急倾斜煤层水平分层综放开采岩层移动规律

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.05.022 第28卷第5期 北京科技大学学报 Vol.28 No.5 2006年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2006 急倾斜煤层水平分层综放开采岩层移动规律 戴华阳)易四海) 鞠文君2)阎跃观1)杨世杰3)乔中栋3) 1)中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京1000832)天地科技股份有限公司开采所业部.北京100013 3)甘肃华亭煤电股份有限公司，平凉744100 摘要为了进一步认识水平分层综放开采的开采沉陷特点，运用相似材料模型实验，对某矿大 倾角煤层的开采沉陷过程进行了模拟研究，揭示了急倾斜特厚煤层水平分层深部开采岩层与地表 移动规律 关键词急倾斜特厚煤层；水平分层；综放开采；相似材料模型试验；岩层与地表移动规律 分类号TD315+.1 我国急倾斜煤层分布广泛，地质条件复杂. 到350多万t“a',不可避免地要形成多层同采同 从煤层的开采厚度看，可以区分为薄、中厚、厚、特 掘的局面，通常是3个综采工作面、4个综掘工作 厚煤层.不同厚度的煤层需要不同的开采方 面分布在5~6个区段内同时作业，这在国内外都 法「山.水平分层综放开采是急倾斜特厚煤层的一 是少见的.华亭煤矿现在的开采深度已超过500 种高产高效采煤方法，用该方法开采引起的岩层 m,地应力高，急倾斜特厚煤层采出空间大，且上 与地表移动规律，既有别于缓倾斜又不同于急倾 方岩层活动激烈，应力集中，矿压显现剧烈. 斜中厚煤层开采.目前对于这类开采沉陷的认识 还不充分2]，研究工作还有待深入，进一步的研 2相似模型实验设计 究将有利于掌握其规律，以正确指导特厚煤层开 2.1模型设计 采的采煤工作，本文以华亭矿区华亭煤矿的急倾 模型的原始参数参照了甘肃华煤集团华亭煤 斜特厚煤层为研究对象，采用相似模型的实验手 矿华亭大倾角5#煤层柱状图及5#勘探线剖面 段3，观测了岩层垮落、弯曲、离层的方式和形 图.以5节煤为主要研究对象，煤层倾角45°，平均 态以及地表的移动情况，揭示了急倾斜特厚煤层 厚度51.5m,走向长度1200m,属急倾斜特厚易 水平分层综采岩层与地表移动规律 燃煤层，顶底板为砂质砾岩.实验模型设计图见 1矿区概况 图1. 华亭矿区是我国特大型现代化煤炭生产基 地，生产能力达到1000万t·a',全部开采急倾 斜煤层，采掘机械化水平、矿井效益等指标均处于 全国煤炭行业前列.华亭煤矿是华亭矿区生产能 力最大、装备最先进、经济效益最好的高产高效现 450 代化矿井，开采华亭煤田的5*煤层，煤层倾角为 图1实验模型设计图 45°，平均厚度为51.51m,走向长度为1200m,属 Fig.1 Design for the test model 急倾斜特厚易燃煤层.采煤方法采用水平分层综 采放顶煤开采，顺槽分别沿煤层顶底板布置，工作 2,2相似参数的确定 面长度为45~53m,每个采放区段高度为13m. 实验模型尺寸为2400mm×160mm×1000 在如此小井田、短工作面开采条件下生产能力达 mm,实验选取模型的几何相似比为1：500.根据 相似原理与量纲分析，其他常数确定为：容重相似 收稿日期：20050302修回日期：200505-10 常数a,=0.65,时间相似常数a,=22.4,应力相 基盒项目：国家自然科学基金重大项目(No.50490273) 作者简介：戴华阳(1964一)，男，教授，博士生导师 似常数a。=325,由此可以确定模型的容重和力 学强度，进而确定材料配比

