗｏｆｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ—ｚｏｎｅ；ｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅ — ｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ＩＪ５Ｉ罱
均采深３９２．５ｍ，煤层均厚１．８ｍ，工作面走向长７２０ｍ。
倾向长１５５ｍ，实行大采高一次采全高综合机械化采煤，
顶板管理采用全部垮落法，工作面推进速度４ｌａｔｉｎｇＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＬａｗｏｆＭｏｖｅｍｅｎｔｏｆＣｏａｌＭｉｎｅｄＳｔｒａｔａ
ＭＡＲｏｎｇ—ｚｈｅｎ，ＸＵＬｉａｎｇ— ｊｉ，ＧＡＯＳｈｕａｎｇ
ｍｅｎｔａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎｓｔｒａｔａｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｍｉｎｉｎｇｉｎｌｕｆｅｎｃｅ．ｎｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｆｔｅｒｍｉｎｉｎｇ．ｉｎｔｈｅｏｖｅｒ－ｂｕｒｄｅｎｓｔｒａｔａ，ｃｏｌｌａｐｓｉｎｇｓｔｒａｐ，ｃｒａｃｋｓｔｒａｐｎｄａｄｅｌｆｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｐｗｅｒｅｆｏｒｍｅｄｉｎｔｕｒｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｆｖｅｐｒａａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ，ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ，ｃｕｒｖａｔｕｒｅ。ｈｏｒｉｚｏｎｔｌａｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍｅｃｈｎｉａｃｌａｓｔａｔｅｏｆｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎｓｔｒａｔａｗｅｒｅｓｕｍｍａｉｒｚｅｄ．

开采沉陷覆岩运动规律的相似材料模拟试验

８）Ｈ０一Ｈ１一Ｈ２一Ｌｚ・（ｔｇ９３一ｔｇ９４）（
所以，
Ｌｚ一Ｈｏ
（９）
（４）泊松比相似
・
北京测绘・
２０１３年第５期
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
（安徽理工大学，安徽淮南２３２００１）
［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
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
实验模型按ｌ：ｉ００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
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
设原型的尺寸为Ｌ，模型的相应尺寸为Ｌ。取几何相似系数为：
ＣＬ— Ｌ／ＬＰ一１：１００（１）
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

采动覆岩移动规律的相似模拟实验研究

（ｉｅｓｙｏＳｉｃＵｎｖｒｔｃｎｅｉｆｅ
ＭｉｉｇＴｅｈｏｏｙ）ａｃｎｌｇｅｉｇ）ｎｎｃｎｌｇｄｎＴｅｈｏｏｙＢｉｎｊ
ＡｂｔａｔＴｈｈｒｃｅｉｔｓａｄｔｅｄｓｒｕｉｎｒｌｆｔｅ“ ｈｅ — ｎ ’ ｏｈｖｒｙｎｏｋｉｎｒｉｇｓｒｃｅｃａａｔｒｉｎｈｉｔｉｔｅｏｈｔｒｅｚｅ’ ｆｔｅｏｅｌｉｇｒｃａｍｉｅｗｏｋｎｓｓｃｂｏｏｓｏｎｗｅｅｓｕｉｙｅｕｖｌｎｔｒａｉｌｔｎ．Ｔｈｅｅｏｍｅｔｔｎｅｃｐｏａａｉｎｒｌ，ｘｓｅｃｃｐｎｈｐｒｔｄｅｂｑｉａｅｔｄｍａｅｉｌｍｕａｉｓｏｅｄｖｌｐｎｅｄｎｙ，ｒｐｇｔｅｅｉｔｎｅｓｏｅａｄｓａｉｏｏｅｎｓａｅｏｅｅａａｉｎａｄｉｓｒｌｔｎｗｉｈｔｅｗｏｋｎａｅａｖｎｅｗｅｅｄｆｅ，ｐｏｉｉｇａｍｐｒａｔｔｅｒｔａｐｃｆｂｓｐｒｔｎｔｅｉｔｈｒｉｇｆｃｄａｃｒｅｉｄｄｏａｏｎｒｖｄｎｎｉｏｔｎｈｏｅｉｌｃｂｓｓｆｒｇｉｉｇｔｅｅｇｎｒｎｒｃｉｅａｉｏｕｄｎｈｎｉｅｉｇｐａｔ．ｃ
ＺａｇＪｎｕｎｈｎｉｑａａ
（ｉｅｓｙｏｃｎｅＵｎｖｒｉｔｆＳｉｃｅ

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究张志祥;张永波;赵志怀;张利民【摘要】以离石-军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究.相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈.研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据.%Taking geological conditions of Kangjiagou coal mine under Lishi-Jundu freeway as a prototype, similar material simulation was carried out for examining the behavior of overlying rock movement and surface deformation with multi-coal seam mining. The results show that under the condition of multi-coal seam mining, with the increase of total thickness of coal seam, the overlying rock subsidence of three zones of gob and surface subsidence, surface lean deformation, surface level movement, surface curvature deformation all show an increasing tendency, the overlying rock of gob is more broken, the surface deformation is more intense. The results provide the basis for the treatment design of gob with multi-coal seam under freeway.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2011(038)004【总页数】5页(P130-134)【关键词】多煤层开采;覆岩;相似模拟;采空区;变形【作者】张志祥;张永波;赵志怀;张利民【作者单位】太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;山西省交通设计研究院,太原,030012【正文语种】中文【中图分类】TD325.+2煤炭开采过程中产生的一系列覆岩移动及地表变形规律，受到了学者们的高度重视，如刘秀英等［1］采用相似模拟实验研究了辛置煤矿2204工作面采空区覆岩的移动规律;刘瑾等［2］进行了采深和松散层厚度对开采沉陷地表移动变形影响的数值模拟研究;孙光中等［3］采用数值模拟和相似材料模拟对巨厚煤层开采覆岩运动规律进行了研究。

寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究

Vol. 30 ! No. 3Mar 2021第30卷第3期2021年3月中国矿业CHINA MINING MAGAZINE寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究余北建(阳泉煤业(集团)有限责任公司,山西阳泉045000)摘要：为研究寺家庄煤矿15106工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态发育规律，基于工作面覆岩地质条件，采用理论分析、数值模拟和相似模型实验的方法研究覆岩裂隙的发育，并划分“三带”。

依据矿业控制理论，得到垮落带高度为14.37〜17.25 m,裂隙带高度为54.8〜72.6 基于UDEC 软件，模拟得到 k 2石灰岩底板距离煤层顶板18 m 为跨落带高度，毗石灰岩底板距离煤层顶板66 m 为裂隙带高度&根据相似模型实验得到垮落带高度为18 m,裂隙带高度为64 理论分析、数值模拟和模型实验得到覆岩“三带”高度基本一致，以坚硬的石灰岩高度为准，确定垮落带高度18 m,裂隙带高度66 m,为高抽巷层位选取提供了一定的理论指导&关键词：覆岩；裂隙；UDEC 软件；相似模型；三带中图分类号：TD821 文献标识码：A 文章编号：10044051(2021)03019305Study on the “three zones ” of overburden fracture in the 15106 coalface of Sijiazhuang coal mineYU Beijian(Yangquan Coal Industry (Group ) Limited Liability Company ， Yangquan 045000， China )Abstract : In order to study the dynamic development law of overlying strata fissures during the miningprocessof15106 workingfaceinSijiazhuangcoalmine !basedonthegeologicalconditionsoftheoverlying strataoftheworkingfacetheoreticaldevelopmentnumericalsimulationandsimilarmodelexperimentsareusedtostudythedevelopmentofoverburdenfractureszones Accordingtothe miningcontroltheory the heightofcavingzoneis14 37-17 25 m !andtheheightoffracturedzoneis54 8-72 6 m Based on theUDEC software,the simulation results show that the k 2 limestone floor is 18 m from the roof of the coal seam and the height of the k 4 limestone floor is 66 m from the roof of the coal seam. According to thesimilarmodelexperiment !theheightofcavingzoneis18 m !andtheheightoffracturedzoneis64 m. Theoreticaldevelopmentnumericalsimulationandmodelexperimentsshowthattheheightof “threezones ” oftheoverburdenisbasica l ythesame.Basedontheheightofthehardlimestonetheheightofcavingzoneis18 m !andtheheightoffracturedzoneis66 m.Theresultsprovidesometheoreticalguidancefortheselectionofhighdrainagelanes.Keywords : overlying rock ； fracture ； UDEC software ； similar model ； three-zone传统“三带”理论认为1，工作面向前推进，顶板岩层悬露继而破坏垮落，在顶板垮落过程中，上覆岩层可形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，三个岩层移动和变形各有特点的空间区域。

采场覆岩离层演化规律研究

身的挠度 ωn 有关，他们之间的关系为：
Wn = M － KnHn － ωn
（ 4）
* 收稿日期： 2011 － 07 － 18 作者简介：刘军（ 1978 －），男，2003 年毕业于山东科技大学，本科
学历。2010 年获得矿业工程硕士学位，发表论文多篇。
3 采场覆岩离层相似材料模拟研究 3． 1 采场原型
（ 1）
式中： τ －层面上的剪切力；
C －层面上的粘结力；
φ －层面上的内摩擦角；
σn －层面上的压应力。
下位岩层在自重作用下产生弯曲下沉，从而在上
下岩层的层面上产生拉应力，当拉应力 σ 超过层面的
抗拉强度，并且上位岩层的抗弯刚度大于下位岩层的
1 覆岩离层的发育机理
工作面在回采阶段，顶板产生初次来压，随着工作面的推进，覆岩移动出现周期性的破坏。在工作面推过之前，上覆岩层处于支撑压力区，岩层处于受压状态。工作面推过之后，覆岩由受压逐渐变为受拉，在自重的作用下岩层自下而上产生断裂、垮落、离层和弯曲，在这个过程中形成导水裂缝带和覆岩离层带。工作面继续推进，岩层由受拉变为受压，离层逐渐变小。位于垮落带之上尤其是弯曲带的岩层，在采动过程中经历一个连续的动态下沉移动过程。在推过工作面之前，岩层受压，仅产生缓慢的下沉，不可能产生离层；在工作面推过后，岩层由受压逐渐变为受拉，离层开始产生；当岩层移动达到拐点即最大下沉速度时，岩层迅速下沉，岩层间的离层也迅速发育，当岩层移动达到最大负曲率时，岩层的挠曲度最大，离层发育达至最大。

