放顶煤开采条件下覆岩移动 规律试验研究 郝延锦 3 吴立新 3 沙从术

图 1 采场上覆岩层冒落形态 11—2 煤采完覆岩移动稳定后断裂角见表 3。从 表 3 中可以看出:
的一个重要因素。13—1 煤采完覆岩移动稳定后断裂 角见表 2。
a、无论是综放开采还是普采 (11—2 煤为普采) , 岩层在切眼侧的断裂角要大于停采侧的断裂角, 其
表 2 13—1 煤采完覆岩移动稳定后断裂角 (单位: 度)
113 模型设计尺寸和相似条件
第 9、10 模型为: aΡ= 1 160
模型框架尺寸为: 2500mm ×200mm ×1800mm
d 模型的时间比: at= tm tp = (a) 1 2
的平面模型, 采用杠杆加载进行相应高度补偿。在试
第 1、2、5、6、7、8 模型为: at= 1 12
验过程中, 模型与原型之间严格遵守相似原理。
粉砂岩, 切 508 有 裂隙
576
砂质泥岩, 切 有 裂隙
508 粉砂岩 (碎裂)
砂质泥岩
576
(碎裂)
111 原型条件 相似模拟试验的剖面根据新集矿试验区实际勘
9 13—1 煤 放顶煤开采 410 10 13—1 煤 放顶煤开采 410
595 泥岩夹煤 556 泥岩夹煤
探剖面所得, 制作模型 10 台, 开采煤层为 13—1 煤、 11—2 煤, 均为近水平煤层, 全部跨落法管理顶板。煤 层赋存、顶板岩性和开采方法见表 1。 112 相似材料配比
第4期 1999 年 11 月
M 矿IN E S山U R V测E Y量IN G N oNv.o.14999
放顶煤开采条件下覆岩移动 规律试验研究
郝延锦3 吴立新3 沙从术3 3 孟召平3 胡金星3 3 (中国矿业大学北京校区) 3 3 (郑州煤田职工地质学院)
模型编号
1
3
4
5
6
7
8
9
10
13—1 煤厚
1017
710
810
816
816
816
816
410
410
冒裂高度
89
72
84
74
85
82
87
4915
50
计算裂高
75
62
66
69
69
69
69
50
50
根据回归分析, 放顶煤条件下的冒裂带高度与 采 厚关系可用下式表示: H 1i= 39ln (M ) - 3±5 (m ) (M 为煤层采厚, 单位: m ) ; 例如, 采厚 811m 时, 裂高 H 1i= 79m , 这与淮南市煤电公司新集矿的实际观测 资料 (两个裂高孔观测, 采厚 612—10m , 实测最大裂 高为 83194m [5]) 的结果是基本一致的。
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8 矿 山 测 量 1999 年 11 月
摘要 通过对放顶煤开采条件下覆岩移动相似模拟试验结果的分析, 并与实际观测资料相对照, 总结 出了在放顶煤开采条件下覆岩断裂角、冒裂带高度大小的基本规律, 以及尖灭硬岩层、煤层顶板岩性 对覆岩移动的影响等问题。 关键词 放顶煤开采 覆岩移动 试验研究
前 言
放顶煤开采技术由于其高产、高效、煤质好, 已 在我国许多有条件的矿区被广泛采用, 但由此引起 的开采沉陷问题也日益突出, 解决在放顶煤开采条 件下覆岩移动问题已迫在眉睫。 研究放顶煤开采条 件下覆岩移动规律的方法通常有理论研究、实际观 测和模拟研究三种。 由于岩层移动是一个影响因素 非常多、非常复杂的物理力学过程, 理论研究正在逐 步深入; 实际观测是研究岩层移动的主要方法, 但由 于放顶煤开采技术应用时间较短, 以及客观条件限 制, 目前观测数据很不充分, 特别是对岩层内部的观 测。 因此模拟试验就成了研究放顶煤开采条件下覆 岩移动规律的有效方法。 本次试验所模拟的地质采 矿条件完全与新集矿的实际情况相似, 从而避免了 模型简化对试验结果产生的影响。 1 模拟试验概述
第 4 期 郝延锦等: 放顶煤开采条件下覆岩移动规律试验研究 7
2 主要试验结果分析 211 岩层断裂角
13—1 煤层和 11—2 煤层开采完, 其覆岩移动稳 定后, 采空区上方岩层破坏形态呈拱形 (图 1) , 称为 冒裂拱。 分别将开切眼侧和停采线侧的岩层断裂点
连接起来近似为一直线, 称为断裂线。断裂线与煤层 在采空区一侧所夹角为断裂角 (图 1 中的 Υ 角)。 断 裂角也是影响岩层与地表移动大小和下沉盆地形态
7
5734
块裂顶板
8
5802
碎裂顶板
