采场上覆岩层动态移动规律研究

张 静，吴 侃，敖剑锋

（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221008）

采场上覆岩层动态移动规律研究

张 静，吴 侃，敖剑锋

（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221008）

通过建立相似材料模拟实验，对倾斜煤层开采引起的上覆岩层移动进行了系统地全面地观测研究。利用首次观测数据和开采结束稳定后数据，定性与定量分析了岩层内部各点移动矢量，得出测点移动矢量图。分析不同区域内6个观测点的动态运动轨迹，得到了详细的移动轨迹。对岩体内部巷道工程的损害及治理具有指导意义。

覆岩动态移动;相似材料模型;岩体点运动轨迹

相似材料模型试验是以相似理论为基础，按一定的相似比例将岩体抽象、简化为相似模型［1］，对模型中的煤层模拟实际情况进行开采，观测岩体由于煤层开采引起的移动和变形，弥补采动岩体移动难以测量的缺陷，是研究岩层移动规律的一种科学方法。相似材料实验可以人为地控制模拟实体的主要因素，略去次要因素，研究采场上覆岩层移动和破坏规律，对煤岩层内巷道的保护与治理具有指导意义。

本次实验在岩体上布点，采用高精度的三维光学点测量系统作为观测仪器，提高了数据的准确性，观测效率高［2］，有利于精确求得相似材料模型岩层内部标志点的移动量。通过相似材料模型数据分析，获得采场上覆岩层动态移动规律。

1 相似材料模型

针对本研究区域地质赋存条件和煤层顶板岩层钻孔柱状图设计了岩层分布图，如图1所示。

选择相似系数为1∶200，模型架长度为4m，模型架高度为2m，厚度为0.3m，煤层倾角30°。根据覆岩情况及模型比例，得到模型层厚如表1，由岩层实际组分得出模型相似材料配比如表2。

图1 30°煤层相似材料模型设计

表1 模型设计层厚

相似材料模型的观测方法采用高精度的数字工业近景摄影测量系统 （XJTUDP），通过XJTUDP三维光学点测量系统观测得到的是编码点和非编码点的系统坐标。编码点是全局控制解算点，如图2中的较大黑色标志点，而非编码点是布设于岩层表面的目标点，如图2中较密的小标志点。

表2 30°模型相似材料配比

图2 煤层模型布点实例

2 数据处理

通过XJTUDP测量系统得到的是不同坐标系统下的坐标，需用XJTUDP测量系统自带软件中的坐标对齐功能处理，得到同一坐标系统下所有标志点的三维坐标。编码点是全局控制点，在每次扫描中同一编码点的编号不变;但非编码点的编号是系统随机编排。本次实验需获取同一标志点在不同时刻的三维坐标，必须进行非编码点匹配处理。通过VB程序识别不同扫描时间下的同一非编码点，确定不同时间下的三维坐标，作为获取的最终数据［3］。

3 岩层动态移动规律

3.1 岩层内部各测点运动轨迹

分析岩体剖面各测点的运动轨迹时，选取首次观测数据和开采结束稳定后数据，标示在这一段时间内剖面岩层观测点运动轨迹，得到剖面岩层各测点的运动轨迹图，如图3所示。图4为图3简图，在图4中，带箭头的线段表示该区域点移动方向，在同一区域中，线段长度表示其移动量的相对大小，非实际移动量。

根据剖面点移动矢量，将30°倾斜煤层岩体剖面划分为 A，B，C，D四个区域 （图3，图4）。在图中，表土层区域A是水平层位，受到煤层开采影响后，观测点移动矢量指向采空区。从表土层边缘到采空区上方，移动量逐渐增大，采空区上方地表的移动量最大。

图3 开采至稳定后剖面测点运动矢量

图4 开采至稳定后剖面测量运动矢量

在采空区上方区域C，采区煤层采出后，直接顶板岩层弯曲而产生拉伸变形，当其拉伸变形超过岩石的最大抗拉强度时，直接顶板及其上部的岩层便与整体分离，破坏成大小不一的岩体，无规则地充填采空区。由于岩石破坏碎胀，垮落岩石体积增大，致使其上部岩层的移动量逐渐减弱。上覆岩层中的各个分层，从直接顶开始沿层里面的法线方向，依次向采空区方向弯曲。

在上山煤柱上方区域B中，岩体受采动影响，受到拉伸变形，区域中观测点的移动矢量指向上山煤柱方向。煤层开采对周围岩体影响不同，沿岩层层位，从上山方向到采空区方向移动量逐渐增加。

