采场覆岩离层演化规律研究
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试验采用的是 3． 0 × 2． 0 × 0． 4m 的平面应变模型， 根据相似原理，模拟实验相似常数为： 几何相似常数 CL = 1 /100，时间相似常数 Ct = 1 /10，容重相似常数 Cγ = 1 /1． 5，弹性模量相似常数 CE = 1 /150，强度相似常数 CσC = 150。由于篇幅所限，原型与模型的主要岩性参 数及配比在本文中就不出现了。 3． 3 采场覆岩离层动态演化规律
100源自文库
2012 年第 2 期
采场以济宁三号井十八采区为原型，其开采水平 518m，地面标高 + 32． 93 ～ + 33． 08m，井下标高 642 ～ 638m。煤层总体为走向近 NE、倾向近 NW 的 单 斜 构 造，真倾角 0 ～ 4°。揭露的各断层面附近煤岩裂隙发 育，煤岩完整性差，其它掘进区段地质构造较简单。该 区三层煤硬度系数 f = 1 ～ 2，厚度为 4． 15 ～ 6． 20m，平 均 5． 6m，属于稳定煤层，采用综采放顶煤开采。 3． 2 相似参数的确定
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
2012 年第 2 期
99
采场覆岩离层演化规律研究
刘 军，杨兴廷，朱庆峰
（ 兖矿集团济宁三号煤矿，山东 济宁 273500）
摘 要 采场覆岩的离层与关键层密切相关，离层一般都发生于关键层之下，并且覆岩离层一般要经历离层未发育、离层扩展和离层闭合三个 阶段。离层以“梯形”的形式由下部逐渐向上发展的，并且“梯形”的大小也一直在演化。 关键词 相似材料模拟 数值模拟 覆岩离层 关键层 中图分类号 TD325 + ． 1 文献标识码 A
（ 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
抗弯刚度时，离层产生，即：
σ ＞ σt
（ 2）
E上 h上2 ＞ E下 h下2
（ 3）
覆岩运动过程 并 不 是 简 单 地 逐 层 自 下 而 上 ，而 是
形成组合结构有规律地运动。关于相邻岩层同时运动
的条件，我国学 者 采 用 了 最 大 挠 度 对 比 划 定 方 法 来 进
行判断［5］，即：
ωsmax ＜ ωxmax 时，相邻岩层分别运动，ωsmax ＜ ωxmax 时，
参考文献：
［1］张国良，朱 家 钰 等． 矿 山 测 量 学 ． 徐 州 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 2001． （ 7） ［2］骆旭嘉，高飞等． 全站仪自由设站在测绘中的应用 ． 勘察科学技 术，2010． （ 1）
［3］宋润嘉，华斌等． 几种典型自由设站法测量的解算及精度分析． 城市道路与防洪 ，2005． （ 1） ［4］程效军，缪盾等． 全站仪自由设站法精度探讨 ． 铁道勘察，2008． （ 6）
采场离层随工作面的推进由下位岩层逐渐向上位 岩层发展。图 1 为距煤层 54m 处的主关键层下的离层 量随工作面的推进而产生的变化曲线。可以看出： 覆 岩离层主要经 历 了 离 层 未 发 育、离 层 扩 展 和 离 层 闭 合 三个阶段，相应的则存在离层未发育区间、离层扩展区 间和离层闭合区间。
（ 1） 离层未发育区间： 从开切眼开始，离层是由下 往上逐步发展的，当岩层移动未发展至主关键层下，则 主关键层下不会出现离层。一旦工作面推进至某一距 离，岩层发展至主关键层下，导致主关键层下开始出现 离层，该推进距离称为主关键层下离层的未发育区间。 本次试验表明，采 场 主 关 键 层 下 离 层 未 发 育 区 间 的 推 进距离约为 60m。
采场煤层开采后，上覆岩层会形成垮落带、离层带 和整体弯曲带［1 －2］。无论是垮落带、离层带，还是整体 弯曲 带 （ 尤 其 下 部 ） ，采 动 过 程 中 都 产 生 一 定 的 离 层［3 －4］。由于岩层移动是由下向上逐渐传递的，层与 层之间存在一个移动滞后的时间，一般情况下，离层的 发育程度与岩 层 离 煤 层 顶 板 的 高 度 成 反 比，越 靠 近 顶 板离层越发育，越远离顶板离层越不发育。
两岩层同时运动。
此外，采场离层的位置呈现出动态变化的特性，离
层带内的离层 首 先 由 下 位 岩 层 开 始 ，由 下 向 上 逐 渐 在
关键岩层的 下 方 出 现，直 至 离 层 到 主 关 键 层 下。 关 键
层下的离层量 Wn 与采空区未接顶空间 M、垮落岩层的
膨胀系数 Kn、关键层距煤层的高度 Hm 以及关键层自
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。
2 采场覆岩离层位置的确定