第 2 8 卷 第 5 期 2 0 0 ` 年 s 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J皿ru la fO U n ive 伟 it y o f Sc i e nc e a n d T eC h n o h 甩y Be Uin g V O I 。 2 8 N O 。 5 M a y 2 0 ` 急倾斜煤层水平分层综放开采岩层移动规律 戴华 阳 ` ) 易四 海 ’ ) 鞠 文 君2) 阎跃观 l) 杨 世杰 )3 乔 中栋)3 l) 中国矿业大学 (北京 )资源与安 全工程学院 . 北京 01 0 0 83 2) 天 地科技股份有限公 司开采所事业 部 . 北京 01 0 0 13 )3 甘肃 华亭煤 电股份 有限公 司 , 平凉 7 4 41 0 摘 要 为了进 一步认识水平分层综放 开采 的开采 沉陷特点 , 运 用相似 材料模 型 实验 . 对某矿 大 倾角煤 层的开 采沉陷过程进行了模拟研究 , 揭示了急倾斜特厚煤层 水平分层深 部开采 岩层与地 表 移动规律 . 关扭词 急倾斜特厚煤层 ; 水平分 层 ; 综放开采 ; 相似材料模型试验 ; 岩层与地表移动规律 分类号 T D 3 1 5 + . 1 我 国 急倾斜煤层 分布广 泛 , 地 质条件复杂 . 从煤 层的开 采厚度看 , 可以 区分为薄 、 中厚 、 厚 、 特 厚煤 层 . 不 同 厚 度 的 煤 层 需 要 不 同 的 开 采方 法 〔’ 〕 . 水平分层综放开采是急倾斜特厚煤层 的一 种高产高效采煤方 法 , 用该方 法 开 采引起的岩层 与地 表移动规 律 , 既 有别于缓倾斜 又 不 同 于 急倾 斜中厚煤层开 采 . 目前对于 这 类开 采沉 陷的认识 还 不 充 分 z[] , 研 究 工 作还 有 待深 入 , 进 一 步 的研 究将有利于 掌握 其规 律 , 以 正 确指导 特厚煤 层开 采的采煤工 作 . 本文 以华亭矿 区华亭煤矿 的急倾 斜特厚煤层 为研 究对象 , 采用相似模型 的实验手 段 〔3川 , 观测 了 岩层 垮 落 、 弯曲 、 离 层 的方 式和 形 态 以及地 表的移动情况 , 揭示 了急 倾斜 特厚煤层 水平分层综采岩层与地表移动规律 . 到 35 0 多万 t · a 一 ’ , 不可避 免地要 形成 多层 同 采同 掘的局面 , 通 常是 3 个综采工 作面 、 4 个综掘工 作 面分布在 5 一 6 个 区段 内同时作业 , 这 在 国 内外都 是少 见的 . 华亭煤矿 现 在的开 采深 度 已超 过 5 0 0 m , 地 应 力高 , 急 倾斜特厚煤层 采 出空 间大 , 且 上 方岩层活 动激烈 , 应力集中 , 矿 压显现 剧 烈 . 1 矿区概况 华亭 矿 区是 我 国 特大 型 现 代化煤 炭生 产 基 地 , 生 产能 力达 到 1 0 0 0 万 t · a 一 ’ , 全 部开 采急倾 斜煤层 , 采掘机械化水平 、 矿 井效益 等指标均处于 全 国煤炭行业前列 . 华亭煤矿是华亭矿 区生 产能 力最大 、 装备最先进 、 经济效益最好的高产高效现 代化矿 井 , 开 采 华亭煤 田 的 5 # 煤层 , 煤 层倾 角为 4 50 , 平均 厚度 为 5 1 . sl m , 走 向长 度 为 1 2 0 0 m , 属 急倾斜特厚易燃煤层 . 采煤方法 采用水平分 层综 采放顶煤开 采 , 顺槽分别沿 煤层顶底板布置 , 工作 面长度为 4 5 一 5 3 m , 每个 采放区 段 高度为 13 m . 在如此 小井田 、 短 工 作面开 采 条件下 生 产能 力达 收稿 B 期 : 2 0 0 5习 3 , 2 修回 B期 : 2 0 0 5习 5 一 10 荃盘项 目 : 国家 自然科学基金重大项 目 ( N O . 