煤层开采上覆岩层移动规律的相似模拟试验研究及分析

张九零，范酒源

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000)

煤层开采上覆岩层移动规律的相似模拟试验研究及分析

张九零1，2，范酒源1

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000)

上覆岩层；移动规律；周期来压；数值模拟

以羊东矿2号煤层为基础，采用相似材料模拟试验的方法，研究煤层开采中及采后上覆岩层移动的规律、变化及特点。根据模拟结果可知：煤层开采对上覆岩层应力变化作用范围在25 m之内，当工作面推进18 m时，顶板应力达到峰值，当工作面推进到32 m时，老顶初次来压，平均来压步距为7.0 m。

近些年，煤炭企业对采煤工作面的安全生产越来越重视，随着采煤工作面的推进，上覆岩层将会受到各种因素的影响，导致煤层原岩应力的平衡状态受到破坏，应力重新分布，造成覆岩变形、破坏、移动，发生垮落和下沉现象。因此，研究上覆岩层移动规律具有一定的意义[1]。

1 工程概况

峰峰集团羊东矿2号煤层分布稳定，煤层厚度为4.02～7.35 m，平均厚度为5.54 m，煤层结构复杂，其周围有13个岩层；直接顶由厚度为0.6～16.98 m的粉砂岩组成，砂岩平均厚度为4 m，同时偶有泥岩、砂泥岩互层，脆且易碎；老顶为中粒砂岩，致密坚硬；底板的灰黑色粉砂岩，厚度为8 m，致密易碎，其岩层物理性质参数如表1所示。

表1 岩层物理性质参数

2 相似材料模拟试验

2.1 基本原理

相似材料模拟试验是将与原型物理力学性质相似的材料，按预定比例缩放后制成的试验模型，设置相似边界条件后，进行研究的一种试验方法。采用此方法模拟采煤后煤层顶底板垮落的过程，并采用相关技术监测岩层位移、应力变化[2-4]。

2.2 模型材料配比及应力加载值

根据2号煤岩层的实际地质资料、岩层物理参数及相似计算公式，计算出模型材料配比，如表2所示。

表2 模型分层配比表

按照各层容重为1 600 kg/m3计算，原型应力为：

(1)

式中：qp——原型未模拟岩层压力，kPa；

H——采深，m；

H1——模拟顶板岩层高度，m；

γp——原岩容重，kN/m3。

模型上的加载值qm应为：

(2)

经计算得出：

qm=42.1 kN

2.3 相似参数确定

试验模型尺寸设计300 cm×210cm×30cm，几何相似比为：Cl=1/50；容重相似比为Cγ=0.6；应力相似比为Cσ=Cγ×Cl=0.012；时间相似比为：Ct=Cl1/2≈1/6，模型尺寸如图1所示。

图1 模型尺寸图

2.4 测点的设计

本试验使用DRA-30A型多通道数字应变仪、TGD-02-8型光纤光栅监测系统、全站仪监测上覆岩层应力、应变及顶板垮落过程，分析上覆岩层移动规律，其相应设备及测点设计如图2所示。

在试验模型的直接顶与老顶之间，布置应变片测试上覆岩层的应力，从开采线到停采线，布置13个，间隔为10 cm，如图2所示。

图2 应变片位置图

在直接底下方布置压力监测点，自开采线右侧10 cm处至停采线，共6个，间距为20 cm，如图3所示。

图3 压力盒的安装位置

在老顶上方设置应变计，自开采线左侧10 cm处至停采线，共7个，间距20 cm，如图4所示。

图4 应变计的安装位置

在试验模型煤层上方布置测试上覆岩层移动规律的测点，共8排，纵向测点，自煤层顶板向上，间距为5 cm，横向测点，间距为5 cm，离煤层较远区域，横、纵向测点间距设置为10 cm，具体设置如图5所示。

图5 位置测点布置图

3 采动覆岩移动规律

3.1 采动覆岩、底板应力分析

随着采煤工作面的不断推进，覆岩下方煤体逐渐被采空，导致上覆岩层的力学平衡状态发生变化。首先，直接顶失去下方煤层的支持力，在自身重力和煤层两侧拉应力共同作用下，发生形变、破碎、垮落的现象；然后，上覆岩层的应力不平衡状态逐渐向上方延展，最终达到一个新的力学平衡状态。在这个过程中采场会发生一系列应力变化，图6所示为采动覆岩顶板压力变化。

图6 顶板压力变化图

如图6所示，在采煤工作面不断向前推进的过程中，上覆岩层应力的变化趋势是先缓慢上升至峰值，当推进后，开采对原岩应力的作用慢慢消失，最终达到稳态。具体分析如下：当检测点距离开采位置比较远时，几乎感应不到应力的变化，这表明开采对上覆岩层应力变化有一定的作用范围。由图可知，作用范围在25 m范围内，应力开始发生变化，当工作面不断靠近检测点时，应力值缓慢上升，超过25 m范围，采动对岩层应力的作用几乎为零。在作用范围内，上覆岩层应力呈现增加趋势。在工作面推进18 m时达到峰值，此时，测点上方岩层发生断裂、破碎，由于应力集中在工作面附近岩层，测点位置应力逐渐降低、回落，当测点距离工作面40 m以后时，应力将会逐渐恢复。