上覆岩层运动规律的相似模拟试验研究

郑军：上覆岩层运动规律的模拟试验相为了真实准确地掌握上覆岩层的运移变化规
位置距离煤层顶板４５ｍ，即煤层直接顶板砂质泥．
岩与老顶石英砂岩交接处；在距煤层顶板３离０ｍ处
为０２～０６ｉ．．ｎ的碳质泥岩，直接底为厚度４—７ｎＩ的泥岩，基本底为泥岩。
模型架要求有足够大的刚度和一定的宽度，以保证模型的稳定性。根据现有试验条件，定在决
２１年第１０１期
落带、断裂带的高度，究了上覆岩层运动的过程、化及特点，出了上覆岩层的运动规研变得律，有利于指导工作面的安全生产。关键词：顶煤开采；放相似模拟；上覆岩层；运动规律
中图分类号：Ｄ２Ｔ３５文献标志码：Ｂ
架的尺寸及其他条件综合考虑，按照相似理论确定
相似系数：型的几何相似比为１０视密度相似比模０，为１６时间相似比为１，力相似比为１０．，０应６。由于无现场应力场资料，以近似认为是均质重力场，可所
以初始应力场是相似的。
煤
６
炭
科
技
２１年第１０１期
Ｎｏ．１２１０１
ＣＯＡＬＣＩＳＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭＡＧＡＺＮＥＩ
文章编号：０８３３（０１Ｏ — ０６０１０ — ７１２１）１００ — ３

覆岩采动的动态模拟与离层带充填技术研究

关键词：地下采矿：岩层移动；充填减沉：模拟实验
中图号：Ｔ３５４Ｄ２．文献标识码：Ａ
０引言
地下采矿引起的岩层与地表移动和变形规律，构和地表建（）筑物保护的重要研究内容和依据构之一。特别是在实施覆岩离层充填技术时，正确确定离层带及注浆孔位是关系到注浆减沉工程成败的关键［。矿山岩体是一种结构和属性比较复杂的介１］
现场实际情况一致的研究模型。依据特别模型定律，制作平面和立体模型，成功地对成与发展、注浆减沉的作用机理、注浆压力、注浆时间、减沉效果等问题进行了研究，
取得了满意结果。
孔底应当位于导水裂隙带以上。实验表明在覆岩移
动过程中，弯曲带内仍然有离层存在。因此在离层注浆减沉工程中，一般将岩层内部移动和破坏划分为４带，即冒落带、断裂带、可注浆离层带和整体
煤系地层多为沉积岩，一般由砂岩、泥岩、砂砾岩等交替沉积而成。用相似材料模拟实验方法，可以直观地模拟地下开采引起岩层与地表移动的全过程。在本项目的研究中选取了两个比较典型的中硬且互层发育比较规则的煤系地层作为模拟的对象。根据覆岩结构和岩性条件采用不同

基于相似模拟实验的采动裂隙场演化规律研究

Ｖ０１．１１Ｎｏ．２
Ｆｅｂ．
２０１４
基于相似模拟实验的采动裂隙场演化规律研究
华明国，刘进平，吴兵，雷柏伟
（１．山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西长治０４６１０３；２．中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京１０００８３）
ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＬａｗｏｆＭｉｎｉｎｇ－－ｉｎｄｕｃｅｄＦｒａｃｔｕｒｅｓＦｉｅｌｄＥｖｏｌｕｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＳｉｍｉｌａｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
摘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要：针对目前综放开采条件下对顶板岩移破坏时空演化规律研究不足的问题，采用相似模拟
实验的方法对综放开采条件下覆岩移动和破坏机制以及采动裂隙分布规律和形态特征进行研究，结果表明：随工作面推进裂隙带逐渐地往上演化发展，而且当关键性岩层垮落断裂时，这种裂隙演化更为迅速；当工作面回采至２４０ｍ时，离层裂隙趋于闭合，采动影响达到模型的顶部，裂隙带高度不再随着工作面推进距离的变化而改变。关键词：相似模拟实验；裂隙演化；离层裂隙中图分类号：ＴＤ３２５文献标识码：Ａ文章编号：１６７２— ７２６９（２０１４）０２—００５９— ０５

煤层开采上覆岩层移动规律的相似模拟试验研究及分析

第３９卷
第２期
华北理工大学学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
覆岩层移动的规律、变化及特点。根据模拟结果可知：煤层开采对上覆岩层应力变化作用范围
在２５ｍ之内，当工作面推进１８ＩＴＩ时，顶板应力达到峰值，当工作面推进到３２ＩＴｌ时，老顶初次
来压，平均来压步距为７．０ＩＴ１。
第２期
张九零，等：煤层开采上覆岩层移动规律的相似模拟试验研究及分析
２１
岩层名称
丽＿＿＿ — —
堡
— — －
模型密度
按照各层容重为ｌ６００ｋｇ／ｍ。计算，原型应力为：
Ｄ
ｑｐ＝＝＝
１工程概况
峰峰集团羊东矿２号煤层分布稳定，煤层厚度为４．Ｏ２～７．３５１Ｔｌ，平均厚度为５．５４ｍ，煤层结构复杂，其周围有１３个岩层；直接顶由厚度为０．６～１６．９８ｒｎ的粉砂岩组成，砂岩平均厚度为４ｒｎ，同时偶有泥岩、砂泥岩互层，脆且易碎；老顶为中粒砂岩，致密坚硬；底板的灰黑色粉砂岩，厚度为８ｒｎ，致密易碎，其岩层物理性质

