《采煤工作面采动裂隙带的确定方法》

矿山科技采煤工作面采动裂隙带的确定方法＋贾剑青王宏图唐建新（重庆火学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点裳验室·重庆４０００４４）黎要在上郝采空嚣欷承鹃｛ｉ孽涎下，研究保护煤桂懿窝波以及下部袋空区采凄袭猿带豹燕鬻，是预防下部工作礅突水事故的主要举措。

举文采用相似模拟实验、地质雷达探测以及３Ｄ一８有限元程序分析棚结合，对铁山南煤矿１１２回采工作强采动裂隙带的影响范围加以研究，以防止上下采空区裂隙导通纛产生突零泰敖，确缳煤矿安全生产。

关键词采动裂隙带相似模拟裳验地质嚣：达３Ｄ一８中圈分类峰ＴＤ８２１文献标识粥Ｂ文章编号１００４—４０５１（２００４）１１—００４５—０３ＴＨＥＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩｏＮＯＦＴＨＥＣＲＡＣＫＥＤＦＩＥＬＤＯＮＣｏＡＬＦＡＣＥＪｉａＪｉａｎｑｉｎｇＷａｎｇＨｏｎｇｔｕＴａｎｇＪｉａｎｘｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ‘Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅａｍｐｌｅｃｏａｌ’ｓｗｉｄｔｈａｎｄｔｈｅｃｒａｃｋｅｄｆｉｅｌｄｏｆｌｏｗｅｒｍｉｎｅｄ－ｏｕｔｓｐａｃｅｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｓｕｒｅｔｏｐｒｅｖｅｎｔｌｏｗｅｒｃｏａｌｆａｃｅｆｒｏｍｈｅａｖｙｗａｔｅｒｗｗｈｅｎｔｈｅｒｅｉｓｗａｔｅｒｉｎｔｈｅａｂｏｖｅｍｉｎｅｄ－ＯＵｔｓｐａｃｅ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｓｅｍｂｌｅｍｏｄｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒａｎｄ３Ｄ一艿ｌｉｍｉｔｅｄｐｒｏｇｒａｍｔＯｓｔｕｄｙｔｈｅｃｒａｃｋｅｄｆｉｄｄｏｆ１１２ｃｏａｌｆａｃｅｏｆＴｉｅｓｈａｎ－ｎａｎｍｉｎｅｉｎｏｒｄｅｒｔＯａｖｏｉｄｈｅａｖｙｗａｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｒａｃｋ，Ｒｅｓｅｍｂｌｅｍｏｄｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒ，３Ｄ一艿１引言防水煤柱的留设蹩煤矿安全管理的重要内容之一，其留设宽度涉及因素较多，如上覆覆岩的水文她质、工程地质、地层结构、煤层倾角等。

在不同的条件下，如何留设防水煤柱、用什么方法计算防水煤柱的宽度是目前仍在探讨的课题。

目前研究防水煤柱宽度的方法主要有实验塞研究翻理论分析研究。

西德糍石力学专家米勒教授认为：对任何一项大规模的地下岩体工程，单一的使用某一种方法都是不全蘧黪，可靠性较低。

只有将多种方法结合起来。

发挥各自的长处。

才能经济可靠地保证工程蕨蹩。

本文将采用相似模拟实验、地质雷达探测和３Ｄ一鑫有限元程彦分析穗缝合的方法，综合分析铁山南煤矿１１２回采工作面的裂隙发育情况，为合理留设防水煤柱提供新的方法。

２铁由鬻煤矿豹地震条律铁山南煤矿煤滕采深２５０～３８０ｍ，煤层倾角ａ＝３２’～５０。

采高１．１～１．５ｍ。

采煤方法主要为走向长壁法，顶板管理为全部陷落法。

Ｋ２ｌ煤层中的１１２麟采工作西怒一倾角为５０’，采离为１。

５ｍ的急倾斜中厚煤层硬顶软底走向长壁工作面，该面位于丰硐予老窑采空区之下。

在金盘子航电工程蓄水营运詹，丰诵子老窑采空区积水上标离达２７５ｍ；力防止１１２工作面的裂隙带尚丰硐子老窑采空区的采动裂隙带导通蔼造成工作露突承事故，器要对１１２工作蕊及老窑采空区的采动裂隙带的扩展范隧进行考察研究，从而留设安全经济的防水煤柱。