图7 底板压力变化图

由图7可以分析出采动对煤层底板应力变化趋势，具体叙述如下：

(1)底板应力升高区[5]。当工作面没有推进到测点位置时，随着工作面的推进，测点压力逐渐上升，由图7可知，应力上升范围位于测点距离工作面10～20 m内。结合现场分析此区域的受力状态，当工作面未推进至测点时，底板岩层会受到的水平挤压力，在靠近工作面的一侧，底板应力起到拉伸作用，可以看出，底板应力的变化使得煤层的底板受到了破坏。

(2)底板应力下降区。如图7可知，当工作面距离测点的范围在-10～10 m内时，此时的压力较低，此种现象的形成是由于煤体被开采后，上覆岩层处于悬空状态，没有发生垮落，煤层底板没有较好的压力传导介质，形成压力空档期。

(3)底板应力恢复稳定区。该区域在工作面后7～30 m内，随着工作面的推进，底板的压力由低应力阶段转变为应力恢复阶段，由于卸压阶段过后，采场的应力空档期被垮落矸石填充，应力开始传递，导致应力逐渐恢复。30 m后达到新的力学平衡状态。

3.2 采动覆岩移动规律分析

随着工作面推进，上覆岩层的移动规律如下所述：

煤层推进的开始阶段，没有出现弯曲现象，裂隙逐渐慢慢发育，随着直接顶逐渐暴露，在煤层上覆岩层两端纵向裂隙显现，并增加，然后逐渐向上方岩层的弱面扩展。此时由上覆岩层前后方的煤柱支持其压力，此时，上覆岩层受拉简力作用，裂隙发展增多，出现离层裂隙。

图8 覆岩垮落形态

当推进至24 m时，煤层上方裂隙发育迅速增多，可以清楚地观察到上覆岩层的纵向裂隙，离层裂隙充分发展导致直接顶垮落[6](如图8a)。推进32 m时，可以明显看到离层逐渐向上发育，最终到达老顶上方，由于纵向裂隙、离层裂隙发育成熟，导致老顶垮落(如图8b)，此时，可以分析出老顶初次来压[7]约为32 m。当煤层推进至38 m、47 m、54 m、60 m时，相继发生了4次周期来压。上覆岩层重复发生弯曲、裂隙发展、岩层垮落的现象，最终达到新的平衡状态，表3所示为老顶来压步距。

表3 老顶来压步距统计

通过表3和以上分析可以得出，上覆岩层在煤层采动过程及采后的移动规律可分为直接顶垮落、老顶垮落、周期垮落3个阶段，并且，老顶平均周期来压步距为7.0 m。

4 结论

(1)煤层开采对上覆岩层应力变化作用范围在25 m之内，>25 m采动对上覆岩层应力影响较小，当工作面推进18 m时，顶板应力达到峰值，当工作面推进40 m时，顶板应力恢复到稳定值。

(2)采动对煤层底板应力的影响主要划分为3个区域，应力升高区，其范围在工作面距离检测点10～20 m范围内；应力下降区，其范围在工作面距离检测点-10～10 m范围内；应力恢复稳定区，其范围在工作面距离检测点7～30 m范围内。

(3)当工作面推进24 m时，上覆岩层出现离层裂隙，推进到32 m时，老顶初次来压，推进到38 m、47 m、54 m、60 m时，发生4次周期来压，平均来压步距为7.0 m。

[1] 贺凌城,贾继祖,袁博.长治矿区综放工作面上覆岩层移动规律[J].煤矿安全,2014,(09)：40-42.

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[4] SEUNGHOON AHN, JOOSUK LEE, SUNGSIK KANG. Core Coolability Analysis at Light Water Reactor Accident Conditions[A]. Chinese Nuclear Society(CNS)、Korean Nuclear Society(KNS), 2011:9.

[5] 乔元栋.急倾斜薄煤层仰斜开采覆岩应力分布特征研究[J].煤炭科学与技术，2011,(12):25-28.

[6] 王国艳.采动岩体裂隙演化规律及破坏机理研究[D].阜新:辽宁工程技术大学，2010.

[7] 肖尧.综放工作面移动规律数值模拟研究[J].煤炭与化工,2015,(07):14-16+19.

Similar Simulation Test Research and Analysis on Overburden Movement Law of Seam Mining

ZHANG Jiu-ling1,2, FAN Jiu-yuan1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063210, China;2.Key Laboratory of Mine Thermo-motive Disaster and Prevention, Ministry of Education, Fuxin Liaoning 123000, China)

overlying strata; moving law; periodic pressure; numerical simulation

Taking Yangdong mine No. 2 coal seam as example, based on similar material simulation test methods, the movement law, the changes and features of overburden in coal mining and after mining were researched. The simulation results show that the effect of coal seam mining on the stress change of overlying strata is within 25 m. When the advance of working surface is 18 m, the roof stress to reach the peak, when the advance of working surface is 32 m, the first to the old top pressure, the average pressure step distance is 7.0 m.

2095-2716(2017)02-0020-06

2016-11-23

2017-03-30

国家自然科学基金项目(51504077,51404086)，河北省自然科学基金资助项目(E2016209056)，河北省科技计划项目(15274112)华北理工大学杰出青年基金(jp201509)。

TD821

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