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摘要：文章以新安煤矿11201、14141及14191三个工作面地质结构条件为工程背景，采用相似材料模拟试验方法，先后进行了4个工程地质力学模型的8次模拟开采，得出了矿井不同工作面在同样开采方法和推进速度下、相同工作面在不同开采方法下、相同工作面在有无断层条件下以及相同工作面在是否留设煤柱情况下的覆岩破坏规律。研究结果为解决水下采煤遇到的相关难题奠定了基础。
关键词：覆岩破坏；相似材料模拟；水下采煤
中图分类号：TD325文献标识码：A文章编号：1006-8937（2012）08-0010-02
水体下采煤是在地表或煤层上覆岩层中存在水体情况下如何实现安全采煤的技术。正确评价水体下采煤的安全合理性，真正掌握水体下安全采煤技术对于提高煤炭资源回收率，以及保护地表水和地下水资源等都具有十分重要的现实意义。通常采矿问题研究方法有理论分析、实际观测及模拟实验三种。模拟实验与前两种研究方法相比，其优点为:可人为控制和改变试验条件，从而可确定单因素或多因素对采矿问题影响的规律，试验效应直观清楚，试验周期短、见效快，相似模拟试验的成功关键在于抓住研究问题的本质，以相似理论为根据，采用先进的试验设备和严谨的工作态度得到极有参考价值的结果。本模拟试验以新安矿为原型，采用相似材料模拟方法，研究矿井不同工作面在实际地质和开采条件下、相同工作面在不同开采方法下、相同工作面在有无断层情况下以及相同工作面在是否留设煤柱情况下的覆岩破坏规律。
1工程模拟概况
1.1工程概况
新安煤矿于1988年底建成投产，开采范围50.3 km2，设计生产能力150万t/a，主采二叠系山西组二1煤层，煤种为贫瘦煤，设计服务年限83年。当小浪底水库蓄水达到设计水位高程+275 m时，新安井田40%面积将位于库盆之下，水体下可采煤炭储量高达8 000万t。蓄水后，煤层顶底板的直接和间接充水层及第四系孔隙含水层都将得到库区地表水常年的补给，库区水可以通过库区内的塌陷区、废弃钻孔、废弃井筒等通道以灌入式方式进入矿井，对新安煤矿安全开采形成极大影响，存在严重的突水危险，其威胁的严重程度属国内外罕见。
1.2模拟概述
根据现场的地质和开采条件，模型比例定为200：1，即模型的相似比为200，模型在平面应变模型架上进行，模型体的尺寸：2.0 m×1.0 m×0.24 m（长×高×宽），煤层覆岩施加的应力采用施加外力荷载补偿法来实现，模型开采的时间相似系数为14.14。为调配适合本次试验研究的相似材料，在取得研究工作面覆岩物理力学参数的基础上，选取重晶石粉、石膏、甘油、河砂、澎润土等为模型相似材料，在中国矿业大学工程地质实验室先后进行了多次配料的调配以满足力学模型试验对试验参数的要求，制成11201工作面、14141工作面、14191工作面工程地质力学模型。
2模型开采及导水裂隙带发育规律对比分析
模型开采为模拟现场推进速度45 m/月，采用模拟推进速度21.2 m/d的方法开采，模型上的观测内容包括岩层移动的观测和覆岩破坏特征的观测，通过每次各个测点观测结果相对于控制点的相对变化，确定该测点的位移，对模型开采中的特殊现象进行照相、丈量等对导水裂隙带高度进行测量。并记录出现的位置与开采推进距离、时间之间的关系。
2.1原始条件开采
我们首先以14141工作面的开采为例进行如下分析和说明。整个14141工作面工程地质力学模型的开采过程中，在采厚一定的情况下，导水裂隙带的发育高度随着推进距离的增加而增大，但工作面推进到一定距离后，导水裂隙带不再向上发展。当工作面初次垮落前，覆岩能够维持较好的稳定状态，没有较大范围的岩层垮落，导水裂隙带的发育高度也较低，随着回采的进行，当工作面推进到54 m时，出现初次来压，覆岩急剧垮落，导致冒落带以及导水裂隙带的发育高度迅速增大，此后，冒落带发育高度逐渐回落，穩定在17～20 m之间。当工作面推进到60 m时，煤层顶板中砂岩及粉砂岩层全部垮落，冒落带高度达到最大值21.82 m，此时的冒采比为5.46。随着工作面推进尺寸的逐步增大，导水裂隙带的发育高度也持续稳定增大，裂隙迅速向上扩散，并穿透顶板第一泥岩层，当推进到104 m时，发育到最大63.36 m（导水裂隙带发育最大值滞后于回采工作面72.5 m，按该工作面的实际推进速度1.5 m/d，则该工作面采动形成的导水裂隙带高度在开采后约48 d发育到最大），此时的裂采比为15.84。同时，在导水裂隙带上方形成明显的弯曲变形带。随后，随着推进长度的进一步加大，导水裂隙带发育高度逐渐回落，并稳定在57～60 m之间。
