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軟弱風(fēng)化復(fù)合頂板采動破壞規(guī)律與安全開采分析

文檔作者：楊偉峰，隋旺華，夏筱紅文檔來源：中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月28日
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第17卷第5期
2008年5月
中 國 礦 業(yè)
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．17，No．5
M av 2008
軟弱風(fēng)化復(fù)合頂板采動破壞規(guī)律與安全開采分析
楊偉峰，隋旺華，夏筱紅
(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221016)
摘 要：首先分析了研究區(qū)煤礦山西組煤層剖面和水文地質(zhì)特征，針對軟弱風(fēng)化復(fù)合結(jié)構(gòu)覆巖的工
程地質(zhì)特征，采用工程地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的綜合研究方法，分析了煤層開采覆巖
破壞規(guī)律與地表移動變形特征，計(jì)算了不同煤層采厚垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，對煤層安全開采
影響程度進(jìn)行了評價(jià)，針對性地提出了相應(yīng)的防治水措施，并經(jīng)過開采驗(yàn)證，避免了水害發(fā)生。
關(guān)鍵詞：采動破壞；安全開采；工程地質(zhì)力學(xué)模型
中圖分類號：TD325／TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—4051(2008)05—0061—03
Analysis of the m ining failure regularity and safety mining of
the weak and weathered com posite roof
YANG W ei—feng， SU I W ang—hua， XIA Xiao—hong
(School of Resources and Geoscience，China University of
M ining and Technology，Xuzhou 221016，China)
Abstract：Firstly，the Shanxi formation coal seam sections and hydrogeological features were analysed
in research coal field．Based on the engineering geological characteristics of the compositely structured over—
burden with weakness and weathering，the failure of the overburden and ground movement and deformation
during coal mining were characterized by applying comprehensive research method combining engineering
geological mechanical model test and finite element numerical simulation．The development height of caving
zone and water flowing fractured zone of difference thickness of coal seam were calculated．The influence de—
gree of coal layer safety mining was assessed． The appropriate measures on prevention and cure of water
were submitted purposefully，which has been confirmed by the field tests and assured that no water-intru—
sion hazard or sand rush would occur．
Key words：mining failure；safety m ining；engineering geological mechanical model
許多煤礦煤層頂板由風(fēng)化裂隙砂巖、頁巖、泥
巖和煤系共同構(gòu)成，上覆厚松散層則由第四系和新
近系松散層組成，其中往往含有一定厚度砂層、礫
石層或砂礫互層，當(dāng)其厚度較大并且富水性較好
時(shí)，常構(gòu)成含水豐富的含水層。如果這些含水層位
于覆蓋層底部，并且受煤層采動破壞后的導(dǎo)水裂隙
帶所波及時(shí)，則面臨著突水涌砂的危險(xiǎn)。軟弱風(fēng)化
復(fù)合結(jié)構(gòu)覆巖的工程地質(zhì)性質(zhì)和變形破壞特性不
同，可能成為煤礦開采水害預(yù)防和地表塌陷離層注
漿治理的有利條件，也可能會對開采造成安全問
收稿日期：2008-01—21
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40372123)
作者筒介：楊偉峰(1974一)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，博士
研究生。
題I1 ]。因此，研究水體下采煤覆巖破壞規(guī)律及科
學(xué)合理地設(shè)計(jì)開采上限，預(yù)防水砂突涌和最大限度
提高煤炭資源回采率，對保護(hù)礦工生命安全和緩解
能源緊張具有重大的意義。
1 研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件
研究區(qū)位于鄂爾多斯與山西地臺的過渡地帶，
區(qū)內(nèi)地層單斜，傾向西一南西，構(gòu)造變形很微弱[4]，
斷層不發(fā)育，斷距一般不超過2m，褶曲以寬緩的
小褶曲為主，僅有研究區(qū)北部作為邊界的聚財(cái)塔斷
裂為較大斷層，總體構(gòu)造類型為簡單類。地貌為典
型的梁、峁?fàn)铧S土丘陵，堆積地形主要發(fā)育在橫穿
礦區(qū)的三川河河谷及較大的溝谷中，為沖積、洪積
堆積。
研究區(qū)煤礦二疊系中統(tǒng)山西組(P。S)由K。砂
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62 中國礦業(yè) 第17卷
巖底界至K 砂巖底界，平均厚40．30m，巖性由灰
白色、深灰色砂巖、黑灰色泥巖及煤層組成。巖石
豐度為砂巖3l_94 ，泥質(zhì)巖58．64 ，含3～5層
可采及局部可采煤層，總厚度一般為4～8m。本組
為以陸源碎屑沉積為主的含煤沉積，其中4 (3
+4 )煤層為井田穩(wěn)定可采的主要煤層，分布于
本組的下部，煤厚變化有明顯的規(guī)律性，總的趨勢
是由北向南從厚煤層變?yōu)橹泻衩簩又帘∶簩樱敯?