双保护层开采条件下上覆煤岩层裂隙场分布与演化特性研究

收稿日期:２０１８Ｇ１２Ｇ２４基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１７７４２７７);江苏高校青蓝工程中青年学术带头人项目;江苏六大人才高峰高层次人才项目(J N ＧH B Ｇ０９１)作者简介:刘应科(１９８４－),男,研究员,博士,博士生导师,主要从事矿井瓦斯防治的研究．第３５卷第１期徐州工程学院学报(自然科学版)２０２０年３月V o l ．３５N o ．１J o u r n a lo f X u z h o uI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y (N a t u r a lS c i e n c e s E d i t i o n )M a r ２０２０双保护层开采条件下上覆煤岩层裂隙场分布与演化特性研究刘应科,问小江,蒋名军(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州㊀２２１１１６)㊀㊀摘要:以神华宁夏煤业集团乌兰矿为研究对象,采用相似材料模拟试验的方法,分析了双保护层依次回采过程中上覆被保护层沉降量和沉降速度的变化特性,研究了采场上覆煤岩层裂隙场的分布与演化特性．结果表明:双保护层开采条件下的上覆煤岩层裂隙场可分为二次卸压区和一次卸压区,停采线侧和切眼侧的一次卸压角分别约为８０ʎ和７０ʎ,二次卸压角为６０ʎ~６５ʎ;在首采保护层已开采的条件下,次采保护层回采过程中上覆煤岩层的沉降活动更剧烈,被保护层的裂隙发育更为充分;此外,首采保护层回采后,在二次采动作用下采场覆岩地应力的平衡状态极易被破坏,增大了次采保护层回采时采动影响范围．研究结果为优化卸压瓦斯抽采提供了依据．关键词:采动裂隙场;双保护层;卸压;裂隙演化中图分类号:T D ３７２㊀文献标志码:A㊀文章编号:１６７４Ｇ３５８X (２０２０)０１Ｇ００１２Ｇ０７在煤层群赋存条件下,开采保护层是实现区域消突和提高被保护层渗透率的重要方法．下保护层开采后,上覆煤岩层地应力重新分布,由此导致上覆被保护层裂隙发育和扩张,促进瓦斯解吸和流动,即为保护层开采的卸压增流效应 [１]．上覆被保护层裂隙场分布与演化特性是卸压瓦斯抽采钻井设计与优化的重要基础．在工作面回采过程中上覆煤岩层裂隙场分布与演化方面,国内外学者开展了大量研究．W h i t t l e s 等[２]研究了回采工作面的上覆采动裂隙分布特征,并研究了地质条件对卸压瓦斯在采动裂隙场中流动的影响规律;张玉军等[３]通过视频探测的方法研究了采动岩体裂隙分布的主要特点,并得到了工作面回采过程中的裂隙富集区;李树刚等[４Ｇ５]研究了采动裂隙的椭抛带分布特征与动态演化规律;尹光志等[６]开展了三向不等应力条件下三维模拟开采实验,研究得到了采空区覆岩裂隙场在低位岩层中呈圆角矩形形态和在中高位岩层呈 O 型形态．目前已有的研究主要集中在单一保护层开采条件下上覆煤岩层裂隙场分布方面,而对于双保护层开采条件下上覆煤岩层裂隙场演化特性还鲜有研究．本文采用相似材料模拟试验的方法,研究了双保护层的采煤工作面依次回采过程中上覆被保护层裂隙的分布与演化特性,为卸压瓦斯抽采技术措施优化提供依据．１㊀相似材料模拟试验模型相似材料模拟试验具有观测方便㊁不受煤矿随机因素影响和可重复试验等优点,是研究采动条件下上覆煤岩层位移与应力变化特性的重要研究方法．模型与原型之间应满足几何相似㊁运动相似㊁应力相似㊁动力相似㊁外力相似和时间相似等基本相似条件[７]．本文以神华宁夏煤业集团乌兰矿为研究对象,主要研究７＃煤层(５７５７工作面)和８＃煤层(５８５７工作面)依次回采过程中,上覆被保护层(２＃和３＃煤层)裂隙场分布与演化特性．５７５７工作面为首采工作面,５８５７工作面位于５７５７工作面下方,层间距平均为４．２m．５７５７工作面和５８５７工作面的走向长分别为６００,６３０m ,倾向长分别为２００,２１０m．试验采用的模型架为长方体框架,其长㊁宽㊁高分别为２．５,０．２,１．６m．相似模型的参数根据煤层㊁地质２１实际条件及试验模型架尺寸等确定,见表１．模型中共含１７层煤岩层,各煤岩层采用沙子(骨料)和石膏(黏结材料)等制成;根据相似三定律和已确定的相似常数,可计算出模型的强度相似常数[７Ｇ８],进而可确定试验模型中各煤(岩)层中所需相似材料的配比及质量,见表２．埋深为０~８０m 的上部岩层采用加压水袋加载应力进行补偿．在试验过程中,每隔２０m i n 开挖１次,开挖长度为２~３c m．煤岩层的沉降量采用Y H D 系列电阻式位移传感器进行测量,每隔４m i n 采集１次岩层沉降数据．共布置３０个测点,分布在２＃和３＃煤层的顶板和底板(水平间距为３０c m ),形成４条位移观测线(见图１),以监测被保护层的裂隙演化过程．表１㊀相似模拟模型的参数表表２㊀各煤岩层相似材料质量序号岩性厚度/c m 砂子/k g 碳酸钙/k g 石膏/k g 水/k g１粉砂岩３７．８７２５２．４３５．３４１５．１５４３．２８２２＃煤层２．３３１６．８１．３１０．５６２．６７３粉砂岩８．９３５９．６８．３４３．５７１０．２１４细Ｇ中粗粉砂岩１０．９３７２．９１０．２０４．３７１２．５０５粉砂岩０．９３６．２０．８７０．３７１．０７６３＃煤层４．２８３０．８２．４０１．０３４．８９７粉砂岩１６．７６１１７．３５．０３１１．７３１９．１５８５＃煤层０．６３４．５０．３５０．１５０．７２９粉砂岩５．１３３５．９２．５７２．５７５．８７１０６＃煤层０．５３３．８０．３００．１３０．６１１１粉砂岩２５．００１７５．０１２．５０１２．５０２８．５７１２粉砂岩３．６７２５．７１．８３１．８３４．１９１３石灰岩０．４０２．８０．１２０．２８０．４６１４７＃煤层１．２３８．８０．６９０．２９１．４０１５粉砂岩２．５３１６．９２．３６１．０１２．９０１６８＃煤层２．６０１８．７１．４６０．６２２．９７１７粉砂岩９．５７６７．０２．８７６．７０１０．９４图１㊀走向测点布置图３１刘应科,等:双保护层开采条件下上覆煤岩层裂隙场分布与演化特性研究２㊀上覆被保护层裂隙场分布与演化特性２．１㊀采动裂隙场分布特性保护层工作面回采过程中,上覆煤岩层发生弯曲和沉降,从而形成各种形态的采动裂隙．因此,岩层沉降量可反映煤岩层裂隙的发育情况．双保护层工作面依次回采过程中,１＃~４＃观测线上各测点的岩层沉降量变化曲线见图２~５．如图２~５所示,岩层沉降的规律为:测点在工作面前方３０~５０m 时,测点处岩层开始沉降,但沉降量极小;随工作面推进,当测点位于工作面后方５０~７０m 时,岩层沉降量开始快速增大;当测点位于工作面后方１５０~２００m 时,岩层沉降活动基本结束,进入重新压实阶段．图２㊀１＃观测线上各测点的岩层沉降量图３㊀２＃观测线上各测点的岩层沉降量图４㊀３＃观测线上各测点的岩层沉降量此外,由于７＃和８＃煤层回采形成的卸压范围不一致,因此不同区域测点的沉降特性有较大区别:１)如测点d ４㊁d １２㊁d ２０和d ２７,这些测点在７＃和８＃煤层回采过程中均发生了充分的沉降,且沉降量基本最大,说明这些测点所在区域的卸压最充分;２)如测点d ２㊁d ６和d １４,在７＃煤层开采时,这些测点发生了一定量的沉降,但沉降量较小(与测点d ４相比);而在８＃煤层开采时,这些测点的沉降量与测点d ４相差不大,已达到充分沉降状态,说明这些测点所在区域的卸压效果在二次保护层开采条件下得到强化;３)如测点d １０㊁d １８和４１徐州工程学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年第１期图５㊀４＃观测线上各测点的岩层沉降量d ２５,在７＃煤层开采时,这些测点发生了较小的沉降,而在８＃煤层回采时岩层没有继续沉降,说明这些测点所在区域的岩层只发生了一次卸压;４)如测点d １㊁d ７和d ８等,这些测点始终没有发生沉降,说明其处在卸压区外,无采动裂隙产生．根据不同区域测点的沉降特性,并结合双保护层开采完毕后的裂隙场情况,可将双保护层条件下的上覆煤岩层裂隙场分为３个区域,见图６．其中,A 区域为二次卸压区,即经历了７＃煤层开采和８＃煤层开采的两次卸压,卸压非常充分,采动裂隙非常发育;B 和C 区域为一次卸压区,有一定的卸压但不充分(主要是７＃煤层开采时的卸压作用),采动裂隙发育程度中等;而A ㊁B 和C 区域之外的区域,几乎没有产生采动裂隙．停采线侧的一次卸压角δ１约为８０ʎ,切眼侧的一次卸压角δ２约为７０ʎ,二次卸压角δ３和δ４为６０ʎ~６５ʎ．图６㊀双保护层条件下采动裂隙场分区２．２㊀采动裂隙场演化特性工作面回采过程中,被保护层顶板和底板的沉降运动不同步,导致被保护层膨胀或压缩变形．当被保护层发生膨胀变形时,其渗透率大幅增大,为高效抽采卸压瓦斯创造了条件．为研究双保护层工作面依次回采过程中上覆煤岩层裂隙场的演化特性,需选择一个竖直区域的测点作为研究对象．需注意的是,选取的测点必须位于二次卸压区(图６中的A 区域),以保证次采保护层(８＃煤层)回采时被保护层发生膨胀或压缩变形．如图１所示,选取垂线附近的测点(d ３㊁d １１㊁d １９和d ２６)作为研究对象,分析被保护层的裂隙演化特性．假设测点的沉降量为y ,工作面与测点的水平间距为x ,则y Ｇx 曲线近似为S 曲线(图７)．采用o r i g i n 软件可拟合求出y ＝f (x ),则岩层随工作面推进的沉降速度v ＝d y d x．根据上述计算方法,７＃煤层回采过程中,垂线附近测点的岩层沉降量回归方程和沉降速度表达式见表３．根据沉降速度表达式,７＃煤层和８＃煤层分别回采过程中,v Ｇx 曲线见图８．５１刘应科,等:双保护层开采条件下上覆煤岩层裂隙场分布与演化特性研究图７㊀垂线附近各测点的岩层沉降量变化曲线表３㊀７＃煤层回采过程中垂线附近测点的岩层沉降量和沉降速度(－３１．５＜x ＜２１４．５)测点沉降量回归方程沉降速度d ３y ＝１．３５－１．３４１１＋e ０．０９５x －５．１３５v ＝０．１２７３９５e ０．０９５x －５．１３５(１＋e ０．０９５x －５．１３５)２d １１y ＝１．２６４－１．２４１１＋e ０．０４８x －４．２４v ＝０．０５９５６８e ０．０４８x －４．２４(１＋e ０．０４８x －４．２４)２d １９y ＝１．２４５－１．２５１１＋e ０．０４５x －４．７１４v ＝０．０５６２９５e ０．０４５x －４．７１４(１＋e ０．０４５x －４．７１４)２d ２６y ＝０．９９４－０．９９０１＋e０．０２５x －３．６８２v ＝０．０２４７５e ０．０２５x －３．６８２(１＋e ０．０２５x －３．６８２)２图８㊀垂线附近各测点岩层沉降速度曲线图根据图８所示的各测点岩层沉降速度变化曲线,可得到如下规律:１)７＃煤层和８＃煤层分别回采时,各测点岩层沉降速度的变化特性基本一致;以７＃煤层回采过程中测点d ３为例(图８(a ))分析岩层沉降速度的变化特性:工作面推进初期,测点d ３开始沉降,但沉降速度很小;当回采工作面推过d ３测点９m 后,其沉降速度开始快速增大且大于测点d １１的沉降速度,说明３＃煤层中的采动裂隙从此时开始快速发育和扩展;当工作面推过测点４８m 时,测点d ３的沉降速度达到最大;当工作面推过d ３约７６m 时,d ３与d １１的沉降速度相同(速度曲线相交于点a ),此时１＃垂线附近的３＃煤层膨胀量达到最大,裂隙发育程度最高;此后,d １１的沉降速度大于d ３的沉降速度,裂隙开始趋于缩小,甚至闭合．