同时由实验结果观察到，导水裂隙带的发育呈“马鞍型”分布，两边略高，中间略低，降低的范围出现在采空区中部，与覆岩破坏的理论研究得出的结果完全吻合，这是由于采空区边界受到煤岩壁的支撑，采空区中部断裂、垮落的岩层的受压程度大于采空区边界的压实程度而造成的。
与此同时，11201工作面在同样开采方法和推进速度的条件下，由观测数据其得出冒采比和裂采比明显小于14141工作面。分析两个工作面的主要地质参数后得出产生以上结果的主要影响因素是由于11201工作面的覆岩结构呈软硬岩互层、且层厚较薄交替明显的特征。统计两工作面覆岩的泥岩比发现，11201工作面泥岩比为55.8%，14141工作面的泥岩比为33.7%。可见，软硬互层结构明显且具有更高泥岩比例的覆岩地质结构不利于导水裂隙带的发育。工作面覆岩破坏高度与推进长度的关系如图1、图2所示。
由于新安矿煤厚变化大，为了研究对厚煤层进行分层开采后的覆岩破坏规律，本研究还根据新安矿实际煤层厚度大的特点进行了分层模拟开采试验。本部分主要选取14141工作面的分层模拟开采情况进行说明。
14141工作面在进行现场实际4 m煤厚开采后，再进行二分层共8 m厚度的开采，14141工作面煤层采高为8 m时，其裂采比为13.08，明显小于采高为4 m时的15.84。这说明虽然导水裂隙带发育高度与煤层开采厚度的关系最为密切，一般随着采厚增大，破坏高度也相应增加，但随着煤层采厚的增加，导水裂隙带发育高度的增大趋势有所减缓。
2.3一次采全高
为了研究特厚煤层一次采全高和分层开采分别对导水裂隙带高度的影响，本次模拟以14191工作面地质条件为基础，先后进行了分层以及一次采全厚情况下开采的覆岩破坏规律。由观测一次采全高和分层开采两种开采方式下覆岩破坏的数据显示，在二者总采厚都在9 m的情况下，分层开采的冒落带发育高度为31.38 m，导水裂隙带发育高度为106.72 m，而在一次采全高的开采方式下，冒落带高度为30.59 m，与分层开采基本一致，而导水裂隙带发育高度则达到了113.73 m，明显大于分层开采的情况。
2.4断层影响模拟
地质构造对采煤活动存在着巨大的影响，为了研究新安矿区断层发育对导水裂隙带发育规律的影响程度，以11201工作面地质条件为基础，新安矿区90%以上断层特征为参照对导水裂隙带发育的断层影响情况进行模拟。
模拟过程显示，在断层上下盘进行开采活动时，各留设不小于20 m的煤柱时可有效防止覆岩破坏范围波及到断层带，当开采接近断层带时，覆岩破坏受断层带影响强烈，断层的存在使得覆岩破坏的高度也较无断层影响的冒落带23.77 m，导水裂隙带68.98 m有明显的增大：冒落带和导水裂隙带的发育高度分别达25.96 m和75.22 m。
同时，在采动过程中，断层的上下盘运动整体分异明显：在断层上盘进行采煤活动时，上盘呈整体移动趋势而下盘移动不明显；在断层下盘进行采煤活动时，覆岩运动规律则反之。当在上下盘各留设不小于20m煤柱时，上述运动现象微弱。
2.5模拟结果
以11201、14141及14191三个工作面地质结构条件及其物理力学参数为基础先后进行了4个工程地质力学模型的8次模拟开采，得出了不同开采条件下的覆岩破坏规律，其不同开采条件下的覆岩破坏情况如表1 所示。
3研究展望
期望以此为基础并结合实测资料及其它的分析研究手段，例如近年来发展起来的拉格朗日数值模拟分析研究等，并加强对不同采煤工艺及状态下煤层覆岩破坏的测试物探，获得更多的技术参数，进行综合分析对比，为提高新安煤矿小浪底水体下安全开采及顶板水害防治问题提供更多的技术保证，从而为煤矿的高产高效安全生产服务。
参考文献：
[1] 蔡振宇,杨本生,刘新河.水体下煤层开采的相似材料模拟 研究[J].中国矿业,2003,(3)12:62-63.
[2] 王双美.导水裂隙带高度研究方法概述[J].水文地质工程 地质, 2006,(5):126-128.
[3] 康永华,孔凡铭.试论水体下采煤的综合研究技术体系[J]. 煤矿现代化,1998,(2):3-5.
