上覆巨厚堅硬巖漿巖破斷運移規(guī)律的實驗分析

上覆巨厚堅硬巖漿巖破斷運移規(guī)律的實驗分析

蔣金泉1，武泉森2，張培鵬2，王普2

(1.山東科技大學(xué) 采礦工程研究院，山東 泰安 271000；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

[摘要]針對工作面上覆巨厚堅硬巖漿巖條件，采用相似模擬實驗研究方法，研究了巨厚巖漿巖的破斷運移規(guī)律。通過分析實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，得知巖漿巖的初次破斷是兩端支承懸空結(jié)構(gòu)中部下位及端部上位拉破斷所致，巖漿巖破斷后下位離層閉合，巖漿巖初次破斷后的覆巖呈現(xiàn)拱形狀態(tài)。巖漿巖2次周期性破斷結(jié)構(gòu)具有幾何相似性，破斷巖塊呈平行四邊形形態(tài)，并能夠形成鉸接結(jié)構(gòu)，周期破斷后并不隨之失穩(wěn)運動。巖漿巖及其上位巖層幾乎發(fā)生同步運移，巖漿巖作為主關(guān)鍵層控制著采場覆巖運動，對覆巖結(jié)構(gòu)有決定作用。

[關(guān)鍵詞]巨厚堅硬巖漿巖；破斷運移規(guī)律；相似模擬；關(guān)鍵層

[中圖分類號]TD325[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[收稿日期]2014-07-30

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.003

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(51374139)；山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2013EEM018)

[作者簡介]蔣金泉(1961-)，男，江蘇如東人，教授，博士生導(dǎo)師，從事礦山壓力與巖層控制的研究工作。

Experiment of Extremely-thick and Hard Magmatic Rock′s Movement and Breakage Rule

JIANG Jin-quan1, WU Quan-sen2, ZHANG Pei-peng2, WANG Pu2

(1.Mining Engineering Research Institute, Shandong University of Science & Technology, Tai′an 266590, China;

2.Mining & Safety Engineering School, Shandong University of Science & Technology, Qingdao 271000, China)

Abstract:Applying analogue simulation method to researching breakage and movement rule of extremely-thick hard magmatic rock, it was obtained that first breakage of magmatic rock was tension breakage of upper- middle and ends of two-end abutment hanging structure by simulation data analysis, and that overlying strata took on arch state after first breakage for lower-rocks separation.Periodical breakage of magmatic rock had geometrical similarity, broken rocks took on parallelogram and could form hinged structure which were not easy to be instable after periodical breakage.Magmatic rock moved simultaneously with upper strata.As the key strata, magmatic rock controlled overlying strata movement of mining field.

Keywords:extremely-thick hard magmatic rock; breakage and movement rule; analogue simulation; key strata

[引用格式]蔣金泉，武泉森，張培鵬，等.上覆巨厚堅硬巖漿巖破斷運移規(guī)律的實驗分析[J].煤礦開采，2015，20(1)：8-11.

巨厚堅硬巖層在我國多個礦區(qū)均有分布，如新汶華豐煤礦巨厚礫巖、濟(jì)寧三號煤礦巨厚巖漿巖、兗州鮑店煤礦厚層紅砂巖、淮北海孜煤礦巨厚巖漿巖、淮北楊柳煤礦兩層厚度較大的巖漿巖、銅川焦坪煤礦巨厚礫巖、義馬常村煤礦巨厚礫巖等 。堅硬巨厚巖層具有厚度大(幾十米甚至幾百米)、強度高(單向抗壓強度50～110MPa)等特點。煤層開采后硬厚巖層懸空面積大、圍巖應(yīng)力集中程度高、硬厚巖層下部離層空間大，硬厚巖層破斷失穩(wěn)時動載強烈，易誘發(fā)礦震、沖擊地壓等動力現(xiàn)象，甚至引發(fā)十分嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，給煤礦安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重隱患或威脅。淮北楊柳煤礦煤層上方有巨厚堅硬的巖漿巖，其運移失穩(wěn)對采場安全具有潛在威脅，因此，研究巖漿巖破斷運移規(guī)律就顯得尤其重要[3-6]。通過相似模擬實驗的方法可以直觀地觀測到巖漿巖破斷全過程，通過分析實驗數(shù)據(jù)可以獲得巨厚堅硬巖漿巖破斷運移的規(guī)律，對煤礦沖擊地壓的防治、巷道維護(hù)有積極的作用。