２)工作面分别推过垂线７０~８０m 和１２０~１３５m 时,垂线区域的３＃煤层和２＃煤层的膨胀量先后达到最大,说明在同一垂直区域,与保护层间距越大的被保护层,其裂隙发育程度达到最高的时刻越滞后．３)与７＃煤层回采过程中测点的沉降相比,８＃煤层回采过程中测点的沉降速度更大;以d ３测点为例,６１徐州工程学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年第１期刘应科,等:双保护层开采条件下上覆煤岩层裂隙场分布与演化特性研究７＃煤层和８＃煤层分别回采过程中,d３测点的最大沉降速度分别为０．０３２m/m和０．０４５m/m,说明在首采保护层(７＃煤层)已开采的条件下,次采保护层(８＃煤层)回采过程中上覆煤岩层的沉降活动更剧烈,被保护层的裂隙发育更为充分．４)７＃煤层和８＃煤层分别回采过程中,d３测点沉降速度开始明显增大的时刻分别为工作面推过该测点９m和工作面距该测点１５m,说明一次卸压后的上覆岩层的稳定性较弱,其应力平衡状态在二次采动作用下容易被破坏,从而导致采动裂隙进一步发育．３㊀停采线侧一次卸压角的现场考察３．１㊀考察方案及钻孔布置根据巷道布置情况,考察３＃煤层试验区域的走向边界在５７５７工作面停采线侧进行,由于此区域３＃煤层下方没有合适的巷道施工测压钻孔,因此在５３４７风巷布置顺煤层钻孔,采用取煤样测定瓦斯含量的方法进行边界考察．对照５７５７工作面停采线,在其两侧共施工４个顺层孔,即Q１㊁Q２㊁Q３和Q４,见图９．为尽量减小巷道掘进时松动卸压效应对测定煤层残余瓦斯含量的影响,取煤样段应避开松动圈,因此设计钻孔的孔深不小于１７m．图９㊀３＃煤层试验区域走向边界考察钻孔布置平面图３．２㊀考察结果根据实验室测定的瓦斯含量,按照瓦斯含量系数法计算出各钻孔所在区域的煤层残余瓦斯压力,其变化情况见图１０(a)．利用差值法可计算出５３４７风巷北开口以南１０３．６m处的瓦斯压力为０．７４M P a,即卸压边界内错５７５７停采线１３．６m(图１０(a))．３＃煤层和７＃煤层的层间距为７５m,因此５７５７工作面停采线侧的卸压角为７９．７ʎ,如图１０(b)所示．现场考察的结果验证了相似材料试验的结论．图１０㊀现场考察结果７１徐州工程学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年第１期４㊀结论以神华宁夏煤业集团乌兰矿为研究对象,采用相似材料模拟试验的方法,分析了双保护层的采煤工作面分别推进过程中被保护层沉降变化特性,研究得到了采场上覆煤岩层裂隙场的分布与演化特性,为卸压瓦斯抽采优化提供了依据．１)双保护层依次回采过程中,上覆煤岩层不同区域的岩层沉降特性有较大差别;双保护层条件下的上覆煤岩层裂隙场可分为３个区域,其中A区域为二次卸压区,B区域和C区域为一次卸压区;停采线侧的一次卸压角δ１约为８０ʎ,切眼侧的一次卸压角δ２约为７０ʎ,二次卸压角δ３和δ４为６０ʎ~６５ʎ．２)双保护层开采期间,工作面后部７０~８０m区域的３＃煤层和１２０~１３５m区域的２＃煤层的膨胀量分别达到最大,裂隙发育程度最高,是抽采卸压瓦斯的有利时机．３)在首采保护层(７＃煤层)已开采的条件下,次采保护层(８＃煤层)回采过程中上覆煤岩层的沉降活动更剧烈,被保护层的裂隙发育更为充分;此外,首采保护层回采后采场上覆岩层地应力虽然重新达到平衡状态,但在次采保护层回采时应力平衡状态极易被破坏,因此增大了采动影响范围,促进采动裂隙更加发育．４)在乌兰煤矿实测了５７５７工作面停采线侧的卸压角,与相似材料试验的结果相吻合．参考文献:[１]俞启香．矿井瓦斯防治[M]．徐州:中国矿业大学出版社,１９９２．[２]WH I T T L E SD N,L OWN D E S I S,K I N GMA NSW,e t a l．I n f l u e n c e o f g e o t e c h n i c a l f a c t o r s o n g a s f l o we x p e r i e n c e d i n aU K l o n g w a l l c o a lm i n e p a n e l[J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n d M i n i n g S c i e n c e s,２００６,４３(３):３６９Ｇ３８７．[３]张玉军,李凤明．高强度综放开采采动覆岩破坏高度及裂隙发育演化监测分析[J]．岩石力学与工程学报,２０１１,３０(S１):２９９４Ｇ３００１．[４]李树刚,林海飞．采动裂隙椭抛带分布特征的相似模拟实验分析[J]．煤,２００８,１７(２):１９Ｇ２１．[５]李树刚,林海飞,赵鹏翔,等．采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采[J]．煤炭学报,２０１４,３９(８):１４５５Ｇ１４６２．[６]尹光志,李星,韩佩博,等．三维采动应力条件下覆岩裂隙演化规律试验研究[J]．煤炭学报,２０１６,４１(２):４０６Ｇ４１３．[７]李鸿昌．矿山压力的相似模拟实验[M]．徐州:中国矿业大学出版社,１９８８．[８]谢文兵,陈百祥,郑百生．采矿工程问题数值模拟研究与分析[M]．徐州:中国矿业大学出版社,２００５．(责任编辑㊀李㊀莹)D i s t r i b u t i o na n dE v o l u t i o nC h a r a c t e r i s t i c s o fF r a c t u r eF i e l d i nO v e r l y i n gC o a l S t r a t a u n d e rD o u b l eP r o t e c t i v eL a y e rM i n i n gL I U Y i n g k e,W E N X i a o j i a n g,J I A N G M i n g j u n(S c h o o l o f S a f e t y E n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t y o fM i n i n g a n dT e c h n o l o g y,X u z h o u２２１１１６,C h i n a)㊀㊀A b s t r a c t:T a k i n g W u l a n M i n eo fS h e n h u aN i n g x i aC o a l I n d u s t r y G r o u p a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,u s i n g t h em e t h o do f s i m i l a rm a t e r i a l s i m u l a t i o n t e s t,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s u bＧs i d e n c e a m o u n t a n d s u b s i d e n c e s p e e do f t h eo v e r l y i n gp r o t e c t i v e l a y e r i nt h e s e q u e n t i a lm i n i n gp r o c e s so f d o u b l e p r o t e c t i v e l a y e r s．F u r t h e r m o r e,t h e d i s t r i b u t i o n o f f r a c t u r e f i e l d o f t h e o v e r l y i n g s t r a t a a n d i t s e v o l uＧt i o nc h a r a c t e r i s t i c sw a s s t u d i e d．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e d i s t r e s s e d z o n e o f t h e o v e r l y i n g s t r a t a c a nb e d iＧv i d e d i n t o z o n e o f d i s t r e s s e dＧt w i c e a n d z o n e o f d i s t r e s s e dＧo n c e d u r i n g d o u b l e p r o t e c t i v e c o a l s e a m sm i n i n g．F u r t h e r m o r e,t h e a n g l e s o f d i s t r e s s e dＧo n c e z o n e i n t h e s t o p p i n g l i n e s i d e a n d t h e s t a r t i n g c u t s i d e a r e a b o u t ８０ʎa n d７０ʎr e s p e c t i v e l y,a n d t h e a n g l e so f d i s t r e s s e dＧt w i c e z o n ea r e６０ʎ~６５ʎ．M e a n w h i l e,t h e s e t t l e m e n t o f t h e o v e r l y i n g s t r a t aw a sm o r e i n t e n s ew h e nt h e f i r s t p r o t e c t i v e l a y e rw a s m i n e d,w h i c hl e a d i n g t o m o r e f r a c t u r e s i n t h e p r o t e c t e d c o a l s e a m s．I na d d i t i o n,a f t e r t h e f i r s tm i n i n gp r o t e c t i v e l a y e r i sm i n e d,t h e e q u iＧl i b r i u ms t a t e o f o v e r l y i n g s t r a t a i n t h e s t o p e i s e a s i l y d e s t r o y e d,t h u s i n c r e a s i n g t h em i n i n g i n f l u e n c e r a n g e d u r i n g t h e s e c o n d a r y m i n i n gp r o t e c t i v e l a y e rm i n i n g．T h er e s e a r c hr e s u l t s p r o v i d eab a s i s f o ro p t i m i z i n g p r e s s u r e r e l i e f g a s e x t r a c t i o n．K e y w o r d s:f r a c t u r e f i e l d;d o u b l e p r o t e c t i v e c o a l s e a m;d e p r e s s u r i z a t i o n;c r a c k s e v o l u t i o n８１。