[4] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2003.
[5] 刘红元,刘建新,唐春安.采动影响下覆岩垮落过程的数值 模拟[J].岩土工程学报,2001,(2)23:201-204.
关键词：覆岩破坏；相似材料模拟；水下采煤
中图分类号：TD325文献标识码：A文章编号：1006-8937（2012）08-0010-02
水体下采煤是在地表或煤层上覆岩层中存在水体情况下如何实现安全采煤的技术。正确评价水体下采煤的安全合理性，真正掌握水体下安全采煤技术对于提高煤炭资源回收率，以及保护地表水和地下水资源等都具有十分重要的现实意义。通常采矿问题研究方法有理论分析、实际观测及模拟实验三种。模拟实验与前两种研究方法相比，其优点为:可人为控制和改变试验条件，从而可确定单因素或多因素对采矿问题影响的规律，试验效应直观清楚，试验周期短、见效快，相似模拟试验的成功关键在于抓住研究问题的本质，以相似理论为根据，采用先进的试验设备和严谨的工作态度得到极有参考价值的结果。本模拟试验以新安矿为原型，采用相似材料模拟方法，研究矿井不同工作面在实际地质和开采条件下、相同工作面在不同开采方法下、相同工作面在有无断层情况下以及相同工作面在是否留设煤柱情况下的覆岩破坏规律。
1工程模拟概况
1.1工程概况
新安煤矿于1988年底建成投产，开采范围50.3 km2，设计生产能力150万t/a，主采二叠系山西组二1煤层，煤种为贫瘦煤，设计服务年限83年。当小浪底水库蓄水达到设计水位高程+275 m时，新安井田40%面积将位于库盆之下，水体下可采煤炭储量高达8 000万t。蓄水后，煤层顶底板的直接和间接充水层及第四系孔隙含水层都将得到库区地表水常年的补给，库区水可以通过库区内的塌陷区、废弃钻孔、废弃井筒等通道以灌入式方式进入矿井，对新安煤矿安全开采形成极大影响，存在严重的突水危险，其威胁的严重程度属国内外罕见。
1.2模拟概述
根据现场的地质和开采条件，模型比例定为200：1，即模型的相似比为200，模型在平面应变模型架上进行，模型体的尺寸：2.0 m×1.0 m×0.24 m（长×高×宽），煤层覆岩施加的应力采用施加外力荷载补偿法来实现，模型开采的时间相似系数为14.14。为调配适合本次试验研究的相似材料，在取得研究工作面覆岩物理力学参数的基础上，选取重晶石粉、石膏、甘油、河砂、澎润土等为模型相似材料，在中国矿业大学工程地质实验室先后进行了多次配料的调配以满足力学模型试验对试验参数的要求，制成11201工作面、14141工作面、14191工作面工程地质力学模型。
2模型开采及导水裂隙带发育规律对比分析
模型开采为模拟现场推进速度45 m/月，采用模拟推进速度21.2 m/d的方法开采，模型上的观测内容包括岩层移动的观测和覆岩破坏特征的观测，通过每次各个测点观测结果相对于控制点的相对变化，确定该测点的位移，对模型开采中的特殊现象进行照相、丈量等对导水裂隙带高度进行测量。并记录出现的位置与开采推进距离、时间之间的关系。
2.1原始条件开采
我们首先以14141工作面的开采为例进行如下分析和说明。整个14141工作面工程地质力学模型的开采过程中，在采厚一定的情况下，导水裂隙带的发育高度随着推进距离的增加而增大，但工作面推进到一定距离后，导水裂隙带不再向上发展。当工作面初次垮落前，覆岩能够维持较好的稳定状态，没有较大范围的岩层垮落，导水裂隙带的发育高度也较低，随着回采的进行，当工作面推进到54 m时，出现初次来压，覆岩急剧垮落，导致冒落带以及导水裂隙带的发育高度迅速增大，此后，冒落带发育高度逐渐回落，穩定在17～20 m之间。当工作面推进到60 m时，煤层顶板中砂岩及粉砂岩层全部垮落，冒落带高度达到最大值21.82 m，此时的冒采比为5.46。随着工作面推进尺寸的逐步增大，导水裂隙带的发育高度也持续稳定增大，裂隙迅速向上扩散，并穿透顶板第一泥岩层，当推进到104 m时，发育到最大63.36 m（导水裂隙带发育最大值滞后于回采工作面72.5 m，按该工作面的实际推进速度1.5 m/d，则该工作面采动形成的导水裂隙带高度在开采后约48 d发育到最大），此时的裂采比为15.84。同时，在导水裂隙带上方形成明显的弯曲变形带。随后，随着推进长度的进一步加大，导水裂隙带发育高度逐渐回落，并稳定在57～60 m之间。