1相似材料模擬實驗

1.1　模型特征

針對工作面上覆巖層中賦存著巨厚堅硬巖漿巖的地層特點，按照相似理論構(gòu)建相似材料試驗?zāi)Ｐ?，模擬研究工作面開采過程中巨厚堅硬巖漿巖破斷運移規(guī)律。模擬地層原型的主要特征為：開采煤層厚度8m，上覆巖層主要由細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層及巖漿巖等組成，上覆巖漿巖厚度為60m，距開采煤層的層間距為80m。相似模擬試驗臺規(guī)格為3m×0.4m×2m，有效高度1.8m，采用平面應(yīng)力模型，平面模擬試驗臺由框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)三部分組成。

根據(jù)相似理論[7-8]以及參照前人相似模擬經(jīng)驗確定本次實驗相似比，其中幾何相似比為1∶200，時間相似比為1∶14，密度相似比為1∶1.5，彈性模量相似比為1∶300，強度相似比為1∶300。為了實驗易于操作，在不改變原有物理性質(zhì)條件下，對次要作用的巖層進(jìn)行合并[9-10]。對應(yīng)原型的巖層單向抗壓強度以淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤礦地層巖石力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，根據(jù)相似理論及相似條件計算得到模型中各巖層的單向抗壓強度，選取相應(yīng)的相似材料配比，見表1。

表1　模型巖層參數(shù)及配比

1.2　監(jiān)測方案及儀器

如圖1所示，在距煤層高度26m，62m，72m，82m，222m處分別布置5條測線，記作測線1，2，3，4，5，其中測線4位于巖漿巖處，測線5位于巖漿巖上位巖層。沿著工作面的推進(jìn)方向，在每條測線上每隔20m布置1個測點，編號為1～29(其中測點1距離模型邊界20m)，5條測線共計布置145個測點。為了準(zhǔn)確地記錄覆巖各個測點的位移變化情況，實驗采用尼康Nivo 2.M全站儀對模型上關(guān)鍵部位進(jìn)行垂直位移和水平位移跟蹤觀測，測量精度為毫米級。

圖1　測線和測點布置

2實驗過程及結(jié)果分析

實驗每次開挖10m，實驗?zāi)M推進(jìn)540m，上覆巖漿巖出現(xiàn)了3次斷裂，根據(jù)其斷裂現(xiàn)象及斷裂特征可以分為1次初次破斷和2次周期破斷。在實驗過程中，開采區(qū)域上覆巖層均發(fā)生了不同程度的運移，通過記錄的實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象對實驗進(jìn)行分析。

2.1　巖漿巖下部巖層運動規(guī)律研究

工作面推進(jìn)到30m時，直接頂開始垮落，由于開采引起的運動空間的存在，上覆巖層開始出現(xiàn)彎曲下沉，有縱向裂隙出現(xiàn)。

當(dāng)工作面推進(jìn)100m時，基本頂發(fā)生初次破斷，并形成前后鉸接的傳遞巖梁結(jié)構(gòu), 粉砂巖及上覆巖層在兩端和中部發(fā)生斷裂，斷裂后巖層呈現(xiàn)組合運動的形式，并與上覆巖層之間出現(xiàn)了明顯的離層，離層的跨度為40m,最大高度為3m(圖2)?；卷敵醮蝸韷翰骄酁?00m。

圖2　工作面推進(jìn)100m時巖層運移情況

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，離層繼續(xù)往上發(fā)育，但發(fā)育速度比較慢，當(dāng)工作面推進(jìn)到160m時，巖漿巖下方首次出現(xiàn)離層，隨著工作面的推進(jìn)，離層繼續(xù)擴展，離層發(fā)育最大高度為4.6m，離層跨度為66m。