5 0 4 9 0 2 7 3) 作者简介 : 戴华阳 ( 19 6 4一 ) , 男 , 教授 , 博士生导师 2 相似模型实验设计 2 . 1 模型设 计 模型 的原始参数参照 了甘肃华煤集团华亭煤 矿华亭大倾 角 5 # 煤层 柱 状 图 及 5 # 勘探线 剖面 图 . 以 5 # 煤为主要 研 究对象 , 煤层 倾角 4 50 , 平均 厚度 5 1 . s m , 走 向长度 1 ZO0 m , 属 急 倾斜特厚易 燃煤层 , 顶 底板 为砂 质砾 岩 . 实验模 型设计图 见 图 1 . ~ ~ ~ ~ / 人“ / \ ~ 厂 — — — , 一尸沈 Z石门 . r 图 l 实验棋型设计图 F ig . l 〔吮5 1即 fo r t恤 tse t l 加日e l 2 . 2 相似参数的确定 实验模型 尺 寸为 2 4 0 0 m m x 1 6 0 m m x 1 0 0 0 m m , 实验选 取模型的几 何相似 比为 1 : 5 0 0 . 根据 相似原理 与量 纲分析 , 其他常数确 定 为 : 容重相似 常数 a r = 0 . 6 5 , 时间相似 常数 a t = 2 2 . 4 , 应 力相 似常数 。 。 = 3 25 , 由此 可 以 确 定模 型 的容重 和 力 学强 度 . 进 而 确定 材料配 比 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 05. 022

·410· 北京科技大学学报 2006年第5期 2.3相似材料配比 石膏和石灰为胶结物的石膏混合物为相似材料， 根据模型的主要岩性参数（容重和抗压强度） 配比参数如表1.图2为实验模型照片及测点布 进行相似材料的配比.实验选取石英砂为骨料， 置图. 表1模型岩层厚度及配比参数表 Table 1 Rock strata thickness and proportioning parameters in model testing 厚度/ 材料配比 材料质量/kg 岩性 cm 骨胶比 音灰比 总干质量 石英砂 石膏 石灰 水 粉砂岩 4.0 8:2 5:5 15.60 13.84 0.86 0.86 1.5 砂质泥岩 2.0 9:1 3:7 7.80 7.02 0.23 0.53 1.0 煤5 10.0 9:1 3:7 39.00 35.10 1.17 2.73 4.0 粉砂质泥岩 1.5 9:1 3:7 5.85 5.26 0.17 0.39 0.5 粉砂岩 5.0 8:2 55 19.50 17.33 1.08 1.08 2.0 油页岩 2.0 9:1 37 7.80 7.02 0.23 0.53 1.0 粉砂质泥岩 1.0 9:1 3:7 3.90 3.51 0.12 0.27 0.5 粉砂岩 1.0 8:2 5:5 3.90 3.46 0.21 0.21 0.5 砂质泥岩 4.0 9:1 3:7 15.60 14.04 0.46 1.07 1.5 灰色细砂岩 1.0 7:3 5:5 3.90 3.41 0.24 0.24 0.5 泥岩 1.5 9:1 3:7 5.85 5.26 0.17 0.39 0.5 细砂岩 2.0 7:3 5:5 7.80 6.82 0.48 0.48 1.0 泥岩 2.0 9:1 3:7 7.80 7.02 0.23 0.53 1.0 砂岩 4.0 7:3 5:5 15.60 13.65 0.97 0.97 2.0 泥岩 4.4 9:1 3:7 17.61 15.84 0.52 1.21 2.0 细砂岩 9:1 3:7 317.40 285.90 9.48 22.02 30.0 9m,放顶煤6m,累计开采垂高350m.