３檬似模拟实验３。

１模型设计根据研究内容及要求，本次实验做了两个平面应力模型【¨。

这两个摸型均采慝转体模型套，长宽高为１５０×３０×１２０（ｃｍ３）。

模型台一端设有一个转轴，可以农竖直平面内自由转动，从而保证了模拟强何倾角煤（岩）体的采掘。

３．２模型相似比根据相似理论、试验台规格以及模拟条件【２Ｊ，·国家蠢然辩学基金麓赢项嚣（５０３３４０６０）稚蘩庆市瘟餍基魂褥究硬茸炎翡采煤工作面采动鬟骧带的■定方法４５实验中３＃溜煤眼以北、以南倾斜剖面所采用的相似比如表１所示。

表１３８溜煤眼以北、以南倾斜剖面所采用的相似比相似比方向■而瓦—１匿矿—百而Ｆ—面（ａ１２Ｌｍ／～）（ａｒ２‰佴）（ａ。

２ｔｍ／ｔｐ）（砘＝８。

／８ｐ）（公式中：下标ｍ代表模型．丽Ｐ代表原型）３．３模型制模制模时，模型架子兼做模具，后表面用木板封闭，从前面逐层倒人搅拌均匀的相似材料。

相似材料的骨料为河沙，胶结物为石灰、石膏和高岭土，加水重为材料总重的９％。

相似材料的配比是根据相似比，将矿山原型煤（岩）体的强度换算成模型材料的强度来选取的。

模型的层理间加人适量的云母粉作为自然节理，每一分层内部也加入少量云母片，以形成随机节理、裂隙等弱面。

在模型建好后第７天，拆去模型前后挡板，测其含水率，待其与材料配比实验的含水率相同时，即进行开采。

３．４模型边界条件实验中模型台顶部至地表范围内的岩层自重采用杠杆加压法施加分布载荷；模型两侧是位移边界条件，只限制了水平方向的移动，底部也是位移边界条件，限制材料水平方向和垂直方向的位移。

３．５实验及测试在拆去模型前后挡板之后，即对模型施加分布载荷，１０小时后进行开采，开采时间长约６小时；然后立即布置测量网格和测点。

网格是用钢丝做成的１０×１０ｍｍ的正方形网格，其边可以用来测量各测点的相对坐标，各测点是用长约１３ｃｍ左右的钢丝做成，既可保证从钢丝上能比较准确的反应深部岩层的活动情况，又可减少测量误差。

在测点布置好后，立即对各测点进行了３次相对坐标测量，取平均值作为初始坐标值。

测量工作历时一个月，在开始的一周内，每天测量一次；接下来的十天里，每隔一天测量一次；以后每隔两天测量一次。

３＃溜煤眼以南的倾向剖面裂隙带扩展范围如图１所示。

从实验图中可以看出：①老窑采空区下边界的岩层断裂角为５。

，１１２采空区上边界岩层的断裂角为６５。

；②冒落带高度为６ｍ，是采高的４倍。

该带中岩层断裂的块度较小；③裂隙带高度为３４ｍ，是采高的２２．７倍，在该带内，岩层有明显的离层或４６断裂，且采动裂隙十分发育；④防水煤柱上的安全岩柱高度为２０ｍ，在该范围内的岩层没有离层和断裂情况，但也有少量的因采动而引起的矿压裂隙；⑤由于开采影响，在１１２采空区及老窑采空区的底板２０ｍ范围内也产生了矿压裂隙；⑥由采动引起的顶底板裂隙，大部分是沿倾斜方向分布的。

图１３８溜煤眼以南的倾向剖面裂隙带分布４地质雷达探测本次探测使用的仪器是ＫＤＬ～３型矿井防爆地质雷达；它由发射机、接收机、发射天线、接收天线、采样器及电源、笔记本电脑和系统软件组成。

该仪器探测深度大于６０ｍ，其特点是无伤探测，无需钻探等辅助工程；探测程度快，分辨率高［５｜。

４．１２０７风巷探测上下煤柱冒落裂隙影响高度为了查清采空区裂隙的影响范围，在２０７风巷向ｋ２】煤层前约１００ｍ，后１６０ｍ，每间隔２０ｍ向下探测采空区裂隙影响高度，共布置１３个测点；其中１＃～５＃测点以仰角０。

