多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验

Vol．38No．4Jul．2011水文地质工程地质HYDROGEOLOGY ＆ENGINEERING GEOLOGY 第38卷第4期2011年7月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1，张永波1，赵志怀1，张利民2（1．太原理工大学水利科学与工程学院，太原030024；2．山西省交通设计研究院，太原030012）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。

关键词：多煤层开采；覆岩；相似模拟；采空区；变形中图分类号：TD325．+2文献标识码：A 文章编号：1000-3665（2011）04-0130-05收稿日期：2010-07-13；修订日期：2010-10-28基金项目：国家自然科学基金资助项目（30470269）作者简介：张志祥（1970-），男，硕士，讲师，主要从事工程地质和岩土工程方面的教学和研究工作。

E-mail ：zhangzx666666@126．com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。

以上研究主要是针对单一煤层开采进行的，得出了许多有益的经验与结论，为指导单煤层开采及采空区地基处理等提供了参考。

近年来，随着我国煤炭开采强度的增大及开采深度的增加，许多矿区形成了多煤层采空区。

由于我国土地资源有限，许多高速公路不可避免地要通过多煤层采空区，在建设过程中，有可能使原本相对稳定的采空区覆岩平衡遭到破坏，地表再次产生沉陷变形，危及公路的安全。

由于单煤层开采覆岩移动及地表变形规律不同于多煤层开采，加上各地采矿地质条件的差异，其成果对于多煤层来说，就失去了普适性。

因此，研究多煤层开采覆岩移动及地表变形规律对保护高速公路的安全有重要的意义。

已有学者对多煤层开采给予关注，并取得一定成果。

李全生等［4］利用相似材料模拟和数值模拟研究了多煤层开采相互采动的影响规律，为煤柱留设及确保巷道安全提供了参考；夏筱红等［5］进行了多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟研究，为安全回收煤炭资源提供了依据。

二者都是以指导采煤为目的，对高速公路下伏多煤层覆岩移动研究有一定的借鉴，但由于没有考虑采空区的地表变形，不便于具体指导高速公路下伏采空区治理。

目前，高速公路下伏多煤层开采覆岩移动及地表变形规律研究成果仍然很少。

为确保高速公路的安全，非常有必要开展这项研究。

离石—军渡高速公路LK21+340 LK21+900段通过康家沟煤矿采空区，该矿主要开采4号、5号和10号煤层。

本文采用相似材料模拟实验方法，对康家沟煤矿多煤层开采覆岩移动及地表变形规律进行了研究，以期为高速公路下伏多煤层采空区治理设计提供依据。

1研究区地质概况研究区位于吕梁山脉中段西侧黄土丘陵区，地表由黄土覆盖。

地层自上而下为第四系、二叠系和石炭系，简述如下：（1）第四系中更新统离石组（Q 2l ）：分布于塬、梁、峁及冲沟两侧，为风积及冲积形成，岩性以黄土为主，棕黄色、浅棕红色亚粘土，夹数层棕色古土壤层、钙质结核层及透镜状砂卵石层，硬塑－坚硬状态，柱状节理发育，多层结构类型。

厚20 50m 。

（2）二叠系上统上石盒子组（P 2s ）：岩性为灰绿、黄绿、灰紫色页岩与灰绿色长石石英杂砂岩互层，由下向上紫色页岩逐渐增多，浅黄、灰黄、浅灰色中细砂岩和泥岩组成。

其底部标志层岩性为紫红色、灰黄色铝土质鲕粒泥岩，含丰富的铁锰质。

本组厚度约390m 。

第4期水文地质工程地质·131·（3）二叠系下统山西组（P1s）：下部为灰黑色炭质页岩、砂质页岩、粉砂岩夹中厚层细粒石英杂砂岩、长石岩屑砂岩及煤层（4号、5号）。

上部为灰褐色砂质泥岩夹长石石英砂岩及煤线。

4号、5号为主采煤，厚度分别为2m和3m。

本组厚度约50m。

（4）石炭系上统太原组（C3t）：底部为山西式铁矿，下部为鲕状铝质泥岩及致密块状铝质粘土岩，中部为灰黑色泥岩、粘土岩、砂质页岩，夹中细粒石英杂砂岩，透镜状含生物碎屑灰岩及煤层（8号、9号、10号），为可采煤，以10号煤为主，局部合并，10号煤层厚5m，上部为三层厚层状灰岩夹泥质粉砂岩、页岩、长石石英杂砂岩及薄煤层。

