有關(guān)覆巖三帶的相似模擬討論

1、河南理工大學碩士研究生相似理論與模擬試驗課程論文2014-2015學年第二學期題 目： 關(guān)于采場覆巖“三帶”演化特性的 相似模擬實驗及分析的意見與看法 姓 名： 馮 好 收 學 號： xxxxxxxxxxxxxxx 專 業(yè)： xxxxxxxxxxxxxx 本文主要是對發(fā)表在“礦業(yè)安全與環(huán)?！逼诳系囊黄恼虏蓤龈矌r“三帶”演化特性的相似模擬實驗及分析提出的一些個人見解與看法。1、 文獻簡介這篇文章是從三個方面來研究分析采場覆巖“三帶”的高度的。第一，通過對覆巖采動裂隙發(fā)育特征進行相似材料模擬實驗分析，研究采場覆巖裂隙的測點層位下沉量裂隙密度及離層率，得出覆巖“三帶”的高度；第二，利用鉆孔探測儀

2、實測垮落帶高度，對相似模擬實驗結(jié)果進行驗證；第三，根據(jù)理論分析對上兩種方法得出的結(jié)果進行比較分析，確定“三帶”的高度范圍。相似模擬實驗以某礦綜采放頂煤40108工作面為基本原型，工作面長度180m，走向長度1917m，平均采深384m。煤層平均傾角5°，平均厚度11.5m，其中割煤高度3.4m，預留底煤厚度平均2.0m，放頂煤厚度平均6.1m。 二、所提意見與看法1、 對垮落帶理論分析的不同見解隨著工作面的推進，煤層內(nèi)的采空空間將有其上覆巖層垮落、填充，由于巖層破碎后體積膨脹，當采空區(qū)上方巖層垮落一定高度后將填滿采空空間，其上方的巖層由于受下部垮落巖石的支撐不再垮落，但因壓力過大和受

3、力不均勻?qū)a(chǎn)生裂隙。文章中提到，垮落帶高度即是垮落后能把采空空間填滿的巖層厚度與煤層開采厚度之和，亦是垮落巖層膨脹的高度。并給出下列關(guān)系式：H=lk=h+l （1）由式（1）得：l=h/(k-1) （2）將式（2）代入式（1）得：H=kh/(k-1) （3）式中：H垮落帶高度，m；l垮落帶巖層厚度，m；h煤層采高，m；k煤層頂板巖層的膨脹系數(shù)。并據(jù)此得出，放頂煤開采條件下的垮落帶高度的關(guān)系式：mZ=(h-)/(kP-1) （4）式中：h為煤層厚度，10.113.6m，平均11.5m；為因丟煤而引起的充填厚度，=h(1-c)km，m；c為總采出率，取85%；km為垮落頂煤碎脹系數(shù)，取1.1；kp

4、為巖層的碎脹系數(shù)，取1.2。根據(jù)40108工作面的巖性特征，計算出40108工作面采空區(qū)理論垮落帶高度為42.256.8，平均48m。若根據(jù)文中對垮落帶高度的描述及計算公式，那么公式（4）得出的結(jié)果mZ就不是跨落帶的高度，而是垮落后能把采空空間填滿的巖層厚度。文中所給的理論分析不但是矛盾的，而且是錯誤的，他忽略了一個重要的因素，當煤層頂板覆巖的巖性不同時，在冒落過程中頂板的下沉值也是不同的。在“三下”采煤規(guī)程中對跨落帶高度計算有詳細分類，其中有：（1） 如果煤層頂板覆巖內(nèi)有極堅硬巖層，采后能形成懸頂時，其下方的垮落帶最大高度可采用下式計算：Hm=M/(K-1)cos （5） 式中：M煤層采厚；

5、 K冒落巖石碎漲系數(shù)；煤層傾角。（2） 當煤層頂板覆巖內(nèi)為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層時，開采單一煤層的跨落帶最大高度可采用下式計算： Hm=(M-W)/(K-1)cos （6） 式中：W冒落過程中頂板的下沉量。 要注意的是，在這些公式中垮落帶高度Hm指的是垮落后能把采空區(qū)空間填滿的巖層厚度，并不包括煤層厚度。由原文章中相似模型煤巖層的物理力學性質(zhì)的參數(shù)可以推斷出，所模擬的煤層頂板巖性屬于中硬巖層。對于中硬巖層條件下兩帶高度，“三下”采煤規(guī)程沒有收錄針對綜放開采條件下的公式，通常依據(jù)厚煤層分層開采時的計算公式計算?？迓鋷Ц叨菻m：Hm=100M/(4.7M+19)±2.2 （

6、7）導水斷裂帶高度Hli ：Hli=100M/(1.6M+3.6)±5.6 （8）式中，M為累計采厚；±2.2為中誤差。 代入數(shù)據(jù)計算得，40108工作面采空區(qū)垮落帶高度為13.5417.94m，導水斷裂帶高度為46.6757.87m。但對于綜放工作面，由于采高的擴大，垮落帶和導水斷裂帶發(fā)育高度均將比分層開采明顯增大，采用分層開采公式已經(jīng)不適用。綜放工作面中硬條件下覆巖兩帶高度可用以下經(jīng)驗公式計算（參考文獻2）?？迓鋷Ц叨菻m：Hm=100M/(0.49M+19.12)±4.71 （9）導水斷裂帶高度Hli ：Hli=100M/(0.26M+6.88)±