每次采完 且待岩层移动稳定后，都要对模型上的观测点进 行一次全面地观测和计算，前后共进行了28次观 测计算.通过大址的数据分析，揭示了急倾斜特 厚煤层开采引起的岩层与地表移动的许多富有研 究价值的特点和规律 3.1地表移动规律 图2实验模型的测点布置 地表岩层移动稳定后，将地表开采沉陷状态 Fig.2 Location of measuring points in the test model 与地表原始状态进行比较，可以得到地表最终下 2.4测线设计与观测方法 沉曲线见图3 为了详细观测煤层开采引起的上覆岩层与地 模型横向距离mm 表的移动情况，实验中在开采煤层上覆岩层布置 2400 166014001120940 6004002401000 80560503002001000 了水平10行竖直23列观测点，各测点平均间隔 10 原型横向 约为10cm,并在实验架上固定了12个控制点，共 距离m 计242个测点.测方法采用经纬仪观测法，观测 精度为±0.2mm. 3岩层与地表移动规律 45 我国大部分矿区开采急倾斜厚及特厚煤层都 采用水平分层采煤方法及各种改进方案，至今已 图3地表最终下沉曲线 Fig.3 Curve of surface final subsidence 有近50多年的历史，积累了许多经验.本实验模 型采用水平分层综放开采方法，从海拔1350m开 图3表明，本矿特厚急倾斜煤层水平分层综 采，从上向下分层，每层采厚15m,其中割煤厚度 放开采对地表地貌产生严重影响，最大下沉值达

. 4 1 0 · 北 京 科 技 大 学 学 报 0 0 年2第6 5期 2 . 相3似材料配比 根据模型的主要岩性参数 (容重 和抗 压强度 ) 进行相似材料的配 比 . 实验选 取 石英砂 为骨料 , 石膏和石 灰为胶结物 的石 膏混合物为相似材料 , 配 比参数如表 1 . 图 2 为实验模型照 片及 测点布 置 图 . 衰 l 模型岩层厚度及配比今橄衰 aT bl e 1 Roc k s t ar t a t h l e k esn a n d p or 脚“ 肠n lug P a ar . 比 t e sr i n n倪日e l 讹 tign 岩性 厚度 / 材料配比 材料质量/掩 骨胶 比 膏灰 比 总干质量 石膏 粉砂岩 砂质泥岩 煤 5 粉砂质泥 岩 粉砂岩 油页岩 粉砂质泥 岩 粉砂岩 砂质泥岩 灰色细砂岩 泥岩 细砂岩 泥岩 砂岩 泥岩 细砂岩 10 . 0 1 . 5 5 . 0 2 . 0 1 . 0 1 . 0 4 。 0 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 0 4 . 0 4 . 4 8 : 2 9 : l 9 : 1 9 : l 8 : 2 9 : l 9 : l 8 : 2 9 : l 7 : 3 9 : 1 7 : 3 9 : l 7 : 3 9 : l 9 : l 1 5 . 6 0 7 . 8 0 3 9 . 0 0 5 . 8 5 石灰 0 . 8 6 0 . 5 3 2 7 3 0 . 3 9 2 . 0 1 . 0 7 曰. , 1 ` 19 . 5 0 7 . 8 0 3 . 9 0 3 . 9 0 1 . 0 8 0 . 5 3 1 5 . 6 0 3 . 9 0 5 . 8 5 7 . 8 0 7 . 8 0 1 . 0 7 0 . 2 4 0 . 3 9 0 . 4 8 0 . 5 3 5 : 5 3 : 7 1 5 . 6 0 1 7 . 6 1 0 . 9 7 1 . 2 1 2 . 0 2 . 0 3 1 7 . 4 0 石英砂 1 3 . 8 4 7 . 0 2 3 5 . 10 5 . 2 6 1 7 . 3 3 7 . 