覆岩采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验

冲击岩采动裂隙是岩石中典型的动态破裂现象，其引起的裂隙演化形
态研究一直受到各行业的广泛重视。

近年来，许多学者试图通过模拟
实验研究其本质变化和物理机制，以期为实际工程应用提供科学依据。

具体而言，进行岩石冲击采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验时，
常常使用振动板来模拟采凿作用。

实验过程中，通过不同的参数设定，使夹石和粉动达到设定的峰值。

这个脉冲波形可以提供翻车和冲击力
场的模拟，为相关研究提供了可能。

同时实验过程中也通过不同尺寸
与特性的石材来确定采凿深度和破坏深度。

一般实验过程中，模拟环
境中的温度、湿度和气压都进行恰当的控制，以保证实验的准确性。

通过上述模拟实验，可以提取出岩石冲击采动裂隙演化形态的定量特征。

比如可以测量岩石的采动机理，裂缝和岩石表面损伤等特征；同
样也可以研究采凿过程中的力学行为，并利用模拟数据对结构材料损
伤和寿命进行判断。

总得来说，岩石冲击采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验是一种探
索岩石特性及其在工程应用中行为规律的有力手段。

在研究岩石的采
动静力特性时，上述实验技术能够提高采凿质量，同时也为创新性工
程运用提供宝贵的理论参考。

采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比

㊀第46卷第1期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.46㊀No.1㊀㊀2021年1月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan.㊀2021㊀采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比柴㊀敬1,2,杨玉玉1,欧阳一博1,张丁丁1,2,杜文刚1,李淑军3(1.西安科技大学能源学院,陕西西安㊀710054;2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安㊀710054;3.陕西郭家河煤业有限责任公司,陕西宝鸡㊀721505)摘㊀要:物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段,将BOTDA ,FBG 与DIC 光测方法相结合,建立点-线-面的试验测试系统以提高测试精度十分必要㊂基于光测原理,分析了BOTDA ,FBG 和DIC 技术的应变测量,探究了应变局部化带对DIC 检测应变的影响,BOTDA 和FBG 测试本质上是一种线应变 ,而DIC 是面应变㊂统计已有的试验研究,得出了不同工况下物理模型试验BOTDA ,FBG 光纤应变监测数据范围㊂搭建3m 平面应力相似模型,模拟煤矿工作面开挖77次,推进240cm ㊂通过埋设在模型内部的1根BOTDA 传感光纤以及3个FBG 传感器对模型关键层内部变形状态进行监测,同时以DIC 实时观测模型表面变形,研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果,进行对比分析覆岩变形破坏规律,得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系,并分析他们对应变测试存在差异的原因㊂试验结果表明,BOT-DA 和FBG 的测试应变量级相同,在均匀连续变形区域DIC 与BOTDA 监测的应变比值为15．52~16．70,在非均匀变形区域DIC 与BOTDA 监测的应变比值为27~133;在应变曲线峰前阶段,DIC 与FBG 测试应变一致性好,峰后阶段DIC 更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异,但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开㊁闭合,3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形,其发展趋势基本一致,BOTDA ,FBG 和DIC 应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置,FBG 的偏差为1．13%,FBG 测试结果更好;对关键层破断范围,DIC 测试的破断范围偏差为1．62%,测试结果更好㊂关键词:覆岩变形破坏;布里渊分布式光纤传感技术;光纤布拉格光栅;数字图像相关技术;物理模型试验中图分类号:TD325㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)01-0154-10移动阅读收稿日期:2020-02-05㊀㊀修回日期:2020-05-10㊀㊀责任编辑:黄小雨㊀㊀DOI :10.13225/ki.jccs.2020.0141㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(41027002,51804244)㊀㊀作者简介:柴㊀敬(1964 ),男,宁夏平罗人,教授,博士生导师㊂Tel:029-********,E -mail:chaij@xust．edu．cn㊀㊀引用格式:柴敬,杨玉玉,欧阳一博,等.采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比[J].煤炭学报,2021,46(1):154-163.CHAI Jing,YANG Yuyu,OUYANG Yibo,et parison of optical measurement methods for deformation and failure simulation test of overburden in working face[J].Journal of China Coal Society,2021,46(1):154-163.Comparison of optical measurement methods for deformation and failuresimulation test of overburden in working faceCHAI Jing 1,2,YANG Yuyu 1,OUYANG Yibo 1,ZHANG Dingding 1,2,DU Wengang 1,LI Shujun 3(1.School of Energy Science and Engineering ,Xi an University of Science and Technology ,Xi an ㊀710054,China ;2.Key Laboratory of Western Mine Exploi-tation and Hazard Prevention ,Ministry of Education ,Xi an University of Science and Technology ,Xi an ㊀710054,China ;3.Shaanxi Guojiahe Coal IndustryCo.,Ltd.,Baoji ㊀721505,China )Abstract :The physical similarity model test,combining Brillouin Optical Time-Domain Analysis (BOTDA),Fiber第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比Bragg Grating(FBG)and Digital Image Correlation(DIC)optical measurement methods to improve the test accuracy, is the main method to study the deformation and failure law of overlying strata in a coal mine.It is necessary to estab-lish a point-line-surface test system.Based on the principle of optical measurement,it is known that BOTDA and FBG test is essentially a line strain ,while DIC test is a face strain ,through ana-lyzing the strain measurement of BOTDA,FBG and DIC technologies,and exploring the influence of strain lo-calization band on the detection strain of DIC.After studying some previous experiments,the monitoring data range of fiber strain of BOTDA and FBG physical model tests under different working conditions was obtained.A3m plane stress similarity model was built,the extrac-tion of the coal working face was simulated77times,and the coal working face was advanced240cm.Through one BOTDA sensing fiber and three FBG sensors embedded in the model,the internal deformation state of the key layer of the model was monitored.At the same time,the surface deformation of the model was observed in real-time by DIC.By studying the strain test results of the key layer obtained by these three different optical measurement technologies,com-paring and analyzing the deformation and failure law of the overburden,the quantitative relationship of the test strain of three different optical measurement technologies was obtained.Then the reason of the difference between them was an-alyzed.It is shown in the test that the magnitude of test strain of BOTDA and FBG is the same,the difference of test strain between BOTDA and DIC in uniform continuous deformation area is15．52-16．70times in theory,and27-133 times in non-uniform deformation area.At the pre-peak stage of the strain curve,the consistency of test strain between DIC and FBG is good,while at the post-peak stage,DIC reflects the deformation of overlying strata better.Although there is some difference in the test results,with the formation and deformation of the stratum,breaking and the opening and closing of the separation fractures,all of the three optical measurement methods can reflect the internal and exter-nal synchronous deformation with the basically same development trend.The deviation of the peak position of the strain curves of BOTDA,FBG and DIC is small.For the position of the separation,the FBG test result is better with a devia-tion of1.13%.For the fracture range of the key layer,the fracture of DIC test is better with the range deviation of 1．