断层活化扰动围岩变形规律.pdf
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1、断层区域顶板岩石较为破碎,连续性、完整性差,工作面过断层期间矿山压力显现严重,严重影响工作面安全生产 以邹庄煤矿 工作面为工程背景,通过相似模拟试验分析,对过断层期间的工作面顶板垮落形态、围岩变形规律、断层区域顶板滑移情况进行分析 得到如下结论:工作面推进至断层区域时,直接顶上方顶板整体沿断层面有一定滑移;断层区未放出的煤对顶板有支撑作用,减小了对顶板的活化作用;断层滑移影响范围主要是距煤层 的直接顶和老顶,上下盘最大滑移量为 ,距煤层 以上的顶板范围没有明显滑移变形关键词:正断层;开采扰动;围岩变形;断层滑移中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:,:;新型能源的发展和利用仍
2、在探索阶段,作为全球最大的煤炭消费国,煤炭对我国经济发展仍起着支撑作用,对于维护我国社会稳定和促进国民经济又好又快可持续发展有着特殊重要的意义收稿日期:基金项目:安徽省高校自然科学研究项目资助();安徽理工大学人才引进研究启动基金资助项目();国家自然科学青年基金资助项目();国家自然科学基金面上资助项目();安徽省重点研究开发项目资助()通信作者,:矿业工程研究 年第 卷在工作面开采过程中,往往会遇到许多复杂的地质构造,例如断层构造 由于断层区域顶板较为破碎,且破坏顶板的连续性,导致顶板应力分布不规律,使顶板支护变得十分困难,并且大大增加顶板事故的发生概率,给工作面的安全开采带来很大影响 同
3、时,在断层附近区域,通常存在极高的水平构造应力,断层附近采场受到构造应力作用明显,且断层附近煤岩体内将会储存大量弹性应变能 孟召平等 通过观测正断层附近煤岩体显微裂隙、孔隙的状态,揭示正断层对煤岩体物理力学性质的影响;孙玉宁等 认为断层的存在可改变巷道顶板冒落的一般规律,容易引起工作面的冒顶和突然来压;杨磊等 认为,在断层附近煤岩体比远离断层面而未受断层影响处的煤岩体的抗压强度和转磨强度平均降低 左右;姜耀东等 结合数值模拟对断层位置处的应力和内能变化规律进行研究本文针对邹庄煤矿大采高综放工作面采矿地质条件,以 工作面 断层为工程背景,围绕工作面过断层期间矿压显现规律展开研究,研究结果可对指导
4、 工作面过断层期间安全开采提供理论依据 试验过程 试验设备本次相似模拟试验采用平面模型实验台(如图 所示)进行模型铺设开挖试验,使用 高速静态应变仪(如图 所示)记录埋设压力盒数据在开采过程中的变化,采用数字摄影测量技术观测位移变化,使用 软件进行分析图 平面模型试验装置图 高速静态应变仪 工作面 断层为正断层,断层走向 ,倾角 ,最大落差 ,煤层顶底板均为粉砂岩,煤层厚度 ,采煤机割煤高度 ,放煤高度 工作面煤层直接顶为 的粉砂岩,直接底为 细砂岩,开采采用直接破岩的方法,上盘开采至断层面时,向上倾斜 直接破岩直至下盘煤层本次试验模拟采深为 ,模型铺设自煤层底板 煤层 顶板总厚 的岩层,煤层
