采空區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律相似材料模擬研究

采空區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律相似材料模擬研究

1模型觀察和模型開(kāi)挖類似材料模型驗(yàn)證方法的實(shí)質(zhì)是，將與原型物理力學(xué)性質(zhì)相似的人工材料縮制成模型。當(dāng)模型保證初始狀態(tài)和邊界條件相似時(shí)，通過(guò)模擬挖模型，觀察和觀察模型采樣空間中的地表運(yùn)動(dòng)規(guī)律、垂直三帶的發(fā)育特征和裂縫發(fā)育特征，然后以相似常數(shù)將觀測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)卦汀?實(shí)驗(yàn)總結(jié)2.1細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖層厚度實(shí)驗(yàn)以山西省霍州礦務(wù)局辛置煤礦2204采掘工作面的地質(zhì)采礦條件為背景設(shè)計(jì)物理模型。據(jù)鉆孔資料,該工作面覆巖厚度為201.17m,其中黃土層厚為75.62m,占總厚的37.6%;中、細(xì)砂巖為42.87m,占總厚的21.3%;泥巖、泥質(zhì)砂巖為82.68m,占總厚的41.1%.所采2號(hào)煤層平均厚度3.59m,傾角2°~7°,偽頂厚0.02~0.15m,由黑色泥巖及砂質(zhì)泥巖組成;直接頂為黑色泥巖,厚2.0m;老頂為K8中粒白色砂巖,厚10.03m.工作面以走向長(zhǎng)壁式布置,走向長(zhǎng)560m,頂板全部垮落回采,每晝夜平均推進(jìn)度為1.48~2.13m.2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)選用的幾何常數(shù)al=100,容重相似常數(shù)ar=1.5,則應(yīng)力相似常數(shù)aб=100×1.5=150.根據(jù)辛置煤礦的地層條件和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的尺寸,采用3m×3m的平面相似模擬實(shí)驗(yàn)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模型設(shè)計(jì)高度2.01m,長(zhǎng)3m,寬0.2m.相似材料以石英砂、河砂、云母做骨料,以石灰、石膏、滑石粉做膠料,硼砂做緩凝劑。煤層開(kāi)采寬度為2.8m,采用走向長(zhǎng)壁全陷法開(kāi)采。表1是根據(jù)原型得出的模型巖石力學(xué)性質(zhì)和相似材料的配比。2.3測(cè)量點(diǎn)的配置2.3.1全站儀測(cè)位移觀測(cè)法實(shí)驗(yàn)在上覆巖層上共布置有7行147個(gè)觀測(cè)點(diǎn),用來(lái)觀測(cè)上覆巖層移動(dòng)情況。從上到下第一排距開(kāi)采層193cm,用來(lái)觀測(cè)地表的下沉量;第二、三排距開(kāi)采層分別為183cm,153cm,用來(lái)觀測(cè)彎沉帶的下沉量;第四、五排距開(kāi)采層分別為137cm,95cm,用來(lái)觀測(cè)裂隙帶的下沉量;第六、七排距開(kāi)采層分別為35cm,20cm,用來(lái)觀測(cè)冒落帶的下沉量。位移觀測(cè)采用的是DTM-501系列全站儀,該方法操作簡(jiǎn)單,測(cè)角、測(cè)距精度高,其測(cè)角精度為1″,測(cè)距精度為(2±2)×10-3mm,測(cè)程3600m;反應(yīng)快,精確測(cè)距僅需1.0s,跟蹤測(cè)距為0.5s;存儲(chǔ)功能強(qiáng),有8000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)存,有方便強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理,存儲(chǔ)在文件中的數(shù)據(jù)能很容易的讀取、編輯、刪除、輸入或直接在儀器中搜索。2.3.2上下游流域地表應(yīng)力變化布置有38個(gè)測(cè)力計(jì),分四層埋入地層中,自上而下距開(kāi)采層分別為163cm,115cm,87cm,37cm,用來(lái)觀測(cè)地表、采動(dòng)區(qū)的地層應(yīng)力變化情況。3結(jié)果分析3.1采煤結(jié)束后地表移動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)開(kāi)采煤層厚為4m.