62%.Key words:deformation and failure of overlying strata;Brillouin Optical Time-Domain Analysis(BOTDA);Fiber Bragg Grating(FBG);Digital Image Correlation(DIC);physical model test㊀㊀煤层开采引起上覆岩层产生移动,由此发生了一系列力学现象,研究开采引起的覆岩运移规律是发展开采技术的基础[1]㊂然而,由于现场研究费用高㊁难度大及监测设备受限等因素,物理模型试验是研究覆岩变形破断规律㊁顶板来压特征的主要手段[2]㊂目前,物理模型试验中位移测试多采用近景摄影㊁全站仪㊁百分表等,应力应变监测多采用应变片㊁压力传感器等手段,由于测试精度低㊁操作多为点式测量等原因,这些测试手段难以连续㊁实时进行整场测量㊂光纤传感技术由于其可以实现长距离㊁高精度㊁分布式测量等诸多优点,被广泛应用于各种工况下的结构健康检测㊂其中布里渊光时域分布式光纤传感技术(BOTDA)优点突出,精度高,实现分布式测试,可测量绝对温度和应变[3]㊂光纤布拉格光栅(FBG)是应用最为广泛的光纤传感技术之一,现已被广泛应用于电力㊁矿业和建筑等多个领域[4]㊂BOTDA/FBG 联合应用于实验室㊁现场的研究已逐步成熟㊂柴敬等综合利用光纤光栅和分布式光纤传感技术对采动覆岩变形进行联合监测,形成了顶板来压规律㊁覆岩垮落形态㊁物理相似模型温/湿度场的检测等一系列的研究成果[5-8]㊂施斌和张丹对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析,揭示覆岩变形与破坏的发育特征[9]㊂张丁丁等研究松散层沉降光纤光栅监测的应变传递规律并在工程中应用[10]㊂吴冰,朱鸿鹄等利用光纤光栅对冻土含冰量进行监测,得出部分规律[11]㊂数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术是一种基于非接触式图像的光学方法,利用数字图像获取结构体全场位移和应变响应,相关学者已将其应用于岩石力学试验中[12-13]㊂朱鸿鹄在砂土质地基模型试验中,基于FBG,BOTDA和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)结合技术获得了土体的应变,其中PIV与DIC原理相同㊂2种方法在具体数值有较大的差异,在小变形条件下,FBG读数的稳定性明显好于PIV[14-15]㊂对于光纤传感技术与DIC测量精度的研究,鲜有相关文献报道㊂笔者将BOTDA,FBG和DIC技术应用于物理相似模拟试验中,用BOTDA以及FBG传感器进行结构551煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷内部应变测试,用DIC 进行表面应变实时监测,研究不同原理测试方法在获得数据上的关系,建立对应换算比例㊂分析不同光测方法对同一对象观测的应变值差异较大的原因㊂1㊀光测方法原理1．1㊀BOTDA 应变BOTDA 为利用光纤作为传感元件,当被测光纤受到外力或温度变化时,光纤中受激布里渊散射光的频率将发生变化,通过转换就能获得光纤沿线的应变信息㊂布里渊频移变化量与温度和应变变化[16]为Δε=[ΔV B -C 1ΔT ]/C 2(1)其中,Δε为应变变化量;ΔV B 为布里渊频移量,MHz;C 1为温度灵敏度系数,MHz /ħ;ΔT 为温度变化量,ħ;C 2为应变灵敏度系数,103GHz㊂该方法基于光的散射原理,测量布里渊散射光的频率变化㊂1．2㊀FBG 应变利用光纤材料特性,在纤芯形成空间相位光栅,即FBG,应变与温度的变化都能够引起的反射光波长变化[17]为Δε=ΔλB i λB i -K T ΔT æèöø/K ε(2)其中,ΔλB i为光纤光栅中心波长的变化量,nm;λB i (i =1,2)为光栅初始中心波长,nm;K T 为温度灵敏度系数,对于室温下,一般取值0．794;Δε,ΔT 为光栅应变㊁温度变化量;K ε为应变灵敏度系数,对于典型石英光纤,取值0．78㊂依据公式可以方便求出外界应变Δε的值㊂该方法基于光纤耦合模式理论,测量反射光的波长变化㊂上述2种方法在温度变化较小的情况下(如5ħ),可忽略温度的影响㊂1．3㊀DIC 应变测量原理DIC 技术是使用工业相机获取物体表面的散斑图像,基于算法进行图像分析以定量提取被测结构体表面的三维坐标㊁位移场及应变场等变形信息㊂DIC 通过求取变形图像前后子区中心点的位移差来获取测量点P i (i =1,2,3)的位移,如图1所示㊂DIC 应变计算本质上是对位移的求导,子区测量点在空间中的变化可用梯度矩阵F [18]表示:F =xᶄi yᶄi éëùû=u i v i éëùû+F 11F 12F 21F 22éëùûˑx i y i éëùû(3)其中,共有6个未知数,u i ,v i 为测量点P i 的横向和竖向位移分量,F 11,F 12,F 21,F 22为梯度矩阵F 的各元素分量㊂因此,至少需要3个测量点的变形信息,采用最小二乘法计算变形张量,拉伸张量U 表示为U =F TF =εx +1εxy εyx εy +1éëùû(4)图1㊀数字图像相关应变计算原理Fig．1㊀Calculation principle of digital image correlation strain㊀㊀由式(4)中可以得出被测物体x 和y 方向的应变㊂BOTDA,FBG 测试方法是以光为载体㊁光纤为媒介对外界信号进行感知和传输,本质上是一种线应变㊂DIC 应变测量通过至少3个测量点的位移数据求出应变,本质上是面应变㊂2㊀测试数据差异性2．1㊀应变范围对于掺锗石英光纤,BOTDA 应变灵敏度系数C 2通过标定实验得出,其值为48GHz;FBG 应变灵敏度系数K ε=0．78㊂本次试验,BOTDA 与FBG 所测应变表示为BOTDA:Δεx =ΔV B /0．048(5)FBG:Δεy =106ΔλB i /0．78λB i (6)㊀㊀对于直径为2mm 的单模紧套光纤进行分布式光纤应变监测时,ΔV B 在0~480MHz;对于典型的聚烯乙酯封装的FBG 传感器,ΔλB i 范围在0~8nm㊂由此可得,FBG 传感器(1550nm)最大监测应变为6．617ˑ10-3;BOTDA 最大测试应变为10-2㊂图2为不同地质条件下模拟煤矿上覆岩层变形破断时,由BOTDA 和FBG 监测出的最大应变值,横坐标为物理模型模拟开挖工作面的推进距离,数据点来自文献的研究成果[6,8,19-21]㊂引入高采比k (k =h /m )表述上覆岩层的位置,h 为光纤的埋设位置,m 代表煤层的采高,即从0~30倍的高采比进行统计㊂由图2可知,当覆岩产生破断时,BOTDA /FBG 测得应变离散程度高,但是总体上,随着高采比k 的增大,测得的应变相对要小些,这符合覆岩变形的基本规律;BOTDA 测得的应变大致为0~7ˑ10-3,平均应变3．656ˑ10-3;FBG 监测结果分布在0~5ˑ10-3,平均应变2．352ˑ10-3㊂试验测试结果在651第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比量级上与理论值基本一致㊂DIC 为基于连续变形假设的光测方法,其监测应变的测试范围为5ˑ10-5~20,获取应变场的大范围数据,因此,从理论上讲,BOTDA,FBG 和DIC 测试结果在量级上可能存在1~2．86ˑ103倍的差异㊂图2㊀模型覆岩破断时的光纤测试数据Fig．2㊀Optical data of model overburden breaking2．2㊀监测应变差异性根据1．3节,DIC 的应变测试本质是基于连续变形对位移的求导,测点位于均匀变形区域时,应变测试数据接近实际应值;测点位于裂隙及其附近非均匀变形区域时,应变测试数据有差异㊂图3为DIC 测量裂隙周围变形示意,测点1位于裂隙上,其所在的正方形子区涵盖了裂隙区域以及应变局部化带内的非均匀变形区域,DIC 无法有效计算裂隙上的位移数据,测点1的位移值必定与实际位移值相差较大[22]㊂测点2布置在应变局部化带边界上,其所在子区涵盖了应变局部化带内的非均匀变形区域和应变局部化带外的均匀变形区域,DIC 不可能同时准确获取非均匀变形区域和均匀变形区域的位移值,因此测点2的位移值必然与实际位移值相差较大,这与前人的研究成果一致[23]㊂测点3位于应变局部化带之外,子区包含应变局部化带外的均匀变形区域,测点3的位移值与实际位移值相吻合㊂图3㊀DIC 测量裂隙周围变形示意Fig．3㊀Diagram of deformation around fracture measuredby DICDIC 的应变测量可以等效于在模型表面一定大小的应变片,在此称作虚拟应变片,虚拟应变片的边长L VSG 为L VSG =[(L w -1)L st +L su ]/α(7)其中,L w 为正六边形半径上除应变测点之外的测点数;L st 为子区间距;L su 为子区大小;α为测试系统放大倍率㊂为了保证DIC 的测量精度,最终确定L w 为3;L st 为5pixel;L su 为34pixel;α为1．8pixel /mm,由式(7)求得L VSG 为24．44mm㊂此外,本次试验中DIC 测量系统位移分辨率为0．01pixel,DIC 测量系统的精度为0．006mm㊂对于GOM -ARAMIS 软件,其虚拟应变片为正六边形,虚拟应变片面积为1552．15mm 2;BOTDA 解调仪空间分辨率设置为50mm,对于直径为2mm 光纤,其与岩层的接触面积为100mm 2,也就是说光纤在某点的应变实际为光纤与岩层接触面积上所有应变的平均值㊂由此得出,当DIC 测点位于均匀变形区域时,DIC 与BOTDA 的应变测试结果比值为15．52㊂3㊀相似物理模型试验3．1㊀模型概况试验以某矿为研究背景,选用河砂㊁粉煤灰㊁石膏㊁大白粉作为相似材料㊂选取几何相似比为1ʒ150,制作相似模型,模拟开挖的煤层编号为1-2煤,煤层厚度m =1．3cm,关键层位于煤层上方h =19cm 处㊂模型两侧边界煤柱30cm,开切眼10cm,模拟工作面开挖步距为3cm,从保护煤柱向右侧推进,累计开挖77次,共推进240cm㊂采用光纤监测关键层变形破坏,由光纤埋设位置得k =15．8㊂3．2㊀监测系统布置模型共布置有3种光测传感监测系统,BOTDA,FBG 和DIC 技术的监测系统如图4所示,各测量系统均在每次开挖结束后采集数据㊂埋设3支FBG 应变传感器,编号为FBG01(λB1=1535．58nm),FBG02(λB2=1555．73nm),此751煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷外还有1支温度补偿传感器FBG03,采用竖直埋设的方法,监测结果中数据为正表明岩层处于受拉状态,数据为负表明岩层处于受压状态㊂一根直径2mm 的单模紧套光纤,埋设于关键层最中间位置,埋设光纤直径小于2mm 时岩层位移变化误差小于5%,对岩层变形影响小[24]㊂DIC 监测系统由两个CCD 数字摄像机组成,分辨率为600万像素㊂3．3㊀试验覆岩变形破坏过程工作面自保护煤柱推进至25cm 时,直接顶垮落,垮落高度1．1cm,垮落长度22cm;推进至37cm,工作面初次来压,垮落高度4．5cm,垮落长度34cm;推进至58cm,顶板上部10．5cm 处出现离层,张开度0．8cm,长度达到21cm,工作面第1次周期来压;推进至76cm,顶板上部9．6cm 处出现新的离层,张开度为0．3cm,长度达到25．5cm;工作面推进至115cm,采空区中部离层裂隙被压闭合,上覆岩层20~39．6cm 处新的离层裂隙进一步发育,如图5(a)所示;推进至121cm,覆岩变形至上表面,地表出现明显下沉,裂隙带被压实,此时裂隙带高度在33．5cm;推进至178cm 时,顶板垮落高度5．6cm,长度172cm;推进至220cm,工作面上部岩层14．5cm 处产生离层,张开度0．5cm,长度27cm;推进至240cm,垮落带高度达到8cm,裂隙带高度为36．5cm,覆岩变形如图5(b)所示,回采结束,模型顶部下沉量为0．9cm,岩层左侧垮落角54ʎ,右侧垮落角为56ʎ㊂图4㊀物理模型光测监测系统布置Fig．4㊀Layout of optical monitoring system for physical model图5㊀物理模型试验覆岩变形及对应DIC 应变云图Fig．5㊀Deformation of overburden in physical model test and corresponding DIC strain nephogram4㊀试验结果与分析4．1㊀均匀变形区域的应变对比工作面推进至22cm 时,由BOTDA 与DIC 获得的关键层应变监测结果如图6所示,此时工作面覆岩区域为均匀连续变形,DIC 测试的平均应变(3．704ˑ10-4)与BOTDA 测试的平均应变(2．22ˑ10-5)比值为16．70,与理论计算值15．52,较为接近㊂为了能够准确评价DIC 测量的精度,利用工作面推进至220cm 时全站仪测点的观测值,与DIC 的测试结果进行对比如图7所示,DIC 与全站仪所测结果整体变化趋势一致,误差为8．3%㊂说明试验选取的DIC 子区大小㊁以及子区间距的参数可行,保证了DIC 测量精度对试验观测的需要㊂4．2㊀FBG 监测应变在工作面推进过程中,FBG 传感器测试的应变变化如图8所示,横坐标为模型长度㊂FBG01距离模型边界130cm,应变变化曲线如图8(a)所示,当工作面推进至76cm 时,受到覆岩运移影响,岩层弯曲下沉,FBG01应变值开始变化;推进至100cm 时,工作851第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比面基本位于FBG01传感器下方,FBG01的应变为-1．