采場上覆巖層動態(tài)移動規(guī)律研究

張 靜，吳 侃，敖劍鋒

（中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008）

采場上覆巖層動態(tài)移動規(guī)律研究

張 靜，吳 侃，敖劍鋒

（中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008）

通過建立相似材料模擬實驗，對傾斜煤層開采引起的上覆巖層移動進行了系統(tǒng)地全面地觀測研究。利用首次觀測數(shù)據(jù)和開采結(jié)束穩(wěn)定后數(shù)據(jù)，定性與定量分析了巖層內(nèi)部各點移動矢量，得出測點移動矢量圖。分析不同區(qū)域內(nèi)6個觀測點的動態(tài)運動軌跡，得到了詳細(xì)的移動軌跡。對巖體內(nèi)部巷道工程的損害及治理具有指導(dǎo)意義。

覆巖動態(tài)移動;相似材料模型;巖體點運動軌跡

相似材料模型試驗是以相似理論為基礎(chǔ)，按一定的相似比例將巖體抽象、簡化為相似模型［1］，對模型中的煤層模擬實際情況進行開采，觀測巖體由于煤層開采引起的移動和變形，彌補采動巖體移動難以測量的缺陷，是研究巖層移動規(guī)律的一種科學(xué)方法。相似材料實驗可以人為地控制模擬實體的主要因素，略去次要因素，研究采場上覆巖層移動和破壞規(guī)律，對煤巖層內(nèi)巷道的保護與治理具有指導(dǎo)意義。

本次實驗在巖體上布點，采用高精度的三維光學(xué)點測量系統(tǒng)作為觀測儀器，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，觀測效率高［2］，有利于精確求得相似材料模型巖層內(nèi)部標(biāo)志點的移動量。通過相似材料模型數(shù)據(jù)分析，獲得采場上覆巖層動態(tài)移動規(guī)律。

1 相似材料模型

針對本研究區(qū)域地質(zhì)賦存條件和煤層頂板巖層鉆孔柱狀圖設(shè)計了巖層分布圖，如圖1所示。

選擇相似系數(shù)為1∶200，模型架長度為4m，模型架高度為2m，厚度為0.3m，煤層傾角30°。根據(jù)覆巖情況及模型比例，得到模型層厚如表1，由巖層實際組分得出模型相似材料配比如表2。

圖1 30°煤層相似材料模型設(shè)計

表1 模型設(shè)計層厚

相似材料模型的觀測方法采用高精度的數(shù)字工業(yè)近景攝影測量系統(tǒng) （XJTUDP），通過XJTUDP三維光學(xué)點測量系統(tǒng)觀測得到的是編碼點和非編碼點的系統(tǒng)坐標(biāo)。編碼點是全局控制解算點，如圖2中的較大黑色標(biāo)志點，而非編碼點是布設(shè)于巖層表面的目標(biāo)點，如圖2中較密的小標(biāo)志點。

表2 30°模型相似材料配比

圖2 煤層模型布點實例

2 數(shù)據(jù)處理

通過XJTUDP測量系統(tǒng)得到的是不同坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)，需用XJTUDP測量系統(tǒng)自帶軟件中的坐標(biāo)對齊功能處理，得到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下所有標(biāo)志點的三維坐標(biāo)。編碼點是全局控制點，在每次掃描中同一編碼點的編號不變;但非編碼點的編號是系統(tǒng)隨機編排。本次實驗需獲取同一標(biāo)志點在不同時刻的三維坐標(biāo)，必須進行非編碼點匹配處理。通過VB程序識別不同掃描時間下的同一非編碼點，確定不同時間下的三維坐標(biāo)，作為獲取的最終數(shù)據(jù)［3］。

3 巖層動態(tài)移動規(guī)律

3.1 巖層內(nèi)部各測點運動軌跡

分析巖體剖面各測點的運動軌跡時，選取首次觀測數(shù)據(jù)和開采結(jié)束穩(wěn)定后數(shù)據(jù)，標(biāo)示在這一段時間內(nèi)剖面巖層觀測點運動軌跡，得到剖面巖層各測點的運動軌跡圖，如圖3所示。圖4為圖3簡圖，在圖4中，帶箭頭的線段表示該區(qū)域點移動方向，在同一區(qū)域中，線段長度表示其移動量的相對大小，非實際移動量。

根據(jù)剖面點移動矢量，將30°傾斜煤層巖體剖面劃分為 A，B，C，D四個區(qū)域 （圖3，圖4）。在圖中，表土層區(qū)域A是水平層位，受到煤層開采影響后，觀測點移動矢量指向采空區(qū)。從表土層邊緣到采空區(qū)上方，移動量逐漸增大，采空區(qū)上方地表的移動量最大。

圖3 開采至穩(wěn)定后剖面測點運動矢量

圖4 開采至穩(wěn)定后剖面測量運動矢量

在采空區(qū)上方區(qū)域C，采區(qū)煤層采出后，直接頂板巖層彎曲而產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)其拉伸變形超過巖石的最大抗拉強度時，直接頂板及其上部的巖層便與整體分離，破壞成大小不一的巖體，無規(guī)則地充填采空區(qū)。由于巖石破壞碎脹，垮落巖石體積增大，致使其上部巖層的移動量逐漸減弱。上覆巖層中的各個分層，從直接頂開始沿層里面的法線方向，依次向采空區(qū)方向彎曲。

