急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验

究倾斜模型。即模拟煤层铺设成倾斜状，表土层铺 成水平状；(4) 堤坝横截面相对较小，可以忽略。 为了使问题得到必要的简化和便于对比分析，确定 试验方案时主要考虑围岩强度、岩层分层厚度、节理 裂隙、采动影响等几个方面。模型试验的特点是能 够模拟出随采场推进覆岩运动和地表沉陷的动态变 化特征以及与时空的对应关系，以便进行过程分析。
1 引言
地下固体、液体资源的开采均会导致不同程度 的地表沉陷，由此带来一系列的环境问题。国内外 学者对开采沉陷进行了大量的研究，取得了丰硕的 成果[1～7]。但由于采矿地质条件的复杂性，使得问 题仍未得到圆满解决，如厚冲积层急倾斜煤层群开 采重复采动条件下的开采沉陷，国内外研究得不 多[8～12]。如何掌握这类复杂条件下地表移动变形的 特点是解决急倾斜煤层开采矿井采动损害问题的当
3 相似模型试验设计
根据新集三矿地质与采矿条件和厚冲积层、急 倾斜煤层、重复采动影响的特点，在确定相似材料 模拟试验时主要依据以下原则：(1) 重点分析浅部 煤层开采的影响，并考虑其表土层结构和围岩岩性 和位置的影响；(2) 在相似材料模型设计时应该考 虑所有开采煤层、最大开采厚度，并且要研究开采 强度对堤坝移动、变形和破坏的影响；(3) 重点研
厚度/m 20.0
9.0 40.0 77.0 16.0
9.0 28.0 34.0
5.0 31.0 22.0
1.5 12.0 13.0 12.0 18.0
3.2 7.0 34.0 1.60 10.0 55.0 20.0 6.0
γ / kN·m－3 19.6 16.6 20.0 20.0 26.7 25.6 27.4 25.6 14.4 25.6 27.4 14.4 27.4 25.6 27.4 25.6 14.4 26.7 26.8 14.4 26.8 27.4 25.6 27.4
σc / MPa 0.76 2.40 4.20 15.30 54.00 34.40 66.70 34.40 11.80 34.40 50.90 11.80 50.90 34.40 50.90 34.40 11.80 54.00 46.50 11.80 46.50 50.90 34.40 50.90
E/104 MPa 0.30 0.80 1.20 2.10 8.20 3.23 12.50 3.23 1.63 3.23 4.56 1.63 4.56 3.23 4.56 3.23 1.63 8.20 2.76 1.63 2.76 4.56 3.23 10.80
型较为合适。受试验条件限制，以模型在重力作用
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下的运动学相似求取开挖模拟的时间比为
αγ
=
α
1/ l
2
= 1/14.4。换句话说，模型中每 1.7
h 推进
2 cm 相当于原型中每天推进 4 m。试验在规格(长×
宽×高)为 3.0 m×0.3 m×1.2 m 的平面模型试验台上
进行。模型试验以大型平面模型架、液压加载系统、
基于模型试验的目的是模拟采动引起的岩层破 坏和地表移动规律，需要进行测量的范围为从采空 区一直到地表。需要量测的内容为地表下沉量、地 表水平移动量、覆岩位移、垮落高度、离层高度等。 在倾斜模型中，根据急倾斜煤层开采地表移动的特 点，地面下沉和水平位移观测线布置在模型正表面， 测点间距为 6.25 cm，计 49 个测点，采用经纬仪观 测法；5 条竖直岩层观测线，测点间距为 20 cm，计
YHD 型位移计、YJ-17 应变仪、应变数据采集与处
理系统、经纬仪等组成试验装置。
4 试验过程描述
试验过程包括：相似材料配比试验、模型制作、 模型开采、模型观测和观测成果处理等项工作。
首先，进行模型材料的配比工作。根据模型的 主要岩性参数容重和抗压强度，进行相似材料的配 比。为了选取合适的相似材料配比，首先做了砂胶 比为 3∶1～12∶1 的相似材料配比试验，取得了有 关的力学参数。在保证各种材料均符合要求的前提 下，选择砂、粘土、石灰、石膏类相似材料配比系 列，然后进行装架。按照所给出的岩层次序自下而 上按分层厚度分层铺料、捣实，在两种岩层交界处 撒少许云母粉以形成层面结构，模拟层面效应；通 过铺料过程中的人为切割使岩层形成弱面，以反映 节理裂隙的影响。模型制成后，在室温下自然风干。 本试验中模型顶部不加荷载，为自由表面。然后进 行煤层的开挖与测试。同步进行覆岩与地表位移的 测试。模型中每 1.7 h 推进 2 cm，每模拟开采一次， 对上覆岩层位移进行量测，记录测试结果和模拟过 程中所发生的力学现象；每天进行地表下沉量和地 表水平移动量的观测。模拟煤层的开采顺序按照设 计方案分为 4 个区段，即初期开采 13#－1，11#－1； 中期开采 13#－2，8#－1，13#－3，11#－2，11#－3，8#－2； 后期开采 13#－4，8#－3，11#－4，8#－4。
模型平面布置见图 1。根据新集三矿的开采地 质条件，运用相似理论进行急倾斜煤层的岩体移动 和开采沉陷的相似模型试验研究。由开采引起的岩 层和地表移动有关的物理量为：运动时间 t，运动 速度 v，岩石密度 γ ，几何尺寸 l，岩层的力学性质 σ ，重力加速度 g。由相似第二定理知，表征岩层 移动这一现象有 6 个物理量，其中 3 个的量纲是相 互独立的，故其相似比数为 3 个，即时间比、几何 比和强度比。模型试验要求模型与原型的岩层厚度、 采深以及开采空间的几何尺寸均应满足几何比。模 型几何比愈大，其精度越高，越能反映原型的实际 情况，但所需成本和时间也越多。实践证明，只要 材料性能合适，在提高加工精度及砌筑工艺水平， 采取较高精度的量测设备等技术措施的基础上，适 当缩小模型的几何比是可行的。考虑到研究问题的 性质和模型操作与测试的可能性，取模型的几何相 似比为 αL = 1/ 200 。在相似材料模拟试验中，相似 材料的选择是非常重要的一个环节，它决定着模拟 真实岩体的精确性以及在模型上模拟原型重要特征 的可能性和全部试验的实用性。本试验选取以河砂 和粘土为骨料，石膏和石灰为胶结物的石膏混合物 为相似材料。容重相似比为： αγ = 1/1.667。按照 相似准则，根据前已确定的几何相似比和容重相似 比，可以得到模型的应力相似比为：ασ = 3/1 000。 根据蠕变试验曲线，岩石受力后产生弹性应变，则 模型中应包含弹性元件；应变随时间有增大的趋势， 则模型中应包含粘性元件，应力降为零时，应变有