0 2 3 . 5 1 3 . 4 6 14 . 0 4 3 . 4 1 5 . 2 6 6 . 8 2 7 . 0 2 13 . 6 5 15 . 8 4 2 8 5 . 9 0 0 . 8 6 0 . 2 3 1 1 7 0 . 1 7 1 . 0 8 0 . 2 3 0 . 12 0 . 2 1 0 . 4 6 0 . 2 4 0 17 0 4 8 0 . 2 3 0 9 7 0 52 9 4 8 2 2 . 0 2 3 0 . 0 图 2 实验模型的测点布t n g . 2 L o` a tiou o f lr 沈 a` u d n g 卯 i n 朽 I n t触 1韶 t . 加d e l 2 . 4 测线设 计 与观测方法 为了详细观 测煤层开 采引起的上 覆岩层 与地 表的移 动情况 , 实验 中在 开 采煤 层上 覆 岩层布置 了水平 10 行竖 直 23 列观 测 点 , 各测点平均 间隔 约 为 10 。 m , 并在实验 架上 固定 了 12 个控制点 , 共 计 2 42 个测 点 . 测 方 法 采用经 纬仪观 测 法 , 观 测 精度为 士0 · Z m m · g m , 放顶 煤 6 m , 累计开 采垂 高 3 50 m . 每次采完 且待岩层移动稳定后 , 都要 对模型 上 的观 测 点进 行一 次全 面地观 测和 计算 , 前后共进行了 28 次观 测计算 . 通 过 大 量 的数据分析 , 揭示 了急 倾斜特 厚煤层开采引起的岩层与地表移动的许多富有研 究价值的特点和 规律 . 3 · 1 地表移动规律 地 表岩层 移动稳定 后 , 将地 表开 采沉 陷状 态 与地 表原始状 态 进 行比较 , 可以 得到 地 表最终下 沉 曲线 见图 3 . 3 岩层与地表移动规律 我国大部分矿 区开 采急倾斜厚 及特厚煤层 都 采用 水平分 层 采煤方 法 及 各种改进方 案 , 至 今 已 有近 50 多年的历 史 , 积 累了许多经验 . 本实验模 型采 用水平 分 层综放开采方法 , 从 海拔 1 3 50 m 开 采 , 从 上 向下分 层 , 每层 采厚 巧 m , 其中割 煤厚度 图 3 地衰最终下沉曲线 F ig . 3 C . vr e o f s u r fa 沈 n n a l s u b s id e n 沈 图 3 表明 , 本矿特厚急 倾斜煤层 水 平分 层综 放 开采对 地表 地 貌 产 生严 重 影 响 , 最 大 下 沉 值达

Vol.28 No.5 戴华阳等：急领斜煤层水平分层综放开采岩层移动规律 ·411· 到50m,形成塌陷坑；此处定义下沉率为岩层或 距煤层顶板高度的增大，其下沉率逐渐减小，反映 地表的下沉值与急倾斜煤层开采垂高之比，则地 了由于岩石的碎胀性，下层岩石的下沉量大于上 表的下沉率为0.143.在倾向剖面上，地表下沉盆 层岩石的下沉量 地呈现严重非对称性，下山方向地表下沉量较小， 地表开采原始状态 上山方向的下沉明显占优，最大下沉点偏向下山 一地表开采沉陷状多一、、 一侧. 原型横向距离m560、40一一 300B18200 26 岩层面顶板分布观测线2 3.2岩层移动情况 C17 图4为开采垂高350m时岩层垮落形态图， D16 图5为地表沉陷前后的地貌形态变化及沿顶板层 E15 面的岩层移动矢量图 F14 C13 H12 、岩层移动矢址 11 采空区 45° 图5沿顶板层面的岩层移动矢量图 围4开采垂高350m时岩层垮落形态 Fig.5 Vector diagram of strata movement Fig.4 Collapse form of rock strata when the vertical high of (1)上覆岩层不同开采阶段的下沉情况.