上覆巨厚堅硬巖漿巖破斷運移規律的實驗分析

上覆巨厚堅硬巖漿巖破斷運移規律的實驗分析

蔣金泉1，武泉森2，張培鵬2，王普2

(1.山東科技大學 采礦工程研究院，山東 泰安 271000；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，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律。通過分析實驗現象和實驗數據，得知巖漿巖的初次破斷是兩端支承懸空結構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拱形狀態。巖漿巖2次周期性破斷結構具有幾何相似性，破斷巖塊呈平行四邊形形態，并能夠形成鉸接結構，周期破斷后并不隨之失穩運動。巖漿巖及其上位巖層幾乎發生同步運移，巖漿巖作為主關鍵層控制著采場覆巖運動，對覆巖結構有決定作用。

[關鍵詞]巨厚堅硬巖漿巖；破斷運移規律；相似模擬；關鍵層

[中圖分類號]TD325[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-07-30

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

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(51374139)；山東省自然科學基金資助項目(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均有分布，如新汶華豐煤礦巨厚礫巖、濟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，硬厚巖層破斷失穩時動載強烈，易誘發礦震、沖擊地壓等動力現象，甚至引發十分嚴重的地質災害，給煤礦安全生產造成了嚴重隱患或威脅。淮北楊柳煤礦煤層上方有巨厚堅硬的巖漿巖，其運移失穩對采場安全具有潛在威脅，因此，研究巖漿巖破斷運移規律就顯得尤其重要[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，通過分析實驗數據可以獲得巨厚堅硬巖漿巖破斷運移的規律，對煤礦沖擊地壓的防治、巷道維護有積極的作用。

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，按照相似理論構建相似材料試驗模型，模擬研究工作面開采過程中巨厚堅硬巖漿巖破斷運移規律。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。相似模擬試驗臺規格為3m×0.4m×2m，有效高度1.8m，采用平面應力模型，平面模擬試驗臺由框架系統、加載系統和測試系統三部分組成。

根據相似理論[7-8]以及參照前人相似模擬經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條件下，對次要作用的巖層進行合并[9-10]。對應原型的巖層單向抗壓強度以淮北礦業集團楊柳煤礦地層巖石力學參數為依據，根據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，選取相應的相似材料配比，見表1。

表1　模型巖層參數及配比

1.2　監測方案及儀器

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全站儀對模型上關鍵部位進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實驗過程及結果分析

實驗每次開挖10m，實驗模擬推進540m，上覆巖漿巖出現了3次斷裂，根據其斷裂現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，開采區域上覆巖層均發生了不同程度的運移，通過記錄的實驗數據和實驗現象對實驗進行分析。

2.1　巖漿巖下部巖層運動規律研究

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

當工作面推進100m時，基本頂發生初次破斷，并形成前后鉸接的傳遞巖梁結構, 粉砂巖及上覆巖層在兩端和中部發生斷裂，斷裂后巖層呈現組合運動的形式，并與上覆巖層之間出現了明顯的離層，離層的跨度為40m,最大高度為3m(圖2)。基本頂初次來壓步距為100m。

圖2　工作面推進100m時巖層運移情況

隨著工作面的繼續推進，離層繼續往上發育，但發育速度比較慢，當工作面推進到160m時，巖漿巖下方首次出現離層，隨著工作面的推進，離層繼續擴展，離層發育最大高度為4.6m，離層跨度為66m。

2.2　巖漿巖初次破斷規律研究

隨著工作面的不斷推進，離層發育的高度越來越大，巖漿巖下位的巖層巖性軟弱且抗彎剛度小，下位巖體發生整體彎曲。當工作面推進到270m時，如圖3所示，巖漿巖下部的離層發育高度比較明顯，跨度達到164m，離層最大高度達到5m。當工作面繼續推進時，巖漿巖下部離層繼續發育，巖漿巖形成了兩端支撐的懸空結構。工作面推進至280m時，巖漿巖中部出現了縱向裂隙，縱向裂隙在巖漿巖上的發育高度為400mm。

圖3　工作面推進270m時巖層運移情況

如圖4所示，工作面推進到380m時，巖漿巖發生了初次全厚破斷，巖漿巖破斷形狀呈不規則的梯形，巖漿巖本身強度高，堅硬且厚度大，在未斷裂前可以承擔上覆巖層的荷載而保持穩定性，當巖漿巖發生斷裂失穩后，上覆巖層失去支撐，發生了整體斷裂下沉。巖漿巖的初次斷裂是兩端支承懸空結構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380m巖漿巖初次破斷

2.3　巖漿巖周期破斷規律研究

隨著工作面的推進，巖漿巖發生了2次周期性破斷。由圖5(a)可知，當工作面推進至430m時，巖漿巖發生第1次周期性斷裂，斷裂線先從巖漿巖端部上位開始發育，并逐漸向下位延伸，最后貫通整層巖漿巖。由圖5(b)可知，工作面推進到540m時，巖漿巖出現第2次周期性破斷，破斷現象與第1次周期破斷現象大體相同，破斷后巖漿巖塊體具有相近的幾何形態。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　巖漿巖周期破斷規律

由實驗記錄的現象和測得的數據可以看出：巖漿巖發生周期性破斷時具有相似的尺寸效應和破斷特征，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后，巖塊與巖塊之間形成了穩定的鉸接結構。

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大于其下方巖層(主要為泥巖、砂巖)強度，導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生離層，離層高度和跨度的不斷發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構的彎曲拉破斷，首先在巖漿巖中部下位出現裂隙，當中部裂隙發育到一定高度時，巖漿巖在自重應力及上覆載荷的作用下在巖漿巖的兩端產生裂隙，從而引起巖漿巖的破斷失穩。

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，現以第1次破斷為例進行簡要分析。在巖漿巖初次破斷后，巖漿巖形成懸臂梁結構，并且在上覆壓力及自重作用下，巖漿巖發生回轉，使巖漿巖發生破壞失穩。在巖漿巖周期性破斷過程中，巖漿巖上部首先出現破斷裂隙，然后裂隙逐漸向下部發展，最后貫通整層，最終產生周期破斷。巖漿巖周期破斷后并沒有立即發生失穩，其原因是破斷后的巖塊形成了鉸接結構。

3覆巖位移變化及分析

在模型上共設置了5條監測線，選取了其中具有代表性的4號和5號2條監測線。根據全站儀記錄的數據繪制了2條監測線上主要監測點隨工作面推進垂直位移變化曲線，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變化曲線

由圖6可見，當工作面推進到大約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生破斷可以承擔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生明顯的變化，當巖漿巖發生破斷后，巖漿巖上位巖層也隨著發生彎曲下沉。

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，巖漿巖的破斷導致了巖漿巖上位巖層的下沉，巖漿巖上位巖層運移規律主要受巖漿巖控制。

4結論

(1)從相似模擬實驗中測得的數據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構的拉斷破壞，巖漿巖的中下部先出現裂隙，當中部裂隙發育到一定高度時，在自重應力及上覆載荷的作用下巖

漿巖的兩端產生裂隙，從而引起梁兩端的破斷失穩。

(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，破斷后形狀呈現平行四邊形。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鍵層，對上位巖層的控制作用明顯，巖漿巖的破斷導致巖漿巖上位巖層整體下沉。

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[責任編輯：李宏艷]