2.2　巖漿巖初次破斷規(guī)律研究

隨著工作面的不斷推進(jìn)，離層發(fā)育的高度越來越大，巖漿巖下位的巖層巖性軟弱且抗彎剛度小，下位巖體發(fā)生整體彎曲。當(dāng)工作面推進(jìn)到270m時，如圖3所示，巖漿巖下部的離層發(fā)育高度比較明顯，跨度達(dá)到164m，離層最大高度達(dá)到5m。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時，巖漿巖下部離層繼續(xù)發(fā)育，巖漿巖形成了兩端支撐的懸空結(jié)構(gòu)。工作面推進(jìn)至280m時，巖漿巖中部出現(xiàn)了縱向裂隙，縱向裂隙在巖漿巖上的發(fā)育高度為400mm。

圖3　工作面推進(jìn)270m時巖層運移情況

如圖4所示，工作面推進(jìn)到380m時，巖漿巖發(fā)生了初次全厚破斷，巖漿巖破斷形狀呈不規(guī)則的梯形，巖漿巖本身強度高，堅硬且厚度大，在未斷裂前可以承擔(dān)上覆巖層的荷載而保持穩(wěn)定性，當(dāng)巖漿巖發(fā)生斷裂失穩(wěn)后，上覆巖層失去支撐，發(fā)生了整體斷裂下沉。巖漿巖的初次斷裂是兩端支承懸空結(jié)構(gòu)的中部下位及端部上位拉斷破壞所致，巖漿巖破斷后下位離層閉合。巖漿巖初次垮落步距為380m。

圖4　工作面推進(jìn)380m巖漿巖初次破斷

2.3　巖漿巖周期破斷規(guī)律研究

隨著工作面的推進(jìn)，巖漿巖發(fā)生了2次周期性破斷。由圖5(a)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至430m時，巖漿巖發(fā)生第1次周期性斷裂，斷裂線先從巖漿巖端部上位開始發(fā)育，并逐漸向下位延伸，最后貫通整層巖漿巖。由圖5(b)可知，工作面推進(jìn)到540m時，巖漿巖出現(xiàn)第2次周期性破斷，破斷現(xiàn)象與第1次周期破斷現(xiàn)象大體相同，破斷后巖漿巖塊體具有相近的幾何形態(tài)。巖漿巖的第1次周期垮落步距大約為60m，第2次周期垮落步距大約為110m。

圖5　巖漿巖周期破斷規(guī)律

由實驗記錄的現(xiàn)象和測得的數(shù)據(jù)可以看出：巖漿巖發(fā)生周期性破斷時具有相似的尺寸效應(yīng)和破斷特征，斷裂塊體在長度方向上分別為80m和86m，斷裂巖塊的形狀大體是平行四邊形。巖漿巖周期破斷失穩(wěn)后，巖塊與巖塊之間形成了穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)。

2.4　巖漿巖破斷機理

2.4.1巖漿巖初次破斷機理分析

由于巨厚堅硬巖漿巖的強度遠(yuǎn)大于其下方巖層(主要為泥巖、砂巖)強度，導(dǎo)致巖漿巖與下方巖層之間的運動不同步，下方巖層的撓度大于巖漿巖的撓度，因此將會在巖漿巖與下方巖層之間產(chǎn)生離層，離層高度和跨度的不斷發(fā)育為巖漿巖的破斷提供了條件。巖漿巖初次破斷屬于兩端支承懸空結(jié)構(gòu)的彎曲拉破斷，首先在巖漿巖中部下位出現(xiàn)裂隙，當(dāng)中部裂隙發(fā)育到一定高度時，巖漿巖在自重應(yīng)力及上覆載荷的作用下在巖漿巖的兩端產(chǎn)生裂隙，從而引起巖漿巖的破斷失穩(wěn)。

2.4.2巖漿巖周期破斷機理分析

巖漿巖2次周期破斷具有相似性，現(xiàn)以第1次破斷為例進(jìn)行簡要分析。在巖漿巖初次破斷后，巖漿巖形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且在上覆壓力及自重作用下，巖漿巖發(fā)生回轉(zhuǎn)，使巖漿巖發(fā)生破壞失穩(wěn)。在巖漿巖周期性破斷過程中，巖漿巖上部首先出現(xiàn)破斷裂隙，然后裂隙逐漸向下部發(fā)展，最后貫通整層，最終產(chǎn)生周期破斷。巖漿巖周期破斷后并沒有立即發(fā)生失穩(wěn)，其原因是破斷后的巖塊形成了鉸接結(jié)構(gòu)。