本组厚度约105m。

2实验模型设计采用2.6mˑ4.43m的平面相似模拟实验架进行多煤层（三层）开采模拟实验。

由于模型实验架高度的限制，在保证4号煤层以上岩层与实际岩层相似的前提下，对4号、5号和10号煤层之间的间隔做出适当调整。

在实际岩层中，4号和5号煤层间的泥质砂岩厚度为8 15m，5号和10号煤层间的泥岩厚度为23 38m。

经过调整后，模型中4号和5号煤层间的泥质砂岩厚度为5m，5号和10号煤层间的泥岩厚度也为5m。

实际煤层倾角只有4ʎ，模型中按水平煤层考虑。

按照相似原则，几何相似常数αl通常取在100 200之间，考虑到实验模拟断面高240m，而模型实验架高2.6m，因此取几何相似常数αl=100。

原型中的岩层多为泥岩、细砂岩，根据以往经验，容重相似常数取为αγ=1.5。

根据相似指标，可得应力相似常数ασ=αlˑαγ=150，时间相似常数为αt=10。

模型设计高度2.4m，长4.43m，宽0.3m。

在康家沟煤矿采区进行了钻孔取芯，经室内实验，得到了采区范围内岩土力学性质指标，然后根据模拟实验选取的相似常数，经计算得到模型相似材料主要参数（表1）。

本次相似模拟材料选取石英砂、河砂、云母做骨料，石灰、石膏做胶结材料，硼砂做缓凝剂。

根据阜新矿业学院对石膏相似材料配方所做实验结果，选择实验相似材料的配方及配比，见表1。

表1模型相似材料主要参数Table1Parameters of similar material of the model编号岩层名称厚度（cm）容重γ（kN/m3）单轴抗压强度σc（MPa）抗拉强度σt（MPa）泊松比μ配比号1松散层20－－－－－2砂岩14.62 1.688.480.280.18755 3砂质泥岩14.28 1.69 6.350.040.50377 4细粒砂岩7.5 1.727.560.330.35855 5砂质泥岩23.9 1.69 5.070.100.19437 6泥岩16.31 1.67 5.980.090.35337 7砂质泥岩14.19 1.697.120.170.30855 8砂岩19.2 1.64 6.270.270.18328 9泥岩18 1.697.970.100.41755 10泥质砂岩22 1.68 2.690.170.25337 11中砂岩18.6 1.67 6.170.290.28855 12泥岩12.9 1.717.010.270.35755 134号煤20.91 3.030.060.33637 14泥质砂岩5 1.688.100.240.38337 155号煤30.93 6.390.270.32464 16泥岩5 1.71 5.980.090.35755 1710号煤50.93 3.030.060.33464 18泥岩20 1.717.120.170.30755模型实验中各煤层开采宽度均为2m，开采方法为走向长壁全陷落法开采。

模拟开采时首先开采上部4号煤层，接着开采5号煤层，最后开采10号煤层。

模型实验装置见图1。

在岩层中设置10排位移观测点，每排21个，同排观测点水平等距布设，间距为20cm。

实验中用DTM－501系列全站仪对多煤层开采覆岩移动及地表变形情况进行观测。

3实验结果及分析3.1采空区“三带”覆岩移动变形规律·132·张志祥，等：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2011年图1模型实验装置图Fig.1Experimental apparatus of the model图2、3、4分别为模型4号、5号和10号煤层开采结束后采空区“三带”覆岩下沉曲线。

由图2可以看出，4号煤层开采结束后，上覆岩层冒落带、裂隙带及弯沉带的最大下沉量分别为1.72，1.46，0.84m。

经计算，冒落带、裂隙带及弯沉带的下沉系数分别为0.86，0.73，0.42，碎胀系数分别为1.028，1.012，1.011。

由图3可以看出，5号煤层开采结束后，上覆岩层冒落带、裂隙带及弯沉带的最大下沉量分别为4.84，3.40，1.95m。

经计算，冒落带、裂隙带及弯沉带的下沉系数分别为0.968，0.68，0.39，碎胀系数分别为1.106，1.033，1.032。

由图4可以看出，10号煤层开采结束后，由于受前两次采动的影响，弯沉带以下覆岩体全部冒落，不存在裂隙带，冒落带和弯沉带的下沉量分别为8.70m和3.60m。

经计算，冒落带和弯沉带的下沉系数分别为0.87和0.36，碎胀系数分别为1.13和1.054。

以上情况表明，在多煤层开采条件下，采空区“三带”的覆岩下沉量逐渐增大，冒落带的下沉系数呈现出先增大后减小的特点，裂隙带和弯沉带的下沉系数则呈现逐渐减小特点，说明随着煤层开采总厚度的增加，受上覆岩层拱形结构的作用，裂隙带和弯沉带的岩层保持了一定程度的相对稳定，没有明显的下沉和跨落，主要表现为弯曲变形。

另外，随着煤层开采总厚度的增加，采空区“三带”的覆岩碎胀系数呈增大特点，说明多煤层采动造成采空区上覆岩体更加破碎，这与图5所示的多煤层开采结束后模型覆岩体垮落情况相符。

3.2采空区地表变形规律3.2.1地表沉降量由图6可见，4号煤开采结束后，地表的下沉量不大，最大下沉量为0.132m；5号煤开采结束后，地表下沉量进一步增加，最大下沉量为1.56m；10号煤开采图24号煤开采后采空区“三带”下沉曲线Fig.2Subsidence curve of three zones ofgob of No.4seam图35号煤开采后采空区“三带”下沉曲线Fig.3Subsidence curve of three zones ofgob of No.5seam图410号煤开采后采空区“三带”下沉曲线Fig.4Subsidence curve of three zones ofgob of No.10seam结束后，地表下沉量达到最大，其值为1.94m。