63ˑ10-4;当推进至133cm时,传感器位置的岩层形成悬臂梁结构,应变迅速达到最大2．573ˑ10-3;此后随着工作面推进,岩层破断㊁垮落和逐渐被压实,应变又变为负值并趋于稳定㊂FBG02距离模型边界190cm,应变变化曲线如图8(b),工作面推进至157cm时,应变值为-1．29ˑ10-4;当推进至175cm 时,应变迅速达到最大2．768ˑ10-3,此后随着工作面推进,FBG02应变值减小至负值最后逐渐稳定㊂4．3㊀DIC监测应变图9为工作面推进过程中,FBG01,FBG02所在位置的DIC测试应变曲线㊂图9(a)中,当工作面推进106cm之前,DIC所测得应变基本为0,在此期间,FBG01所在位置并未发生离层裂隙㊂此后应变开始阶段性增大,当工作面推进至112cm时,应变为2．242ˑ10-2;推进至124cm时,应变为3．248ˑ10-2;推进至136cm时应变达到最大值6．076ˑ10-2㊂上覆岩层中出现离层,并逐渐变小直至稳定㊂图6㊀BOTDA与DIC应变对比Fig．6㊀Comparison of strain between BOTDA andDIC图7㊀全站仪和DIC测量结果对比Fig．7㊀Comparison of total station and DICresults图8㊀物理模型FBG监测应变Fig．8㊀FBG monitoring strain of physicalmodel图9㊀物理模型FBG位置处DIC监测应变Fig．9㊀DIC monitoring strain at FBG location of physical model951煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷㊀㊀图9(b)中,工作面推进至157cm 之前,DIC 测点应变基本为0,此后随工作面推进,应变逐步增加,推进至175cm 时,应变增加至8．531ˑ10-3,然后开始急剧增大,推进至184cm 时,应变达到最大7．808ˑ10-2,从199cm 开始,应变开始阶段性下降,最终稳定在10-2左右㊂引入离层位置偏差量ηF ,ηD 来衡量FBG 与DIC对离层位置判定的准确程度,计算公式为ηF =L F-L 0L 0ˑ100%ηD =L D -L 0L 0ˑ100%ìîí(8)式中,L F 为FBG 应变最大值所确定的离层距离左侧煤柱的距离,cm;L 0为模型实测离层位置,cm;L D 为DIC 应变最大值所确定的离层距离左侧煤柱的距离,cm㊂对于FBG01应变最大值出现时,真实离层位置距离左侧煤柱131cm,此时偏差ηF01为1．52%,ηD01为3．82%㊂同理,对于FBG02真实离层位置距离左侧煤柱177cm,计算得ηF02为1．13%,偏差ηD02为3．95%㊂FBG01测得最大应变2．573ˑ10-3,DIC 测得应变为6．076ˑ10-2,DIC 测试值与FBG 测试值比值为23．6㊂FBG02测试应变,DIC 测试值与FBG 测试值比值为28．2㊂DIC 与FBG 获得的测点应变有较大的差异,但是,FBG 和DIC 监测的应变曲线可以较好地显示测点附近离层裂隙的发育情况,应变最大值出现位置基本相同,FBG 测得结果更好㊂在应变曲线峰前,DIC 与FBG 测试应变均快速增长至最大,说明岩层变形的突发性㊂在应变曲线峰后阶段,DIC 更好地反映了上覆岩层的变形,有一个逐步稳定的发展过程,而不是出现负值㊂其原因主要是光纤和岩层之间的不完全接触造成的;还有其他一些因素可能导致这种差异㊂4．4㊀BOTDA 监测线应变工作面推进过程中,布置在关键层中的BOTDA 监测的沿线应变曲线如图10所示㊂图10(a)中,当工作面推进至70cm 时,关键层岩层发生弯曲,围岩应力重新分布,岩层内部光纤受到拉应力的作用,产生正应变,出现微小凸峰,应变值达到1．58ˑ10-4,出现1号凸峰㊂当工作面推进至85cm 时,关键层内光纤受到的拉应力进一步增大,应变值达到3．01ˑ10-4㊂图10(b)中,推进至121cm 时,工作面第5次周期来压,关键层破断,顶板结构失稳,发生回转,岩层破坏特征为拉破坏,在靠近左侧煤柱和工作面后方形成破断线,在破断线附近的光纤拉应力增大,呈现双凸峰(2号,3号)趋势㊂工作面从121~175cm 推进过程中,2号凸峰应变达到10-3,基本不变;3号凸峰的应变值最大达到1．083ˑ10-3,随工作面推进至175cm 时降低为8．13ˑ10-4,其原因是关键层位置裂隙闭合,岩层内部弹性能释放㊂在此后推进过程中,3号凸峰位置几乎不变,其峰值逐渐趋于稳定㊂图10(c)中,工作面推进至190cm 时第10次周期来压,曲线在双凸峰状的基础上出现新的凸峰(4号),位置在190cm 处,应变值7．68ˑ10-4㊂随着工作面继续向前推进,4号凸峰位置逐步向右移动,峰值1．7ˑ10-3;图10(d)中,推进至223cm 时,4号凸峰应变增大至1．745ˑ10-3;推进至240cm 时,应变值降为1．323ˑ10-3㊂BOTDA 测试的应变曲线中2号凸峰出现位置基本保持不变,峰值稳定在9ˑ10-4左右,表明此处岩层变形小,围岩应力趋于稳定㊂3号凸峰峰值稳定在7ˑ10-4左右,位置也基本不变,说明随着工作面推进,应力也趋于稳定㊂4号凸峰峰值随工作面推进距离的增加先增大,之后又逐渐降低,表明了岩层内弹性能的变化由积聚到逐渐释放的动态变化过程㊂4．5㊀DIC 监测线应变图11为工作面推进过程中,沿光纤埋设位置的DIC 测线应变测试结果㊂图11(a)中,工作面推进至55cm 时,伴随着工作面顶板的下沉而发生微小变形,推进至70cm 时,应变增大到1．461ˑ10-2㊂图11(b)中,工作面从121~175cm 推进过程中,曲线呈现双凸峰状,3号凸峰位置右移及峰值增大,最大峰值为0．121;之后图11(c ),(d )中,工作面从190cm 推进至240cm 时,曲线在双凸峰状的基础上同样出现新的凸峰(4号),最大峰值为6．8ˑ10-2㊂对比图10和图11,凸峰出现位置,以及整体趋势,BOTDA 和DIC 应变曲线基本一致,BOTDA 和DIC 的应变曲线随着工作面推进,曲线由单凸峰到双凸峰的马鞍形 ,再到3个凸峰㊂在整个覆岩变形破断过程中,2号凸峰位置变化不大,3号凸峰位置先逐渐向右移动,之后稳定在150cm 左右,4号凸峰也呈现先向右移动,再逐渐稳定状态㊂BOTDA 应变曲线和DIC 应变曲线都呈规律性地先上升后下降,最后趋于稳定㊂总之,BOTDA 应变峰值位置与DIC 应变曲线中应变峰值位置相近,他们均较好的反映出来破坏现象,以及发生破坏的位置,也说明了岩层内外部变形的同步性㊂㊀61第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比图10㊀物理模型BOTDA 监测应变Fig．10㊀BOTDA monitoring strain of physicalmodel图11㊀物理模型DIC 监测应变Fig．11㊀DIC monitoring strain of physical model161煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷㊀㊀同理,引入破断范围偏差来衡量BOTDA与DIC 对破断线范围判定的准确程度,如工作面推进175cm时,真实破断范围为183cm,BOTDA偏差为3．25%,DIC所测偏差为1．62%㊂比较工作面过程中破断范围偏差,DIC测得破断范围更精确㊂2号凸峰在工作面推进过程中相对稳定,DIC监测的2号凸峰从22cm移动到19cm,平均应变为6．7ˑ10-2;BOTDA监测的2号凸峰从16cm移动到27cm,平均应变9．09ˑ10-4,DIC与BOTDA监测的平均应变比值为74;3号凸峰应变先增大后减小,DIC 与BOTDA监测的平均应变比值最小为69,最大为133;4号凸峰DIC与BOTDA监测的平均应变比值最小为27,最大为41㊂综上,在工作面推进过程中,DIC 与BOTDA监测的平均应变比值在27~133,平均应变差异较大㊂4．6㊀应变差异原因BOTDA与DIC结果有差异的原因有以下几点:从试验角度分析,试验物理模型为平面应力状态,模型面没有得到有效约束控制;不完善的检测条件影响了照片的质量,图像处理过程造成了误差,图像失真无法完全消除,计算误差会累积㊂从光纤传感技术角度,岩层垮落导致光纤和岩层之间的不完全接触,出现滑移㊁脱落现象;砂土脆性材料,对传感器的接触面积以及应变的有效传递产生影响;光纤应变测量高度依赖于BOTDA的空间分辨率,本次试验BOTDA空间分辨率为50mm;光纤以及外护套具有一定的直径,使模型岩层变形产生一定误差㊂从数字图像相关技术测试角度分析,岩层的真实变形场可能异常复杂,从而导致变形后的子区形状难以描述,无法有效估计形函数误差;缺乏完备的散斑质量评价标准与优化的理论模型;不同变形条件下,缺乏优化计算参数的选择的标准方法;子区大小㊁间距这些参数的选择与设置也会影响应变检测㊂所有这些因素都可能给测量带来不确定性,不同光测方法虽然在具体数值有一定的差异,但总体趋势一致㊂需要在进一步的研究中分析影响因素,并逐步消除㊂BOTDA测试方法本质上是一种线应变 ,DIC 是面应变 ,研究两种不同的光测方法的融合机制,用BOTDA以及FBG传感器进行结构内部应变测试, DIC进行表面应变监测,进行大试样或者大范围的岩石力学试验观测㊂5㊀结㊀㊀论(1)BOTDA测试方法本质上是一种线应变 , DIC本质上是面应变㊂BOTDA和FBG的测试应变量级相同;对于本次试验中DIC测试参数的设置,一方面满足相似模型监测精度要求,另一方面,在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为15．52~16．70,在非均匀变形区域监测的应变比值为27~133㊂(2)相对实际离层出现位置而言,FBG和DIC测得结果有存在一定偏差,最大偏差为3．95%㊂对比2个测点,FBG测试结果更准确㊂(3)BOTDA和DIC均可以判断关键层破断范围,在此次试验中DIC测试的破断范围偏差值更小,测试结果更好㊂(4)BOTDA,FBG和DIC监测应变在数值上存在差异性,且测试精度各有优劣,但总体的应变曲线基本趋势一致,反映了岩层内外部变形的同步性㊂3种光测传感技术联合可以用于监测分析覆岩关键层运移规律,揭示不同开挖状态的破坏形态㊂进一步的研究将建立他们之间的量化关系㊂参考文献(References):[1]㊀钱鸣高,许家林.煤炭开采与岩层运动[J].煤炭学报,2019,44(4):973-984.QIAN Minggao,XU Jialin.Behaviors of strata movement incoal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(4):973-984.[2]㊀娄金福,高富强,李建忠,等.采场模型试验应力(压力)测量系统研制及应用[J].煤炭学报,2019,44(S1):31-40.LOU Jinfu,GAO Fuqiang,LI Jianzhong,et al.Research and applica-tion of stress(pressure)measurement system for physical modeling [J].Journal of China Coal Society,2019,44(S1):31-40. [3]㊀吴海颖,朱鸿鹄,朱宝,等.基于分布式光纤传感的地下管线监测研究综述[J].浙江大学学报(工学版),2019,53(6):44-57.WU Haiying,ZHU Honghu,ZHU Bao,et al.Review of underground pipeline monitoring research based on distributed fiber optic sensing [J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2019, 53(6):44-57.[4]㊀娄建华,刘军,王洁,等.DSP光纤光栅解调系统研究[J].西安科技大学学报,2012,32(1):91-94,120.LOU Jianhua,LIU Jun,WANG Jie,et al.Research on DSP fiber Bragg grating demodulation system[J].Journal of Xi an University of Science and Technology,2012,32(1):91-94,120. [5]㊀柴敬,袁强,李毅,等.采场覆岩变形的分布式光纤检测试验研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(S2):3589-3596.CHAI Jing,YUAN Qiang,LI Yi,et al.Experimental study on overly-ing strata deformation based on distributed optical fiber sensing[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35 (S2):3589-3596.[6]㊀柴敬,孙亚运,钱云云,等.基于FBG-BOTDA联合感测的岩层运动试验研究[J].西安科技大学学报,2016,36(1):1-7.CHAI Jing,SUN Yayun,QIAN Yunyun,et al.Strata movement tes-ting based on FBG-BOTDA combined sensing technology in simi-261。