為泥巖、砂質(zhì)泥巖、中一細(xì)砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖
和粗碎屑巖。
井田位于柳林泉域西北部，區(qū)內(nèi)山西組4煤層
頂板主要含水層情況為：①二疊系中統(tǒng)山西組砂巖
裂隙承壓含水層組，含水層由K。及S?！玈 等砂巖
組成，巖性為細(xì)～粗粒砂巖，厚度變化大，裂隙不
發(fā)育，鉆孑L回次水位及沖洗液消耗量均無明顯變
化，抽水試驗(yàn)單位涌水量0．00285～0．035 L／s·
m，表明本組富水性弱；②二疊系石盒子組砂巖裂
隙承壓含水層組，由長石石英砂巖、石英砂巖、粉
砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，其中K 砂巖較穩(wěn)定，
平均厚5．39m，砂巖裂隙較發(fā)育，但開啟性差，且
多被方解石脈充填，受補(bǔ)給條件限制，本組富水性
弱； 基巖風(fēng)化帶裂隙含水層，為不同時(shí)代的基巖
與第四系接觸帶，巖性破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育，鉆孑L
抽水，靜止水位標(biāo)高857．85m，Q =0．260L／s，S
=72．32m 時(shí)，q一0．036L／s·m，K 一0．0068m／
d，水質(zhì)屬HCO。·C1一K·Na型水，屬弱富水性含
水層；④第四系沖洪積孑L隙含水層，由砂、砂礫層
組成，易接受大氣降水和河流入滲補(bǔ)給。
另外，井田內(nèi)第四系底部與下伏基巖風(fēng)化帶，
含水層之間分布有4m 以上的粘土隔水層，阻隔了
第四系與基巖各含水層間的垂向水力聯(lián)系。
2 覆巖破壞高度分析
2．1 工程地質(zhì)力學(xué)模型
2．1．1 模型的設(shè)計(jì)
根據(jù)一定的相似原理，對特定工程地質(zhì)問題進(jìn)
行縮尺研究，建立工程地質(zhì)力學(xué)模型 ]，工程地質(zhì)
力學(xué)模型不同于一般相似材料模型，其特點(diǎn)是采用
與實(shí)際巖土層密度相同的材料制作模型，并且模擬
巖體的實(shí)際結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)，按照相似關(guān)系和實(shí)際
工程地質(zhì)類型的性質(zhì)按比例制作，層厚依據(jù)實(shí)際巖
層厚度按比例確定，塊體大小按巖體完整性(采用
巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD)確定。本模型以研究區(qū)煤礦
14101工作面為原型，其主采煤層為二疊系山西組
4 煤，煤層埋深177m～210m，平均厚度4．4m，
地層傾角為3～15。，開切眼附近傾角較大，為5～
15。。地面標(biāo)高+41m左右，工作面標(biāo)高一136m~
一169m，模擬時(shí)取一148．2m， 因此煤層上覆巖
(土)層的總厚度為189．2m，其中巖層厚度40m，
第四系土層厚度149．2m。工作面的走向長度
535m，傾斜長度60～ 150m。模型的具體參數(shù)如
表1。
表1 工程地質(zhì)力學(xué)模型的參數(shù)
2．1．2 模型開采
煤層在開挖過程中，模型左右兩側(cè)分別留設(shè)
80m 和50m 的邊界煤柱，以消除邊界效應(yīng)。從右
部邊界煤柱50m處開切眼，在開挖過程中，以5m
為開挖單位，開挖的時(shí)間間隔為30min，模型每開
挖一次記錄一組數(shù)據(jù)，開采長度為120m。覆巖變
形運(yùn)動破壞規(guī)律的觀測，采用傳感器采集位移和應(yīng)
力數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)處理的方式，同時(shí)用數(shù)碼相機(jī)拍攝
破壞過程圖片，兩者結(jié)合分析。
2．1．3 采空區(qū)巖體豎向破壞特征
煤層開采后，在采空區(qū)上方形成垮落帶、裂隙
帶與彎沉帶。當(dāng)煤層采厚3．3m，采長120m 時(shí)，
覆巖垮落高度達(dá)6cm (相當(dāng)于實(shí)際巖層高度12m)，
垮落帶破壞巖塊大小不一，無一定規(guī)則，當(dāng)老頂垮
落后，其下沉量較大，為3．0m，這是由于模擬巖
體整體垮落造成的；裂隙帶沿層面產(chǎn)生許多裂隙，
且裂隙隨著工作面的推進(jìn)越來越發(fā)育，在不同巖性
的接觸面上，裂縫較多且連通性好；此時(shí)，導(dǎo)水裂
隙帶高度達(dá)38m，局部貫通基巖面，開始不同程度
的觸及松散層底部含水層，并且底部粘土層出現(xiàn)裂