3覆巖位移變化及分析

在模型上共設(shè)置了5條監(jiān)測線，選取了其中具有代表性的4號和5號2條監(jiān)測線。根據(jù)全站儀記錄的數(shù)據(jù)繪制了2條監(jiān)測線上主要監(jiān)測點隨工作面推進(jìn)垂直位移變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖6　4號測線上主要測點垂直位移隨工作面推進(jìn)變化曲線

圖7　5號測線上主要測點垂直位移隨工作面推進(jìn)變化曲線

由圖6可見，當(dāng)工作面推進(jìn)到大約370m時，巖漿巖上位巖層位移下降速度增加。在工作面開采初期巖漿巖未發(fā)生破斷可以承擔(dān)自重及上覆巖層載荷，此時巖漿巖上位巖層的位移并沒有發(fā)生明顯的變化，當(dāng)巖漿巖發(fā)生破斷后，巖漿巖上位巖層也隨著發(fā)生彎曲下沉。

通過圖6、圖7可以看出，巖漿巖層和巖漿巖上位巖層測點垂直位移變化曲線具有很大的相似性，巖漿巖的破斷導(dǎo)致了巖漿巖上位巖層的下沉，巖漿巖上位巖層運移規(guī)律主要受巖漿巖控制。

4結(jié)論

(1)從相似模擬實驗中測得的數(shù)據(jù)可以得出巖漿巖初次斷裂的垮落步距為380m，第1次周期斷裂步距為60m，第2次周期斷裂步距為110m。

(2)巖漿巖初次破斷后的形狀大體成拱形。巖漿巖初次破斷屬于兩端支承懸空結(jié)構(gòu)的拉斷破壞，巖漿巖的中下部先出現(xiàn)裂隙，當(dāng)中部裂隙發(fā)育到一定高度時，在自重應(yīng)力及上覆載荷的作用下巖

漿巖的兩端產(chǎn)生裂隙，從而引起梁兩端的破斷失穩(wěn)。

(3)巖漿巖周期破斷為彎曲拉破斷，破斷巖塊相互鉸接，不易失穩(wěn)，破斷后形狀呈現(xiàn)平行四邊形。2次周期破斷具有相似性，長度幾乎相等。

(4)堅硬巨厚巖漿巖為主關(guān)鍵層，對上位巖層的控制作用明顯，巖漿巖的破斷導(dǎo)致巖漿巖上位巖層整體下沉。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王金安，劉紅，紀(jì)洪廣．地下開采上覆巨厚巖層斷裂機制研究．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(S1).

[2]王平，姜福興，馮增強，等．高位厚硬頂板斷裂與礦震預(yù)測的關(guān)系探討．巖土工程學(xué)報，2011，33(4).

[3]李化敏，付凱．煤礦深部開采面臨的主要技術(shù)問題及對策 ．采礦與安全工程學(xué)報，2006，23(4)：468 -469.

[4]來興平．西部礦山大尺度采空區(qū)衍生動力災(zāi)害控制．北京科技大學(xué)學(xué)報，2004，26(1)： 1-3.

[5]劉文崗，姜耀東，周宏偉，等．沖擊傾向性煤體的細(xì)觀特征與裂紋失穩(wěn)的試驗研究．湖南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，21(4)：14 -18.

[6]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等．巖層控制的關(guān)鍵層理論．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[7]崔廣心.相似理論與模型實驗．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[8]柴敬，伍永平，侯忠杰，等．相似材料模型實驗中圍巖垂直應(yīng)力測試的實驗研究．巖土工程學(xué)報，2000，22(3).

[9]孫光中，高新春，韋志東．巨厚煤層開采覆巖運動規(guī)律模擬．煤礦安全，2010，41(7)：71-73.

[10]李篷，陳延可，王列平，等．上保護(hù)層開采卸壓范圍的相似模擬試驗.煤礦安全，2012，43(12)：32-35.

[責(zé)任編輯：李宏艷]