采场覆岩离层发生的位置可用多层嵌固梁理论来 解释，岩梁在重力作用下发生弯曲沉降，各层面上必然
出现剪切力。采 场 推 进 到 一 定 距 离 时，相 邻 岩 层 层 面
上的剪应力超过粘结力和摩擦阻力所允许的限度时，
层面被剪坏，离层随即发生，离层发生的力学条件为：
τ = C + σntgφ
100源自文库
2012 年第 2 期
采场以济宁三号井十八采区为原型，其开采水平 518m，地面标高 + 32． 93 ～ + 33． 08m，井下标高 642 ～ 638m。煤层总体为走向近 NE、倾向近 NW 的 单 斜 构 造，真倾角 0 ～ 4°。揭露的各断层面附近煤岩裂隙发 育，煤岩完整性差，其它掘进区段地质构造较简单。该 区三层煤硬度系数 f = 1 ～ 2，厚度为 4． 15 ～ 6． 20m，平 均 5． 6m，属于稳定煤层，采用综采放顶煤开采。 3． 2 相似参数的确定
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
2012 年第 2 期
99
采场覆岩离层演化规律研究
刘 军，杨兴廷，朱庆峰
（ 兖矿集团济宁三号煤矿，山东 济宁 273500）
摘 要 采场覆岩的离层与关键层密切相关，离层一般都发生于关键层之下，并且覆岩离层一般要经历离层未发育、离层扩展和离层闭合三个 阶段。离层以“梯形”的形式由下部逐渐向上发展的，并且“梯形”的大小也一直在演化。 关键词 相似材料模拟 数值模拟 覆岩离层 关键层 中图分类号 TD325 + ． 1 文献标识码 A
（ 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
抗弯刚度时，离层产生，即：
σ ＞ σt
（ 2）
E上 h上2 ＞ E下 h下2
（ 3）
覆岩运动过程 并 不 是 简 单 地 逐 层 自 下 而 上 ，而 是
形成组合结构有规律地运动。关于相邻岩层同时运动
的条件，我国学 者 采 用 了 最 大 挠 度 对 比 划 定 方 法 来 进
行判断［5］，即：
ωsmax ＜ ωxmax 时，相邻岩层分别运动，ωsmax ＜ ωxmax 时，
参考文献：
［1］张国良，朱 家 钰 等． 矿 山 测 量 学 ． 徐 州 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 2001． （ 7） ［2］骆旭嘉，高飞等． 全站仪自由设站在测绘中的应用 ． 勘察科学技 术，2010． （ 1）
［3］宋润嘉，华斌等． 几种典型自由设站法测量的解算及精度分析． 城市道路与防洪 ，2005． （ 1） ［4］程效军，缪盾等． 全站仪自由设站法精度探讨 ． 铁道勘察，2008． （ 6）
采场离层随工作面的推进由下位岩层逐渐向上位 岩层发展。图 1 为距煤层 54m 处的主关键层下的离层 量随工作面的推进而产生的变化曲线。可以看出： 覆 岩离层主要经 历 了 离 层 未 发 育、离 层 扩 展 和 离 层 闭 合 三个阶段，相应的则存在离层未发育区间、离层扩展区 间和离层闭合区间。
（ 1） 离层未发育区间： 从开切眼开始，离层是由下 往上逐步发展的，当岩层移动未发展至主关键层下，则 主关键层下不会出现离层。一旦工作面推进至某一距 离，岩层发展至主关键层下，导致主关键层下开始出现 离层，该推进距离称为主关键层下离层的未发育区间。 本次试验表明，采 场 主 关 键 层 下 离 层 未 发 育 区 间 的 推 进距离约为 60m。
采场煤层开采后，上覆岩层会形成垮落带、离层带 和整体弯曲带［1 －2］。无论是垮落带、离层带，还是整体 弯曲 带 （ 尤 其 下 部 ） ，采 动 过 程 中 都 产 生 一 定 的 离 层［3 －4］。由于岩层移动是由下向上逐渐传递的，层与 层之间存在一个移动滞后的时间，一般情况下，离层的 发育程度与岩 层 离 煤 层 顶 板 的 高 度 成 反 比，越 靠 近 顶 板离层越发育，越远离顶板离层越不发育。
两岩层同时运动。
此外，采场离层的位置呈现出动态变化的特性，离
层带内的离层 首 先 由 下 位 岩 层 开 始 ，由 下 向 上 逐 渐 在
关键岩层的 下 方 出 现，直 至 离 层 到 主 关 键 层 下。 关 键
层下的离层量 Wn 与采空区未接顶空间 M、垮落岩层的
膨胀系数 Kn、关键层距煤层的高度 Hm 以及关键层自
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。
2 采场覆岩离层位置的确定
采场覆岩离层发生的位置可用多层嵌固梁理论来 解释，岩梁在重力作用下发生弯曲沉降，各层面上必然
出现剪切力。采 场 推 进 到 一 定 距 离 时，相 邻 岩 层 层 面
上的剪应力超过粘结力和摩擦阻力所允许的限度时，
层面被剪坏，离层随即发生，离层发生的力学条件为：
τ = C + σntgφ