隙；彎沉帶巖土層發(fā)生整體移動，層內(nèi)產(chǎn)生較小、
數(shù)量較少的裂縫，連通性不好。當(dāng)煤層采厚4．4m
時(shí)，覆巖垮落帶和裂隙帶高度分別為16．0m 和
49．0m 。
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第5期 楊偉峰等：軟弱風(fēng)化復(fù)合頂板采動破壞規(guī)律與安全開采分析 63
2．1．4 地表移動規(guī)律
實(shí)驗(yàn)開采煤層厚為4．4m。煤層采出后，上覆
巖層從采空區(qū)頂板開始，由下而上依次以垮落、斷
裂、離層、彎曲的形式移動。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為
75m時(shí)，這種移動開始波及到地表，引起地表下
沉并逐漸形成移動盆地。在開采初期，地表最大下
沉量僅為0．32m，隨著工作面的繼續(xù)向前推進(jìn)，下
沉量也逐漸增大；頂板垮落時(shí)，地表最大下沉量為
1．64m；采煤結(jié)束后，地表最大下沉量為2．76m；
此時(shí)地表移動并不能立刻停止，還要繼續(xù)一些時(shí)
間，最終地表最大下沉量達(dá)到3．05m，地表下沉形
成一個(gè)洼地，即地表移動盆地，盆地最大下沉值出
現(xiàn)在頂板整體塌落的正上方， 由盆地最大值處至盆
地邊緣下沉值逐漸減少。
2．2 數(shù)值模擬
為便于與工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相比較，且互
為補(bǔ)充，建立采動覆巖破壞的有限元計(jì)算模型，模
擬的條件與工程地質(zhì)力學(xué)模型模擬條件相同。
數(shù)值模擬法基于應(yīng)力或強(qiáng)度比較的方法，通過
計(jì)算得出的各巖層應(yīng)力分布情況，與各巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)
度進(jìn)行比較，根據(jù)應(yīng)力判別法，以拉張破壞區(qū)和拉
張裂隙區(qū)的上界限確定導(dǎo)水裂高，在垮落帶內(nèi)巖體
處于低拉壓應(yīng)力區(qū)；采動裂隙帶巖層處于塑性破壞
狀態(tài)，采動裂隙發(fā)育，但基本上保持原有的連續(xù)
性；采動裂隙帶貫通風(fēng)化基巖面，巖層基本遭破
壞，采動斷裂發(fā)育充分，導(dǎo)水?dāng)嗔褞г诖税l(fā)展最
高，計(jì)算得到垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度，通過數(shù)值
計(jì)算結(jié)果，得到不同采高情況下垮落帶和導(dǎo)水裂隙
帶高度分布，如表2所示。．
表2 數(shù)值模擬法計(jì)算14101工作面覆巖破壞高度
2．3 覆巖破壞高度的確定
根據(jù)以上兩種方法，并結(jié)合國家煤炭工業(yè)局
《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采
規(guī)程》(2000)，綜合確定了覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙
帶高度(表3)。
3 安全開采分析
研究區(qū)煤礦14101工作面4 煤層覆巖，由風(fēng)
化裂隙砂巖、泥巖和煤系構(gòu)成，直接頂為粉砂巖、
泥巖互層，裂隙發(fā)育，屬于典型的軟弱風(fēng)化復(fù)合結(jié)
構(gòu)類型。由模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，
煤層開采時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度約為煤厚的10～12
倍，即使在近風(fēng)氧化帶覆巖為軟弱的巖性時(shí)也達(dá)到
6～9倍。因此，研究區(qū)煤礦4 煤層采厚超過
3．3m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度將貫通基巖面，會不同
程度觸及松散層底部含水層，并且底部粘土層出現(xiàn)
裂隙，井田回采時(shí)存在著涌水涌砂的可能性，需要
采取一定的防治水措施，適宜選擇小采面、分層開
采的方法，局部嚴(yán)格限制開采厚度。
表3 14101工作面覆巖破壞高度
上覆厚松散層由第四系和新近系松散層組成，
其中有鉆孔揭露表土層底部出現(xiàn)累計(jì)達(dá)11．OOm 的
粗礫層，這種含有一定厚度的砂層、礫石層或砂礫
互層，可能含水較豐富，且距離4 煤僅73．14m，
略高于導(dǎo)水裂隙帶高度，可能會給采掘造成一定影
響，采掘前應(yīng)加強(qiáng)探查。