采动覆岩裂隙演化规律的定量描述

采动覆岩裂隙演化规律的定量描述李春睿;齐庆新;彭永伟;李宏艳【摘要】对采动覆岩裂隙的定量描述一直是困扰采矿工程的科学问题.通过室内相似材料模拟实验,对综放工作面覆岩裂隙破坏过程进行了监测,并根据采动覆岩裂隙的发育过程在时间及空间的数字成像,提出了应用"双重分形"理论揭示采场覆岩裂隙的萌生、扩展、贯通的过程,获得了采动条件下覆岩裂隙时空演化的定量描述方法.【期刊名称】《煤矿开采》【年(卷),期】2010(015)006【总页数】5页(P4-8)【关键词】采动煤岩体;覆岩裂隙演化;裂隙定量描述;双重分形;相似模拟实验【作者】李春睿;齐庆新;彭永伟;李宏艳【作者单位】煤炭科学研究总院,开采设计研究分院,北京,100013;天地科技股份有限公司,开采设计事业部,北京,100013;煤炭科学研究总院,煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京,100013;煤炭科学研究总院,科技发展部,北京,100013;煤炭科学研究总院,开采设计研究分院,北京,100013;天地科技股份有限公司,开采设计事业部,北京,100013;煤炭科学研究总院,煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京,100013;煤炭科学研究总院,科技发展部,北京,100013【正文语种】中文【中图分类】TD325.4对采动覆岩裂隙的定量描述一直是困扰采矿工程的科学问题。

煤层的开采必将引起上覆岩层的移动与破断,并在覆岩中形成采动裂隙。

随着开采的不断扰动与破坏,覆岩中的采动裂隙将进一步发生变化,从而影响地下水的运移、瓦斯等有害气体的流动。

因此,为保证煤矿开采的安全,防止矿井突水、瓦斯涌出与突出等灾害事故的发生,有必要对覆岩采动裂隙场演化规律进行研究,定量描述裂隙在采动过程中的演化过程。

采动覆岩在不同开采过程中的受力形式及裂隙的准确描述是十分复杂的问题。

但是,为了保证采矿过程的安全,必须弄清采动覆岩裂隙的形成及分布。

对于单一裂隙 (或组合裂隙)扩展的理论问题,可通过实验室方法进行实验研究,且已有公认的研究成果。

采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究

Ξ第35卷　第1期2004年1月太原理工大学学报JOURNAL OF TAIYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY　Vol.35No.1　Jan.2004 文章编号:100729432(2004)0120029203采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究刘秀英,张永波(太原理工大学建筑与环境工程学院,山西太原030024)摘　要:利用相似材料模拟实验法研究采空区覆岩的移动规律。

实验结果表明:工作面推进到72m时,地表发生移动变形,地表最大下沉量最终达到3.2cm;岩体裂隙自下而上随着工作面的推进而逐步发展,对应地形成了不同的裂隙网络分布。

关键词:相似模拟实验;地表移动;裂隙网络中图分类号:TU452 文献标识码:A1　相似材料模拟实验原理相似材料模拟实验法的实质,就是用与原型物理力学性质相似的人工材料按几何相似常数缩制成模型,在保证模型与原型初始状态和边界条件相似的情况下,通过对模型进行模拟开挖,来观察和观测模型采空区上方的地表移动规律、竖向三带的发育特征、裂隙发育特征等,然后按相似常数将观测结果换算到实地原型上[1]。

2　实验概况2.1　模拟原型条件实验以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面的地质采矿条件为背景设计物理模型。

据钻孔资料,该工作面覆岩厚度为201.17m,其中黄土层厚为75.62m,占总厚的37.6%;中、细砂岩为42.87m,占总厚的21.3%;泥岩、泥质砂岩为82.68m,占总厚的41.1%.所采2号煤层平均厚度3.59 m,倾角2°～7°,伪顶厚0.02～0.15m,由黑色泥岩及砂质泥岩组成;直接顶为黑色泥岩,厚2.0m;老顶为K8中粒白色砂岩,厚10.03m.工作面以走向长壁式布置,走向长560m,顶板全部垮落回采,每昼夜平均推进度为1.48～2.13m.2.2　模型设计实验选用的几何常数a l=100,容重相似常数a r=1.5,则应力相似常数aб=100×1.5=150.根据辛置煤矿的地层条件和实验台的尺寸,采用3m ×3m的平面相似模拟实验架进行实验。

岩层采动裂隙演化规律与生态治理技术研究进展

岩层采动裂隙演化规律与生态治理技术研究进展李全生;李晓斌;许家林;徐祝贺;张村【期刊名称】《煤炭科学技术》【年(卷),期】2022(50)1【摘要】岩层采动裂隙是破坏覆岩含水层威胁井下安全生产的直接原因,也是工作面推过后,地表持续下沉变形及生态累积影响的根源。

为了解当前覆岩裂隙发生机制、演变规律、研究方法及生态影响与治理进展,实现资源开发与矿区环境的协调、可持续发展,阐述了采动裂隙演化规律与生态治理技术发展现状。

介绍了煤矿采动裂隙的形成过程、裂隙类型、研究方法、监测手段及研究发展趋势;从开采影响的空间特征方面,从依覆岩裂隙、底板裂隙与地表裂缝3方面分类介绍了裂隙/裂缝演化规律及分布特征,重点分析了深部开采与我国西部沟壑区高强度开采地表裂缝形成的力学机制;探究采动裂隙在保水开采、煤与瓦斯共采方面的应用及生态治理技术,并给出基于开采参数优化的源头减损技术、覆岩承载结构稳定性维持减损技术、变形调控减损技术、覆岩离层注浆减损技术、采复一体化技术、土壤改良与植物修复技术、采煤沉陷区综合修复技术等,实现采煤同时兼顾对地下水、瓦斯、矸石等资源的合理利用与地表建筑及生态环境的保护。

分析认为,采动裂隙多种方法综合运用、力学演化机制及量化描述、深部多物理场耦合、探索新应用领域及控制研究、厘清采动损伤科学内涵及评价方法、明晰矿区生态修复的科学理念、构建采动损伤与生态保护相协调智能化调控系统等将是未来亟需研究的关键科学问题。

【总页数】20页(P28-47)【作者】李全生;李晓斌;许家林;徐祝贺;张村【作者单位】煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室;国家能源投资集团有限责任公司;中国矿业大学(北京)能源与矿业学院;北京低碳清洁能源研究院;中国矿业大学矿业工程学院【正文语种】中文【中图分类】TD325【相关文献】1.采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究2.高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律3.斜沟煤矿采场上覆岩层采动裂隙演化规律研究4.高瓦斯薄煤层采动裂隙演化规律及瓦斯抽采技术5.煤层群覆岩采动裂隙演化规律及瓦斯抽采技术因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。