在上山煤柱上方區(qū)域B中，巖體受采動影響，受到拉伸變形，區(qū)域中觀測點的移動矢量指向上山煤柱方向。煤層開采對周圍巖體影響不同，沿巖層層位，從上山方向到采空區(qū)方向移動量逐漸增加。

在下山方向煤柱上方區(qū)域D中，巖體受到壓縮變形，區(qū)域中觀測點的移動矢量指向下山方向。煤層開采對周圍巖體的影響不同，沿巖層層位，從采空區(qū)到下山邊緣方向，移動量逐漸減小。同樣，底板周圍巖體移動量小，其上部發(fā)展空間大，移動量大。

3.2 巖層剖面內(nèi)點動態(tài)運動軌跡

分析巖體剖面點動態(tài)運動軌跡時，選取不同區(qū)域內(nèi)6個點，如圖3中標(biāo)示的6個點，其中1，2號點大體位于同一鉛垂線;3，4號點和5，6號點分別大體位于同一鉛垂線。取開采至14m，42m，70m，98m，126m，154m，182m及穩(wěn)定后6個點的觀測數(shù)據(jù)，分別繪制各點的動態(tài)移動軌跡圖，如圖5～10所示。圖5～10中的1，2，3標(biāo)示出點運動軌跡的拐點及拐點在煤層開采中的相應(yīng)位置。

1號點位于表土層區(qū)域A中，從圖5可以看出，在整個開采到穩(wěn)定過程中，1號點運動軌跡指向采空區(qū)。

2號點位于上山煤柱上方區(qū)域B中，從圖6中得出，在煤層開采至開采穩(wěn)定過程，2號點的運動軌跡先指向上山方向，再逐漸指向采空區(qū)方向。

3，4號點位于采空區(qū)上方，受開采影響最大，巖層垮落充填采空區(qū)，剖面點移動量大。從動態(tài)移動軌跡圖7和圖8中可以看出，剖面點移動軌跡近乎沿煤層法線方向。

5，6號點位于下山方向煤柱上方區(qū)域D中，巖層層面受到壓縮變形的影響。5號點移動軌跡先是指向采空區(qū)，隨著開采的繼續(xù)，移動軌跡逐漸沿鉛垂方向指向下山。6號點移動軌跡先指向采空區(qū)，隨后指向下山方向。

上山煤柱上方區(qū)域的松動巖石由于自重的作用，沿巖層層面方向向下山方向滑移，1，2號點位于上山煤柱上方區(qū)域，其運動軌跡隨煤層開采，始終指向采空區(qū)。5，6號點位于下山方向煤柱上方區(qū)域D，在初始開采過程中，不受上山方向巖層滑移影響，5，6號點運動指向采空區(qū);隨著其上山方向巖層的滑移運動，擠壓下山方向巖層，當(dāng)運動發(fā)展充分后，造成下山方向5，6號點運動軌跡指向下山方向。

4 結(jié)論

以相似材料模型試驗為基礎(chǔ)，通過大量數(shù)據(jù)繪制得到巖體剖面測點移動矢量圖，分析得到巖層內(nèi)部各點移動矢量與地表各點移動矢量不同，地表各點移動矢量指向采空區(qū)，而巖體內(nèi)部點受到巖層的相互作用，不同區(qū)域測點的移動矢量不同。上山煤柱上方區(qū)域巖體移動矢量指向上山煤柱，且底板周圍巖體移動量較其上部小;采空區(qū)上方區(qū)域巖體移動矢量近乎沿層面法線方向，且移動量沿層面法線方向向上逐漸減小;下山方向煤柱上方區(qū)域巖體移動矢量指向下山方向，且底板周圍巖體移動量小于其上部。不同區(qū)域點動態(tài)運動軌跡有與其所在區(qū)域運動大體相符，下山煤柱上方點的動態(tài)運動軌跡與其所在區(qū)域運動存在微小不同，但最終指向下山方向。巖體內(nèi)部點移動現(xiàn)象和規(guī)律的研究為巷道工程提供參考，對采空區(qū)上方覆巖運動的研究起到重要作用。

［1］顧大釗.相似材料和相似模型［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［2］陳冉麗.三維光學(xué)測量技術(shù)在相似材料模型觀測中的應(yīng)用研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

［3］鄭汝育，吳 侃，蔡來良.覆巖彎曲帶動態(tài)沉陷規(guī)律的相似材料模型研究［J］.煤炭工程，2010（4）.

［4］尹光志，張衛(wèi)中，張東明，等.煤礦開采巖層移動的相似模擬實驗及數(shù)值分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31（2）.

Research on Dynamical Movement Rule of Overlying Strata

ZHANG Jing，WU Kan，AO Jian-feng
（Environment＆ Survey School，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221008，China）

Strata movement of surrounding rock induced by inclined coal-seam mining was observed by analog simulation.Movement vector of every point in rock was analyzed qualitatively and quantitatively and point movement vector map was obtained.Detailed movement tracks were obtained by analyzing dynamical movement tracks of 6 observation points.This would provide reference for preventing roadway failure in rock.

dynamical movement of surrounding rock;analog simulation;point movement track of rock

TD325.4

A

1006-6225（2012）02-0020-03

2011－12－05

國家環(huán)保公益性行業(yè)專項資助 （200809128）

張 靜 （1987－），女，山西晉城人，碩士，主要從事煤礦開采沉陷預(yù)測方面工作。

book=2012,ebook=249

［責(zé)任編輯:李宏艷］