煤層采出后,上覆巖層從采空區(qū)頂板開(kāi)始,由下而上依次以冒落、斷裂、離層、彎曲的形式移動(dòng)。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為72m時(shí),這種移動(dòng)開(kāi)始波及到地表,引起地表下沉并逐漸形成移動(dòng)盆地。在開(kāi)采初期,地表最大下沉量?jī)H為1.6mm,隨著工作面的繼續(xù)向前推進(jìn),下沉量也逐漸增大;頂板跨落時(shí),地表最大下沉量為0.8cm;采煤結(jié)束后,地表最大下沉量為3.0cm;此時(shí)地表移動(dòng)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3.2cm.圖1是采煤結(jié)束后地表移動(dòng)的下沉曲線,可見(jiàn),地表下沉形成一個(gè)洼地,即地表移動(dòng)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。圖2為采煤結(jié)束后地表的曲率變形圖,圖3為采煤結(jié)束后地表移動(dòng)的傾斜與水平變形圖?？梢?jiàn),最大正傾斜值、曲率值、正水平值并未出現(xiàn)盆地最底處,而是在其左側(cè)30~40m之間,最大負(fù)曲率值在其右側(cè)20m處,最大負(fù)傾斜值在其右側(cè)140m處。3.2模擬巖體整體跨落法煤層開(kāi)采后,在采空區(qū)上方形成冒落帶、裂隙帶與彎沉帶。三帶高度分別為45m,72m,76m.冒落帶破壞巖塊大小不一,無(wú)一定規(guī)則,當(dāng)老頂跨落后,其下沉量較大,為3.61cm,這是由于模擬巖體整體跨落造成的;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(lái)越發(fā)育,在不同巖性的接觸面上,裂縫較多且連通性好;彎沉帶巖層發(fā)生整體移動(dòng),巖層內(nèi)產(chǎn)生較小、數(shù)量較少的裂縫,連通性不好。圖4為各帶巖體碎脹系數(shù)與工作面推進(jìn)距離L的變化曲線,表明各帶巖體碎脹系數(shù)隨著工作面的推進(jìn)而不斷的增大,當(dāng)工作面推進(jìn)到L=228m時(shí),各帶巖體碎脹系數(shù)達(dá)到最大值,分別為:1.02,1.01,1.01.3.3采動(dòng)損傷擴(kuò)展角圖5至圖8為采動(dòng)巖體移動(dòng)和裂隙發(fā)育情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖3可看出,隨著工作面L的推進(jìn),巖體裂隙自下而上逐步發(fā)展,對(duì)應(yīng)于不同的工作面推進(jìn)距離L形成不同的裂隙網(wǎng)絡(luò)分布。當(dāng)工作面推進(jìn)L達(dá)到一定距離時(shí),在采動(dòng)應(yīng)力作用下首先在強(qiáng)度較低的層面開(kāi)裂,左右兩側(cè)的裂隙以層間開(kāi)裂為中段,分別向采空區(qū)內(nèi)側(cè)和外側(cè)擴(kuò)展,形成“S”形斷裂對(duì),實(shí)驗(yàn)測(cè)得采動(dòng)裂紋擴(kuò)展角在50°~65°之間。隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn),在前一工作面推進(jìn)距離條件下的采動(dòng)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)上又疊加了后一工作面推進(jìn)距離條件下的采動(dòng)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò),從而使采動(dòng)巖體裂隙分布更趨復(fù)雜,不僅有新的裂隙相繼產(chǎn)生,而且原有的一些裂隙又發(fā)生了一系列的變化:即擴(kuò)展、閉合和張開(kāi)。4工作面推進(jìn)距離1)工作面推進(jìn)72m時(shí),地表下沉并逐漸形成移動(dòng)盆地。采煤結(jié)束后,盆地最大下沉值3.0m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)煤層開(kāi)采后,冒落帶、裂隙帶、彎曲帶三帶形成,其高度分別為:45m,72m,76m.三帶巖體碎脹系數(shù)隨工作面推進(jìn)距離而不斷增大,其最大值分別為:1.02,1.01,1.01.3)隨著工作面的推進(jìn),巖體裂