7、11.49 （10）代入數(shù)據(jù)計算得，40108工作面采空區(qū)垮落帶高度為41.7551.17m，導水斷裂帶高度為105.02128.00m?？梢钥闯觯恼轮械臄?shù)據(jù)與本文所得數(shù)據(jù)非常接近，但原文章中的計算方法是錯誤的，或者說是很不準確的。 2、對模型裂隙發(fā)育及分布規(guī)律分析的一些看法原文對裂隙的發(fā)展規(guī)律分為3個階段（如圖1、2）：a、開切眼到頂板初次來壓前( 058m)。頂板巖層隨著工作面的推進，由初次開挖的彈性變形向塑性變形!破壞發(fā)展，直到出現(xiàn)破斷裂隙，且裂隙密度不斷增加，至工作面初次來壓時，裂隙密度達到最大，為裂隙發(fā)育區(qū)。b、頂板初次來壓后周期性礦壓顯現(xiàn)的正?；夭善? 距切眼58m至工作面前方

8、50m) 。此階段內(nèi)隨著覆巖的垮落，破斷裂隙向較高層位發(fā)展，當工作面推進到一定距離后，采空區(qū)中部的垮落矸石被重新壓實，裂隙密度迅速減小，形成壓實穩(wěn)定區(qū)。c、工作面附近( 工作面前方50m內(nèi))。由于支架等支承作用，此階段覆巖的破斷裂隙分布密度仍然較大，為裂隙發(fā)育區(qū)。圖1 工作面推進346m時“三帶”分布圖2 切眼至采煤工作面覆巖裂隙密度分布原文對模型裂隙的發(fā)育及分布規(guī)律分析的不夠準確，煤巖層的力學性質(zhì)、層位關(guān)系是發(fā)生不同變形行為的內(nèi)在因素，裂隙是巖體變形、破壞的主要控制因素，裂隙的宏觀等級是評價其控制作用大小的指標。頂板巖層發(fā)生大范圍移動變形的直接原因是采動誘發(fā)的縱向與橫向裂隙相互貫通并由此產(chǎn)生

9、擴容、破壞；頂板裂隙發(fā)育情況可采用裂隙分布密度和張開度表示，巖體宏觀裂隙張開度3 mm 即為發(fā)育裂隙，依據(jù)模型幾何相似比 1200 計算，模型裂隙0.015mm 即為發(fā)育裂隙，故模型宏觀可見裂隙均可視為發(fā)育裂隙；由于各層相似模擬材料具有各向同性和均質(zhì)性，可見裂隙密度與工程實際采動巖層差別較大，故不能僅采用裂隙密度來劃分其發(fā)育程度。應采用宏觀可見裂隙的分布規(guī)律對“三帶”高度進行分析： a、工作面頂板一定范圍內(nèi)的巖層發(fā)生較大離層及周期性斷裂，沿離層面形成的橫向裂隙與縱向斷裂面及豎向裂隙交叉貫通，將巖層沿豎直方向切割為碎塊，裂隙密度、張開度均較大，具有這些裂隙發(fā)育及分布特性的巖層范圍可視為冒落帶；b

10、、離層與縱向裂隙是相互促進、相互影響的，周期性來壓時發(fā)生明顯下沉和離層，離層誘發(fā)的縱向裂隙與離層面形成的橫向裂隙相互切割貫通，但縱向裂隙的密度與張開度均較小，不足以將巖層切割為碎塊，具有這些裂隙發(fā)育及分布特性的巖層范圍可視為裂隙帶；c、周期性來壓時發(fā)生緩慢下沉，巖層發(fā)生豎向或近似豎向連續(xù)位移，不同巖層之間未發(fā)生可見的橫向宏觀離層裂隙，宏觀可見縱向裂隙密度與張開度較小，具有這些變形和裂隙發(fā)育特性的巖層范圍為彎曲下沉帶。 3、對相似模擬實驗方案的建議原文實驗相似比及參數(shù)：利用西安科技大學西部煤礦開采及災害防治重點實驗室的平面模型，按幾何比例1：200沿煤層走向?qū)δ骋黄拭孢M行模擬，走向模型尺寸300

11、0mm×200mm×1100mm，模型鋪設高度大于15倍采高時，上覆巖層采用物理相似的配重實現(xiàn)均勻加載。根據(jù)原型確定模型時間相似常數(shù)10、容重相似常數(shù)1.5、泊松比相似常數(shù)1.0，應力及強度相似常數(shù)均為300。模型設計中未明確開挖步距與開挖間隔。根據(jù)幾何比例，模型中煤層厚度平均50mm，對特厚煤層來說，開挖步距也是要考慮的重要因素，對實驗中初次來壓、周期來壓等上覆巖層發(fā)生較大范圍運動有很大影響，也是提高實驗精準度的因素之一。另外，模型鋪設高度只有15倍的采高（1100mm），只能觀測到垮落帶與裂隙帶的發(fā)展變化，并不能觀測到彎曲下沉帶的巖層變化，建議采用更大的模型尺寸3000

12、mm×200mm×1800mm，可以很好地觀測到整個“三帶”的變化規(guī)律。三、總結(jié)采用實驗室實驗、理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，對解決采礦問題的研究是最合理有效的方法。對采動覆巖縱橫向裂隙的分布、發(fā)育及相互貫通情況進行分析研究，采用相似材料模擬實驗方法，是準確劃定“三帶”高度的有效方法。再輔助以裂隙及分布特性的理論分析，以及現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)的參照對比，保證了相似材料模擬實驗研究結(jié)果的可靠性。 其中，我們要注意的是，一定要保證理論分析的正確性，盡量提高相似模擬試驗的精準度，確?，F(xiàn)場觀測的可靠性，這樣才能使我們所研究的問題得到正確的結(jié)論。參考文獻：1 李樹剛，王琳華，林海飛采場覆巖“三帶”演化