近距离特厚煤层一次采全高覆岩破坏特征相似模拟

作者:蔡金龙;涂敏;付宝杰 刊名:矿业工程研究 上传者:王岩

【摘要】根据潘谢矿区地质条件及采取一次采全高开采方式,采用物理相似模拟实验方法,对近距离特厚煤层开采时覆岩破坏及位移特征进行了分析,得出了随着覆岩的采动垮落、裂隙高度的增加和范围的增大,形成了阶梯跳跃式趋于稳定,并且确定了近距离特厚煤层一次采全高垮落带及其裂隙带的发育高度.随工作面的推进,层间岩层形成明显的移动变形盆地,同一岩层中下沉移动量最大的点位基本处于下部采空区中心上方.由于采高较大,应力集中沿工作面推进方向不断延伸扩展,应力集中系数较分层开采要小,但前方影响范围要大。

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在我国现有煤炭储量和产量中,厚煤层(厚度)3.sm)的储量和产量均占45%左右’,由于煤层厚度大,对其开采可以有多种方法进行选择,一次采全高或分层开采,但是不同开采方法采动对覆岩破坏特征会产生明显区别,尤其是特厚煤层开采导致覆岩移动范围扩大、裂隙带发育高度增加等’,3].如淮南潘谢矿区A组煤,其储量占矿区深部储量的46%,且为近距离特厚煤层,为淮南矿业未来的主采煤层,因此,有必要对潘谢矿区A组煤层的覆岩破坏特征进行研究.本文通过相似模拟实验,可以观测到上覆岩层变形、移动、垮落的全过程.从而分析近距离特厚煤层一次采全高开采方式对上覆岩层破坏和围岩应力分布规律.研究成果为A组煤采场参数设计、采场支护参数选取等具有指导意义.1地质背景本次试验模拟来源于淮南矿业集团潘谢矿区,潘谢矿区A组煤主采A,和A3两层,A,煤层煤厚1.56-7.77m,平均3.78m;A3煤层煤厚2.09一9.17m,平均5.07m.两煤层层间距1一sm,局部合并为一层,资源丰富、赋存稳定、煤质好.直接顶为6.sm的砂质泥岩,老顶为ro.gm的中砂岩,直接底为粉砂岩,约1.sm,老底为3.6m粉砂岩,采场实际埋深为469m.在煤层底板含有太原组灰岩和奥陶系灰岩的强含水层,开采过程中对A组煤产生可一定的影响.工作面钻孔综合柱状图如图1所示.2模拟设计方案物理模拟主要被用于研究各类岩土工程在载荷作用下的位移、变形和破坏规律,其中相似材料模拟法是覆岩破坏研究中最常用的物理模拟方法.岩层移动相似材料模拟方法的实质是,根据相似原理,将矿山岩层按一定比例进行缩小,利用相似材料制成模型.然后在模型中模拟开采煤层,观测模型中的岩层移动和破坏情况.通过相似理论可知,欲使模型与实体原型相似,需要满足模型与原型的各对应量成一定的比例关系及各对应量所组成的数学物理方程相同,具体在岩层与地表移动方面的应用,应保证模型与实体的运动学相似几何相似、几何相似以及动力学相似4一“}.根据现有试验件,在采矿工程实验室二维相似模拟实验台3mxo.3mxl.sm(长x宽x高)规格的钢模型架上进行试验,根据选定模型架尺寸及其他条件综合考虑所以要满足几何条件、时间、边界条件相似,对应物理量成比例.层厚(m)柱状岩性名称6.70{…/细砂岩:灰白色细粒结构3.54泥岩:灰色块状,泥质结构致密易碎卜一一~司卜+.+今羹7一83细砂岩:灰白色,细粒结构.碑尸,、、一、、9.74泥岩:灰色块状,泥质结构胜脆月曰翻口..月月门10.92中砂岩:浅灰白色,中粒结构,含粗粒682砂质泥岩:灰色,砂质泥岩结构5.08蝶:黑色.卜部块状为主,下部粉沫状1.01泥岩获色,有时为砂质泥岩,硬度小.3,781煤:黑色,粉末状为主少量块状,黑色条状9.60粉砂岩:灰色欺状,粉砂状结构,致密较硬边界煤柱,每Zh挖5cm相当于工作面推进sm,平均采深为469cm,模型高度分别为129.gm,岩层按重力补偿载荷采用铅块和液压千斤顶加载见图2(a).为了真实准确地掌握上覆岩层的运移变化规律,在模型背面的不同岩层层位设置了位移观测点,贴反射片,用电子全站仪观测顶板岩层各点随开采过程的变化情况,一共布置了88个测点,距离顶板5,15,25,35,45,55,65,75cm,横向距离相隔20cm分别为测线I一测线恤;在距煤层顶板巧m布置压力测线和在距煤层底板3,13m和25m布置3条底板压力测线.在制作阶段,首先安置好模型架,根据相似理论与各分层的物理力学参数(见表1),并从配比表中对各岩层进行配制.根据试验要求装人模型架中,且用云母模拟岩层层里.在试验前准备阶段

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