在下山方向煤柱上方区域D中，岩体受到压缩变形，区域中观测点的移动矢量指向下山方向。煤层开采对周围岩体的影响不同，沿岩层层位，从采空区到下山边缘方向，移动量逐渐减小。同样，底板周围岩体移动量小，其上部发展空间大，移动量大。

3.2 岩层剖面内点动态运动轨迹

分析岩体剖面点动态运动轨迹时，选取不同区域内6个点，如图3中标示的6个点，其中1，2号点大体位于同一铅垂线;3，4号点和5，6号点分别大体位于同一铅垂线。取开采至14m，42m，70m，98m，126m，154m，182m及稳定后6个点的观测数据，分别绘制各点的动态移动轨迹图，如图5～10所示。图5～10中的1，2，3标示出点运动轨迹的拐点及拐点在煤层开采中的相应位置。

1号点位于表土层区域A中，从图5可以看出，在整个开采到稳定过程中，1号点运动轨迹指向采空区。

2号点位于上山煤柱上方区域B中，从图6中得出，在煤层开采至开采稳定过程，2号点的运动轨迹先指向上山方向，再逐渐指向采空区方向。

3，4号点位于采空区上方，受开采影响最大，岩层垮落充填采空区，剖面点移动量大。从动态移动轨迹图7和图8中可以看出，剖面点移动轨迹近乎沿煤层法线方向。

5，6号点位于下山方向煤柱上方区域D中，岩层层面受到压缩变形的影响。5号点移动轨迹先是指向采空区，随着开采的继续，移动轨迹逐渐沿铅垂方向指向下山。6号点移动轨迹先指向采空区，随后指向下山方向。

上山煤柱上方区域的松动岩石由于自重的作用，沿岩层层面方向向下山方向滑移，1，2号点位于上山煤柱上方区域，其运动轨迹随煤层开采，始终指向采空区。5，6号点位于下山方向煤柱上方区域D，在初始开采过程中，不受上山方向岩层滑移影响，5，6号点运动指向采空区;随着其上山方向岩层的滑移运动，挤压下山方向岩层，当运动发展充分后，造成下山方向5，6号点运动轨迹指向下山方向。

4 结论

以相似材料模型试验为基础，通过大量数据绘制得到岩体剖面测点移动矢量图，分析得到岩层内部各点移动矢量与地表各点移动矢量不同，地表各点移动矢量指向采空区，而岩体内部点受到岩层的相互作用，不同区域测点的移动矢量不同。上山煤柱上方区域岩体移动矢量指向上山煤柱，且底板周围岩体移动量较其上部小;采空区上方区域岩体移动矢量近乎沿层面法线方向，且移动量沿层面法线方向向上逐渐减小;下山方向煤柱上方区域岩体移动矢量指向下山方向，且底板周围岩体移动量小于其上部。不同区域点动态运动轨迹有与其所在区域运动大体相符，下山煤柱上方点的动态运动轨迹与其所在区域运动存在微小不同，但最终指向下山方向。岩体内部点移动现象和规律的研究为巷道工程提供参考，对采空区上方覆岩运动的研究起到重要作用。

［1］顾大钊.相似材料和相似模型［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1995.

［2］陈冉丽.三维光学测量技术在相似材料模型观测中的应用研究［D］.徐州:中国矿业大学，2010.

［3］郑汝育，吴 侃，蔡来良.覆岩弯曲带动态沉陷规律的相似材料模型研究［J］.煤炭工程，2010（4）.

［4］尹光志，张卫中，张东明，等.煤矿开采岩层移动的相似模拟实验及数值分析［J］.矿业安全与环保，2004，31（2）.

Research on Dynamical Movement Rule of Overlying Strata

ZHANG Jing，WU Kan，AO Jian-feng
（Environment＆ Survey School，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221008，China）

Strata movement of surrounding rock induced by inclined coal-seam mining was observed by analog simulation.Movement vector of every point in rock was analyzed qualitatively and quantitatively and point movement vector map was obtained.Detailed movement tracks were obtained by analyzing dynamical movement tracks of 6 observation points.This would provide reference for preventing roadway failure in rock.

dynamical movement of surrounding rock;analog simulation;point movement track of rock

TD325.4

A

1006-6225（2012）02-0020-03

2011－12－05

国家环保公益性行业专项资助 （200809128）

张 静 （1987－），女，山西晋城人，硕士，主要从事煤矿开采沉陷预测方面工作。

book=2012,ebook=249

［责任编辑:李宏艳］