同时由实验结果观察到，导水裂隙带的发育呈“马鞍型”分布，两边略高，中间略低，降低的范围出现在采空区中部，与覆岩破坏的理论研究得出的结果完全吻合，这是由于采空区边界受到煤岩壁的支撑，采空区中部断裂、垮落的岩层的受压程度大于采空区边界的压实程度而造成的。
与此同时，11201工作面在同样开采方法和推进速度的条件下，由观测数据其得出冒采比和裂采比明显小于14141工作面。分析两个工作面的主要地质参数后得出产生以上结果的主要影响因素是由于11201工作面的覆岩结构呈软硬岩互层、且层厚较薄交替明显的特征。统计两工作面覆岩的泥岩比发现，11201工作面泥岩比为55.8%，14141工作面的泥岩比为33.7%。可见，软硬互层结构明显且具有更高泥岩比例的覆岩地质结构不利于导水裂隙带的发育。工作面覆岩破坏高度与推进长度的关系如图1、图2所示。
由于新安矿煤厚变化大，为了研究对厚煤层进行分层开采后的覆岩破坏规律，本研究还根据新安矿实际煤层厚度大的特点进行了分层模拟开采试验。本部分主要选取14141工作面的分层模拟开采情况进行说明。
14141工作面在进行现场实际4 m煤厚开采后，再进行二分层共8 m厚度的开采，14141工作面煤层采高为8 m时，其裂采比为13.08，明显小于采高为4 m时的15.84。这说明虽然导水裂隙带发育高度与煤层开采厚度的关系最为密切，一般随着采厚增大，破坏高度也相应增加，但随着煤层采厚的增加，导水裂隙带发育高度的增大趋势有所减缓。
2.3一次采全高
为了研究特厚煤层一次采全高和分层开采分别对导水裂隙带高度的影响，本次模拟以14191工作面地质条件为基础，先后进行了分层以及一次采全厚情况下开采的覆岩破坏规律。由观测一次采全高和分层开采两种开采方式下覆岩破坏的数据显示，在二者总采厚都在9 m的情况下，分层开采的冒落带发育高度为31.38 m，导水裂隙带发育高度为106.72 m，而在一次采全高的开采方式下，冒落带高度为30.59 m，与分层开采基本一致，而导水裂隙带发育高度则达到了113.73 m，明显大于分层开采的情况。
2.4断层影响模拟
地质构造对采煤活动存在着巨大的影响，为了研究新安矿区断层发育对导水裂隙带发育规律的影响程度，以11201工作面地质条件为基础，新安矿区90%以上断层特征为参照对导水裂隙带发育的断层影响情况进行模拟。
模拟过程显示，在断层上下盘进行开采活动时，各留设不小于20 m的煤柱时可有效防止覆岩破坏范围波及到断层带，当开采接近断层带时，覆岩破坏受断层带影响强烈，断层的存在使得覆岩破坏的高度也较无断层影响的冒落带23.77 m，导水裂隙带68.98 m有明显的增大：冒落带和导水裂隙带的发育高度分别达25.96 m和75.22 m。
同时，在采动过程中，断层的上下盘运动整体分异明显：在断层上盘进行采煤活动时，上盘呈整体移动趋势而下盘移动不明显；在断层下盘进行采煤活动时，覆岩运动规律则反之。当在上下盘各留设不小于20m煤柱时，上述运动现象微弱。
2.5模拟结果
以11201、14141及14191三个工作面地质结构条件及其物理力学参数为基础先后进行了4个工程地质力学模型的8次模拟开采，得出了不同开采条件下的覆岩破坏规律，其不同开采条件下的覆岩破坏情况如表1 所示。
3研究展望
期望以此为基础并结合实测资料及其它的分析研究手段，例如近年来发展起来的拉格朗日数值模拟分析研究等，并加强对不同采煤工艺及状态下煤层覆岩破坏的测试物探，获得更多的技术参数，进行综合分析对比，为提高新安煤矿小浪底水体下安全开采及顶板水害防治问题提供更多的技术保证，从而为煤矿的高产高效安全生产服务。
参考文献：
[1] 蔡振宇,杨本生,刘新河.水体下煤层开采的相似材料模拟 研究[J].中国矿业,2003,(3)12:62-63.
[2] 王双美.导水裂隙带高度研究方法概述[J].水文地质工程 地质, 2006,(5):126-128.
[3] 康永华,孔凡铭.试论水体下采煤的综合研究技术体系[J]. 煤矿现代化,1998,(2):3-5.
[4] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2003.
[5] 刘红元,刘建新,唐春安.采动影响下覆岩垮落过程的数值 模拟[J].岩土工程学报,2001,(2)23:201-204.