當(dāng)工作面存在仰采條件時(shí)(特別是在切眼附
近)，由于采空積水可能自流排出，而淹沒工作面，
應(yīng)注意完善工作面防排水系統(tǒng)。
即使在基巖厚度較大時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)對斷層的分
析，因?yàn)樵谏鲜凶咏M地層中，有些鉆孔中有中砂
巖甚至含礫砂巖，是較為富水的含水層，應(yīng)預(yù)防斷
層導(dǎo)水或斷層受采動影響活化后，對工作面充水的
影響。
4 結(jié)論
(1)根據(jù)工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬
和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，煤層采厚4．4m時(shí)，14101工作
面覆巖破壞最大垮落帶高度16．4m，最大導(dǎo)水裂隙
帶高度49．Om。不考慮回采率， 冒采比與裂采比分
別為3．73和11．14，建議工作面導(dǎo)水裂隙帶取煤
厚的9～12倍，近切眼處小些，近收作線處大些，
覆巖為中硬巖層時(shí)低些，覆巖為堅(jiān)硬巖層時(shí)高些。
(2)綜合考慮14101工作面不同采煤方法與
煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度之間的關(guān)系，可以
看出，采厚大于3．3m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度會不同
程度觸及第四系底部含水層，并且底部粘土層出現(xiàn)
裂隙。為保證安全開采，采掘工作中應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工
【下轉(zhuǎn)第67頁)
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第5期 楊英杰等：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在選礦中的應(yīng)用 67
表2 K、P 參數(shù)的值
點(diǎn)的實(shí)際回收率、取樣時(shí)間以及回收率仿真值、仿
真時(shí)間繪圖，得到的仿真結(jié)果如圖6所示，并作誤
差分析(表3)。
l00
9O
80
70
6o
墼50
叵4o
3O
20
1O
O
0 100 2o0 300 400 500 600 700 800
分批浮選時(shí)間，s
表3 浮選時(shí)間3min以后最大誤差分析
3 結(jié)論
(1)分批磨礦試驗(yàn)的仿真結(jié)果，符合分批磨
礦過程的客觀規(guī)律，通過分批磨礦一200目的累計(jì)
產(chǎn)率曲線，可以確定最佳分批磨礦時(shí)間。
(2)分批浮選仿真試驗(yàn)回收率的仿真值與試
驗(yàn)值較為吻合。浮選時(shí)間3min以后，回收率仿真
值與試驗(yàn)值絕對誤差最大值為0．896 ，相對誤差
最大值為0．712 。
由此可見，結(jié)合選礦過程中的通用數(shù)學(xué)模型，
利用MATLAB／Simulink軟件，可以方便、有效
地進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。在選礦廠的優(yōu)化控制方面，
MATLAB／Simulink計(jì)算機(jī)仿真具有良好的發(fā)展前
圈6 分批浮選試驗(yàn)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較 景。
從表3可知， 當(dāng)分批浮選時(shí)間超過3min后，
五組試驗(yàn)中回收率仿真值與實(shí)際值的絕對誤差、相
對誤差絕對值的最大值分別是0．712 、0．896 。
仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，論證了模型的實(shí)用
性以及利用Simulink進(jìn)行浮選過程建模與仿真的
有效性。
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米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米親米米米米米米米米米米米米米米米米
(上接第63頁)
作面，適當(dāng)縮小工作面采寬，局部嚴(yán)格限制開采厚
度，加大生產(chǎn)循環(huán)，減少采面應(yīng)力影響，為回采工
作面正常生產(chǎn)創(chuàng)造條件。 _
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