务之急。本文通过模型试验的方法，针对新集三矿 西三采区开采的实际情况，对开采岩移基本规律和 地表移动变形规律进行了研究，这对于指导新集矿 区“三下”采煤具有重要意义。
2 研究区域地质背景
新集三矿西三采区主要可采煤层有 3 层，分别 为 13#，11#和 8#煤层，煤层间距平均为 53 和 45 m。 平均厚度分别为 5，1.5，3.2 m，煤层倾角平均为 60°。采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法。采区新生界
第 23 卷 第 3 期 2004 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(3)：441～445 Feb.，2004
急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验*
高明中
(安徽理工大学资源开发与管理工程系 淮南 232001)
15 个测点，采用的测试仪表为 YHD-100，200，500 型位移计。使用计算机数据采集与处理系统，硬件 配置有平衡箱、转换器、YJ-17 应变仪、数字式电 压表等；软件有应变采集与处理系统。
5 试验结果及分析
本次模型试验，反映了岩层与地表移动的许多 富有研究价值的特点和规律。下面首先从总体上就 岩层的破坏和移动形式进行分析，然后再分析一些 试验特定条件(如厚冲积层、急倾斜煤层开采、重复 采动等条件)下地表移动的规律性。
2002 年 11 月 13 日收到初稿，2003 年 1 月 16 日收到修改稿。 * 安徽省自然科学基金(03044401)资助项目。 作者 高明中 简介：男，46 岁，硕士，1982 年毕业于安徽理工大学采矿系采矿工程专业，现任教授，主要从事于矿山岩石力学方面的研究工作。E-mail： tsg@aust.edu.cn。
摘要 针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用实验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采
引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积
层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数。所得结果对现场开采及地表沉陷治理具有一定的指导作用，对于同
类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。
Huainan 232001 China)
Abstract According to the complex mining and geological conditions of deep excavation in Xinji mine， similarity model test is carried out for strata movement and surface subsidence due to coal extraction in No.3 mining district. Based on the analysis of repetitive mining with thick soil layers and deep coal seam，the special phenomena are put forward and the basic features of strata movement and the related parameters of mining subsidence are obtained. Also，the results are of tutorial impact for practical mining and governing of subsidence hazards. Key words mining engineering，similarity model test，steep seam，strata movement，mining subsidence
表 1 岩土物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of rock and soil
岩性 表土层 砂粘土层 细-中砂层 粘土层 砂岩 泥岩 石英砂岩 泥岩 13 煤 泥岩 细砂岩 11 煤 细砂岩 泥岩 细砂岩 泥岩 8煤 砂岩 砂质泥岩 6煤 砂质泥岩 细砂岩 泥岩 中粒砂岩
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岩石力学与工程学报
2004 年
地层由第四系和第三系组成，厚度为 143～167 m， 属于厚冲积层。矿井地面标高平均+20 m，采区开 采范围为－200～－340 m，走向长为 700 m。区域内 无大的断层构造。实测冒裂带高度约为 39 m。采区 范围为地面堤坝保护煤柱圈定范围，堤下压煤 960× 104 t。采区范围内岩土力学性质见表 1。表中 γ 为 容重，σ c 为单轴抗压强度，E 为弹模。
关键词 采矿工程，相似模拟试验，急倾斜煤层，岩体移动，地表沉陷
分类号 TD 315+.3
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)03-0441-05
SIMILARITY MODEL TEST OF STRATA MOVEMENT WITH STEEP SEAM
Gao Mingzhong (Dept. of Resources Exploration and Management Engineering，Anhui University of Science and Technology，
图 1 模型布置图 Fig.1 Layout of model design
第 23 卷 第 3 期
高明中. 急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验
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部分恢复，这一特征与开尔文模型类似；在时间无
限延长时，应变将趋于某一定值，这与广义开尔文
体的特征相似。综上所述，本次试验采用 H-K 体模