5、厚 模拟巷道断面为矩形,宽 ,高 ,断面面积为 取模型几何相似比:式中:,为相似模拟试验模型的长度和高度;,为现场模拟范围的长度和高度容重相似系数:式中:,分别为模型和现场岩石的容重弹性模量相似系数:采用气动装置加载,模型参数见表 第 期江山山,等:断层活化扰动围岩变形规律表 模型参数模型比例尺模型厚度 模型宽 模型高 时间系数容重系数力学相似系数 槡 本次试验模型选择的相似材料:骨料为普通细粒河砂(粒径小于 ),胶结材料为石膏、水泥、碳酸钙,分层材料为云母粉 对于煤,由于容重小,加进适量的锯末以减少相似材料的容重相似材料的配比试验是相似材料模拟试验的基础工作 经过反复试验,调整材料组成的比例
6、,以达到力学相似的要求 具体围岩的力学参数见表 表 相似材料力学参数岩性名称模型 原型 弹性模量 泊松比粉砂岩 细砂岩 砂质泥岩 中砂岩 泥岩 石灰岩 砂质泥岩 中砂岩 粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 煤层 粉砂岩 铺设的相似模型如图 所示 模型在铺设时,遵循先铺下盘再铺上盘的原则,掌握好断层落差高度,在模型架后面挂一条模拟断层倾向的线,沿线断开,下盘比上盘高 自煤层底板开始,逐层称取相似材料,干拌均匀后,加水拌匀,倒入模型架,铺平锤实 先铺设下盘岩层,铺设好后,在断层面撒上云母粉,模拟断层结构面,下盘制作好后再铺设上盘岩层 每层铺好后,在层面上撒上云母粉,模拟层理间结构面,再依次铺设上层岩层图 相似
7、模拟试验模型 测点布置试验中,压力盒、测点布置如图 所示 根据模型尺寸,水平方向共设置 条观测线,分别对准上盘、下盘监测的关键层位,分别为煤层顶板的粉砂岩、细砂岩、中砂岩以及砂质泥岩,层中间隔高度为距煤层顶板,垂直方向每隔 设置 条竖直观测线,观测上覆岩层垮落情况,在断层线两侧 位置布置 条断层位移监测线,检测断层上下盘的滑移变形 在煤层顶板中埋设压力盒,通过压力盒的应变量来反映煤层支承压力变化情况,压力盒的位置在距煤层顶板 处,下 号 下 号压力盒距断层线 ,下 号压力盒距测点 ,上 号 上 号测点距煤层顶板 矿业工程研究 年第 卷图 测点布置 开挖过程中岩层运移变化上盘煤层开挖至断层面以及
8、过断层区域的岩层运移模型图如图 和图 所示 开挖时,定点拍摄记录上覆岩层的运移变化规律,每次开挖 (对应现场比例每次开挖 )模型开挖从煤层的上盘开采至断层面,由图 可以看出:初始状态的煤层顶板和断层面没有移动,处于原始界面形态;随着工作面向前推进,顶板开始出现微小的裂隙 工作面推进至断层面时,改变采高为 ,倾角为 ,从煤层的上盘开采至断层面 由图 可以看出:初始状态的煤层顶板和断层面没有移动,处于原始界面;随着工作面向前推进,顶板开始出现微小的裂隙图 开挖至断层面图 开挖过断层区域岩石断面由于是从煤层上盘向煤层下盘过渡,断层下盘顶板岩石处于靠近断层的活化带,从图 可以看出:工作面顶板推进至断层
9、面时,直接顶出现垮落,直接顶上方的老顶出现裂隙,裂隙发育至断层面截止,说明断层带对于煤层上方顶板的裂隙形成和发育有一定影响图 为上盘煤层开挖至下盘煤层的模型图和云图 从图 可以看出:工作面过渡区开采时,顶板裂隙进一步发育,过渡区遗留的煤层随采随垮,上盘煤层老顶裂隙扩大,出现明显的离层现象,断层区垮落的煤体和岩体对上盘煤层直接顶断裂部分有一定的支撑作用,顶板有明显的下沉,但不是完全接底,形成一个类似砌体梁式的结构,说明断层上盘顶板在失去液压支架支撑后,有较为明显的下沉,但不是随采随垮 由图 也可以看出:工作面推进后顶板有一定的下沉,云图颜色加深,顶板下沉量变大图 为工作面过渡至下盘煤层时出现的半
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