水体下采空区覆岩移动规律相似模拟实验研究

２０１５年第１期　童娃晨斜技　６３　水体下采空区覆岩移动规律相似模拟实验研究　刘永良　（河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作４５４００３）　摘要该文以新安矿区小浪底水库南岸王家沟一带采空区为原型，进行室内相似模拟实验研究，通过在模拟岩层及地表　设置位移观测点，获取不同推进距离引起的岩层变形值与移动值，进而绘制采空区上覆岩层移动与变形曲线，实验再现了　不同推进距离引起地表变形下沉的全过程，掌握了水体浸入作用下采煤后岩层移动及地表下沉的规律，提出了地表下沉最　大值点偏向于开切眼。　．　关键词新安矿区　水体下采空区岩层移动相似模拟　中图分类号ＴＤ３２５　文献标识码Ｂ　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００５—２８０１．２０１５．Ｏ１．２８　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｇｏａｆｓ　ｓｔｒａｔａ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｂｙ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ＬｉｕＹｏｎｇ－ｌｉａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅ＇ｎａｎ　Ｊｉａｏｚｕｏ　４５４００３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓｔｈｅ　ｇｏａｆｓｉｎＷａｎｇ￣ａ－ｇｏｕｗｈｉｃｈｉｓｉｎ　ｓｏｕｔｈ　ｏｆｔｈｅＸｉａｏＬａｎｇ－ｄｉ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｉｎＸｉｎ’ｎａｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｕｃｔｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｉｎｄｏｏｒｓ．Ｂｙ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｏｃｋ　ｓｔｒａｔａａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｗｅ　ｃａｎｇｅｔｔｈｅｖａｌｕｅ　ｏｆｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｓｔｒａｔａｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｕｓ　Ｃａｎ　ｄｒａｗ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆｍｏｖｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｔａ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｈｔｅ　ｇｏａｆｓ．Ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｎａｄ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｙｂ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｅｒａｐｐｅａｒｅｄｉｎｔｈｉｓｔｅｓｔａｎｄｔｈｅ　ｒｕｌｅｓｏｆｒｏｃｋ　ｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｕｎｄｅｒｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗａｔｅｒｉｍｍｅｒｓｉｏｎｉｓ　ｍａｓｔｅｒｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｖｉｅｗｔｈａｔｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｍａｘｉｍｕｍ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｉｓｐａｒｔｉａｌｔｏｏｐｅｎ－ｏｆｆｃｕｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｘｉｎ’ａｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｒａｅａ　ｇＯａｆｓ　ｎｕｄｅｒ　ｈｔｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｔｒａｔａ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　义煤集团新安矿于１９８２年建成投产。２０００年　后来，我国学者彭小沾等Ｅ　４　利用双参数时间　小浪底水库蓄水后，新安井田４０％的面积在不同程　函数建立了地表下沉的动态过程模型，但模型表达　度上受到库区水体的影响，水下压煤达８．０×１０　ｔ…。　式复杂，不容易求解，故模型本身的实用价值降低。　