可以看出完整顶板的下沉值较小, 块裂顶板和 碎裂顶板的下沉值较大。 原因是在放顶煤开采条件 下完整煤层顶板冒落后尚能形成较大块状, 使得冒 落岩石的碎胀系数较大, 从而有效地充填采空区遏 制了上覆岩层移动; 而块裂顶板时由于煤层一次开 采厚度较大, 冒落的岩块活动剧烈, 使本来比较破碎 的顶板岩块冒落后更加破碎, 碎胀系数较小; 碎裂顶 板冒落后更是如此, 从而使得它们的下沉值较大。模 型 6 和模型 7 的下沉值也有区别, 因为模型 6 的顶 板切有“ ”裂隙, 开采后在切眼处顶板出现一定悬 臂, 即顶板不充分冒落, 对上覆岩层移动有一定的控 制作用; 模型 7 的顶板切有“ ”裂隙, 在此处顶板不 出现这种悬臂, 即顶板冒落较充分, 而在采空区另一 侧二者则主要受上覆尖灭砂岩体的影响, 使顶板裂 隙影响不明显, 这样就使模型 7 的最大下沉值大于 模型 6 的最大下沉值。 3 主要结论
表 1 煤层开采及赋存情况表
模型 开采 开采 编号 煤层 方法
13—1 煤 放顶煤开采 1 11—2 煤 普采 3 13—1 煤 放顶煤开采
开采 厚度 (m ) 1017 317
710
埋藏 深度 (m ) 303 366
300
顶板岩性
泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩
4 13—1 煤 普采
810
13—1 煤 放顶煤开采 816
使得冒落带的高度也较一般大, 如果冒落岩石的碎 胀系数 km 一定, 将使上述括号内第一项的值较一般 大。在裂隙带中岩层断裂时的旋转角也较大, 从而使
模型编号 5
最大下沉值 (mm ) 3593
煤层顶板 破坏程度 完整顶板
断裂岩块之间形成的缝隙也较大, 使裂隙带的岩石
6
5517
块裂顶板
膨胀系数 k1 较一般为大, 上述括号内第二项的值也 增大。 则使 H (n2+ 1) 的值变小, 遏制了冒裂带高度 向上发展。 213 尖灭硬岩层对下沉曲线的影响
n1
n2
n1
n2
H (n2+ 1) = M - { 2 m i (km - 1) + 2 m i (k1- 1) }= M - { (km - 1) 2 m i+ (k1- 1) 2 m i}
i= 1
i= n1+ 1
i= 1
i= n1+ 1
在放顶煤开采条件下, 由于一次开采厚度较大
表 5 模型 5、6、7、8 的最大下沉值
随着放顶煤工作面的推进, 采空区上方岩层冒 落裂隙带的高度也随之增大, 当工作面推进一定距 离后, 冒落裂隙带高度不再向上发展, 而是稳定在一 定高度 (表 4) , 裂隙带高度是影响岩层与地表移动和 确定离层注浆位置的重要因素, 研究裂高具有实际 意义。13—1 煤采完覆岩移动稳定后冒落裂隙带的高 度与厚煤层分层开采条件下的冒裂带高度计算值[ 1 ] 相比较见表 4。 冒裂带高度与采厚关系曲线见图 2。
模型 5、6、7、8 的地质采矿条件基本相似, 所不 同的是模型 5 为完整顶板; 在模型 6 和模型 7 的煤 层顶板约 20m 范围内每隔 15—20m 分别切有“ ”、 “ ”的裂隙为块裂顶板; 模型 8 顶板在此范围内切 的更加破碎为碎裂顶板, 意在研究煤层顶板破碎程
5 11—2 煤 普采
310
13—1 煤 放顶煤开采 816
6
11—2 煤 普采
310
13—1 煤 放顶煤开采 816
7
11—2 煤 普采
310
13—1 煤 放顶煤开采 816
8
11—2 煤 普采
310
320 砂质泥岩
508
粉砂岩
576 砂质泥岩
508
粉砂岩, 切 有 裂隙
576
砂质泥岩, 切 有 裂隙
制作模型主要所用材料有: 河砂、云母、碳酸钙、 煤粉、石膏、水、水泥和锯末等, 相似材料配比是根据 煤岩层的抗压强度进行的。
第 1、2、5、6、7、8 模型为: aL = 1 150 第 3、4 模型为: aL = 1 200 第 9、10 模型为: aL = 1 100 b 模型的容重比为: ar= rm rp = 0. 625 c 模型的强度比为: aΡ= Ρm Ρp = aL 3 ar 第 1、2、5、6、7、8 模型为: aΡ= 1 240 第 3、4 模型为: aΡ= 1 320
外, 上述断裂角的值偏大 (一般在 60°左右) , 这主要
是所采煤层厚度较大, 且上覆岩层偏软造成的; 模型
8 在切眼侧的断裂角达 7916°、停采侧达 7215°比其它
模型大, 除以上原因外, 还与它的顶板较破碎有关。 212 放顶煤开采条件下的冒裂带高度
图 2 冒裂带高度与采厚关系曲线
表 4 放顶煤条件下冒裂带高度 (单位: m )
模型编号
1
3
4
5
6
7
8
10
平均
断裂角 (切眼侧)
71
6415
7115
73
70
66
7916
56
69
断裂角 (停采侧)