～１３０。

、间隔１０。

探测，探测角度共７０个。

６＃～１３＃测点的探测范围是从煤层上斜位置至下斜位置，即从仰角１３０。

至俯角４０９，间隔１０。

探测，其中俯角在４９。

～５１。

时，间隔１。

测点探测角度布置如图２所示。

（由于篇幅有限，仅以６＃测点为例，其它各点的布置与之相似）。

４．２地质雷达探测结果从图１中可以看出：上煤柱冒落裂隙带的影响主要分布于仰角１２０。

与１３０。

范围内。

裂隙带分布距２０７风巷斜距为４８．５８～５１．９２ｍ的范围内。

下煤柱冒落裂隙影响范围主要位于俯角２０。

探测线以下，距２０７风巷斜距约为２３．４０～２６．９５ｍ。

裂隙影响范围是：法向高度一般不大于２０．０ｍ，在１７．０ｍ以下裂隙比较密集，１７．０～２０．０ｍ有少量的裂隙，２０ｍ以上几乎没有裂隙。

下煤柱最高裂隙距２０７风巷的法向距离在８．０～１０．０ｍ之间，以此为据，下煤柱开采后其裂隙影响中啊矿业２００４年第１３卷第１１期带垂直２０ｍ左右，％上煤柱顶部的底板卸载裂隙带法向距离尚有１３．０～１６．０ｍ左右，敖装隙带不会直接导通。

鬻２６０煮赴地质重达探测角度布置瀚Ｓ３Ｄ一拶有限元数僚分析为了了解防承煤柱的受力及稳定性，在现场对煤层及顶底板采样后，对煤（耢）层的物理力学参数进行实验室测定，并拳ｌ用所测得的参数，用３Ｄ一口有限元程序对醣水煤柱的宽度在６０ｍ、７０ｍ、７５ｍ及８０ｍ四种情况下进行计算分析。

计算分析蹴了防水煤柱各节点的应力分（％，各，、屯，ｒ刚ｒ。

，‰）翻主应力（ａｌ，龟，％），从分析结果中取得４～５个具有代表性的点（备点的位置分布如图２麝示），囊Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｕｍｂ潦劂计算防水煤柱的稳定性【６＇７】。

其中煤的内聚力Ｃ＝３。

６３ＭＰａ，煤的内摩擦角谚＝２１。

计算结果如表３所示。

表３８０ｍ宽防水媒棱的应力值从有限嚣模拟分析计算中褥出：６０ｍ宽防水煤往的各测点应力值，不论垂直应力、水平应力还是剪应力，在防水煤柱以及顶底板附近都高度集中，剪应力也大大超过其抗剪强度，说骥６０ｍ防火煤柱已经完全破坏；７０ｍ宽防水煤柱只有在靠近采空区的测点的应力值超过其强度，煤柱中间点未破采攥Ｚ佟嚣莱戆鬟熬豢瓣囊定穷浚坏；７５ｍ宽防水煤桂各测点的应力使都小予其强度，理论上已经是稳定的；８０ｍ宽防水煤柱各测点的应力值是强度的１．２～１．５倍。

考虑到安全系数问题，牧采用８０ｍ防水煤桂。

６结语（１）相似模拟实验宏观地反映煤层开采过程中顶底援的变化过程以及上下采空区裂隙酶发育情提和扩展范围；（２）地质雷达探测更进一步探测裂隙发育情况，霹以弱相似模拟实验嚣朴；（３）３Ｄ—ｄ有限元程净，从理论上进一步分析计算出在不同宽度下防水煤柱的稳定性。

糖似模拟试验、地质嚣达掇测以及３Ｄ一蟮有限元稷序分析三者结合，即可以避免实验或测爨过程中本身所产生的误差而譬Ｉ起防水煤柱留设宽度过大或过小，又可以避免单纯理论计算的不足，三者结合熊够比较准确地确定防水煤柱的宽度。

三种方法结合，对铁山南煤矿１１２回采工作面的研究表明：在防水煤桂宽为８０ｍ时，煤桂是稳定的，采空区的采动裂隙带未导通，丽且裂踩带同的垂巍疆离有１３．Ｏ～１６．０ｍ，这表明在８０ｍ宽防水煤柱Ｅｓ］的保护下。

尽管金盘子舷魄王程蓄承营运屠，事碾子老窑采空区积水上标高达２７５ｍ，但不会发生突水事故。

——■参考文糠【ｉ）豫挺．褶钕糕论与模接试骏【Ｍ］．北京：中莓农韭辘械出版社，１９８２．（２）攀素．岩移模拟相似准则和模拟工艺问题的探讨（Ｄ】。

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