在小浪底库区附近，煤层开采后造成的采空区上覆　笔者认为：要准确描述采空区覆岩移动破坏的　地表移动与变形，在一定程度上也会受到水库蓄水　全部动态过程，首先是选择简单实用的相似材料模　的影响，从而与常规开采后造成的采空区地表下沉　型；其次，在相似实验的基础上获取有效的测点移　有所不同。因此，针对水体下采空区覆岩的移动规　动下沉值，根据这些数据进一步研究采空区覆岩破　律进行探究，在实际生产中有一定的必要性。　坏的演变规律。笔者利用物理相似模拟实验研究了　在煤层开采过程中，地表下沉是一种显著地随着　不同推进距离对岩层破坏的影响，并绘制地表下沉　采煤工作面的推进不断发展成形的动态过程　。对　曲线，从而得出水体下采空区覆岩层移动与变形规　于采空区覆岩移动规律特征，国内外的学者们都有所　律，为今后水体下采煤提供了一定的指导意义。　探究。１９５２年波兰学者Ｋｎｏｔｈｅ　３　基于一种假设，即　地表某一点在某一时刻的下沉速度与该点的下沉量之　１实验概况　差成正比，提出了沉量与时间关系的时间函数　莫型。　１．１模拟实验原型　实验原型为小浪底水库南岸新安县王家沟村　的一处采空区，新安矿主采山西组二　煤层，厚　收稿日期２０１４—０９—０９　作者简介刘永良（１９８８一），男，河南濮ＩｒｍＡ．，在读硕士，主　度０～１８　ｍ，煤厚分布极不均匀，煤层平均厚度为　要从事特殊开采技术的研究。　４ｍ。物探结果显示，王家沟村采空区平均埋深为　２０１５年第１期　媳茬斜救　６５　２．２岩层移动规律　而使采空区的失稳周期缩短，另外，失稳周期同样　主要与采深、采厚比、岩层物理力学性质、地表地　本次实验共布置四排位移观测点。分别布置于　垮落带、离层带、弯曲下沉带内。工作面推进３９ｍ　时，直接顶板出现初次垮落，最大下沉值为３ｍ。　采空区压实工程中，下沉幅度逐渐减小，模拟开采　结束时最大下沉值为３．７ｍ，下沉系数为０．９２５。设　置在离层带内各测点的下沉值，随着工作面的推进　不断增加，工作面推进３９ｍ后其下沉幅度明显增大，　工作面推进６５ｍ后其下沉幅度减小，工作面推进　１１７ｍ时，测点最大下沉值为３．１６ｍ，下沉系数为０．７９。　通过研究发现，测点最大下沉值偏向于开切眼，此　部分离层带裂隙发育，构成了良好的导水线路；位　于弯曲下沉带测点，随着工作面推进测点移动下沉　幅度较前两排测点比较缓慢，此排测点最大下沉值　为２．７４ｍ，下沉系数为Ｏ．６８５。　下水贯通程度等因素有关。另一方面也对地表造成　了很大破坏，在地表会出现塌陷坑。　（３）通过物理相似模拟实验可在一定程度上　取得比较理想的结果，这取决于实验方案与实际原　型的近似程度。　【参考文献】　［１］　孙亚军，徐智敏，董青红．小浪底水库下采煤导　水裂隙发育监测与模拟研究［Ｊ］．岩石力学与工　程学报，２００９，２８（２）．　［２］　郭文兵，柴华彬．煤矿开采损害与保护［Ｍ］．北京：　煤炭工业出版社，２００８．　［３］　崔希民，缪协兴，赵英利，等．论地表移动过程的　时间函数究［Ｊ］．煤炭学报，１９９９，２４（５）．　通过分析可知，采动岩层的下沉幅度随着工作　面的推进先增加后减小，而采动岩层移动的下沉系　数却是由下向上逐渐变小的。　３结论　［４］　彭小沾，崔希民，戚永强，等．时间函数与地表　移动变形规律［Ｊ］．北京科技大学学报，２００４，　２６（４）：３４１—３４４．　［５］　张永波．老空区建筑地基稳定性及其变性破坏规　律的研究［Ｄ］．太原理工大学，２００５．　［６］　张健全，闰保金，廖国华．采动覆岩移动规律的相似　模拟实验研究［Ｊ］．金属矿山，２００２（８）：１ｏ－１２．　［７］　钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层　理论［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２００３．　［８］　邓喀中，郭广礼，谭志祥，等．采动区建筑物　移动变形特性分析［Ｊ］．中国矿业大学学报，　２００１。３０（４）：３５４—３５８．　（１）通过研究实验现场发现，整个开采过程中，　开采初期对地表的影响较大，且活动的剧烈程度主　要与采深、岩体物理力学性质、岩层垮落角等因素　有关。布置在地表的测点在水平方向都指向最大下　沉值点，而不是采空区中心。　（２）采空区覆岩在水流反复冲洗的条件下，　很大程度上促进了上覆岩层“竖三带”的形成，从　（上接第６２页）　加固，巷道底部采用反底拱施工技术，才能够有效　地控制住巷道变形、开裂、底鼓等常见问题，进而　提高了锚杆、锚索的支护效果及围岩体自身的承载　能力，也提高了巷道支护结构的整体性和承载能力。　试验结果验证了这一特征，证明是千米深井巷道修　低于１００ｋＮ，各个锚索的预紧力应尽量保持一致。　３应用效果及经济效益　通过综合巷修技术措施的应用，较好地解决了　该巷道变形严重、危及行人安全等技术难题。工业　试验长度为２８０ｍ，长远经济效益十分显著，施工　后由于该巷道周围岩石受力均匀，经过近两年的观　复治理的一条有效途径，为类似条件下矿井巷道修　复技术的推广提供借鉴经验。　【参考文献】　［１］　徐永圻，姜志方．煤矿开采学［Ｍ］．徐州：中国　矿业大学出版社，２００９．　测，没有再发现巷道开裂、变形、底鼓等现象，达　到了巷道修复目的。　４结论　［２］　谭云亮，吴士良，尹增德，等．矿山压力与岩层　在千米深井进行巷道修复采用单一锚杆支护进　行修复，是不能有效地发挥锚杆的主要支护作用，　难以控制围岩变形。只有利用顶帮部采用注浆锚索　控制［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２００８．　［３］　社计平，汪理全．煤矿特殊开采方法［Ｍ］．徐州：　中国矿业大学出版社，２００３，