实 mining is 350 m 验模型开挖过程中，测址岩层各测点在不同进度 由图5可知，顶板上破坏岩层同层上各点的 的下沉值，可作出下沉值-开采垂高曲线.取采空 下沉率与各点距开采最后阶段的竖向距离成非对 区上方产生采动影响的14号、15号、16号、17号 称非线性关系，在煤层顶板第一次出现脱离的水 竖向测线（测线自左向右编号）进行比较，4条竖 平方向下沉值最大，沿岩层面向两边递减（如图5 向观测线在不同开采阶段下的下沉值-开采垂高 沿顶板层面的观测线2). 曲线见图6 从不同高度的岩层移动数值来看，岩层下沉 (2)不同高度上覆岩层的下沉率.岩层移动 率与岩层距煤层顶板高度成线性关系，随着岩层 稳定后，取受采动影响比较大、位于采空区中部的 开采垂高m F采垂高m 169050100150200250300350 100 0 50100150200250300350 00200 B]4 30 3 +C】4 日 B15 C15 50 D14 一 D15 6 E14 El5 10500 F14 F15 -G14 -G15 0 H14 (a)14号观测线 ()15号观测线 开采垂高m F采垂高m 100 0 50100150200250300350 100 050100150200250300350 30 30 000 50 -B16 C16 70 -B17 0 D16 90 C17 +-E16 110 D17 130 =F16 E17 150 130 (c)I6步观测线 (d17观测线 图6 各竖向测线不同开采阶殷的下沉曲线 Fig.6 Surface subsidence curves of vertical measuring lines in different mining stages

o V l 。 N 2 O 8 。 截华阳等 5 : 急倾斜煤层水平分层综放开采岩层移动规律 到 0 5 m , 形 成塌 陷坑 ; 此 处 定 义 下 沉率 为岩 层或 地表的下沉 值与 急倾斜煤层 开 采垂高 之 比 , 则地 表的下沉率为 0 . 14 3 . 在倾向剖面 上 , 地表下沉 盆 地 呈现 严重 非对 称性 , 下山方 向地表下 沉量较小 , 上 山方 向的下 沉 明显 占优 , 最 大下沉 点偏向下山 一侧 . 3 . 2 岩层移动情况 图 4 为开采垂 高 3 50 m 时岩层 垮落形 态 图 , 图 5 为地表沉陷前后 的地 貌形 态变化及 沿顶 板层 面 的岩层移动矢 量 图 . 距煤层顶 板高度的增大 , 其下沉率逐 渐减小 , 反 映 了由于岩石的 碎胀性 , 下 层 岩石 的下沉 量 大于 上 层 岩石 的下沉 量 . 沿顶板层面的岩层移动矢 t 图 图 4 开采垂高 3 50 m 时岩层垮落形态 F已9 . 4 C o ll a 脚e ’f 片. . o f r o c k s t ar at w 映n t址 v e rt t国 h lg h o f m l . ign . 5 3 5 0 m 图 S F ig . 5 V ec ot r d iag ar m o f s t ar t a mo v e me n t 由图 5 可知 , 顶 板 上破坏 岩层 同层 上 各点的 下沉率与各点距开 采最 后 阶段 的竖 向距离成非对 称非线性关 系 , 在煤层 顶 板 第一 次出现 脱 离的水 平方 向下沉 值最大 , 沿岩层 面 向两 边递 减 (如 图 5 沿顶板层 面 的观测 线 2 ) . 从不 同高度的岩层 移动数值 来看 , 岩层 下沉 率与岩层距煤 层顶 板 高度成线性 关 系 , 随着岩层 ( 1) 上 覆岩层 不 同开 采阶段 的下 沉情 况 . 实 验模型开 挖过 程 中 , 测 量岩层 各测 点在不 同进度 的下沉值 , 可作出下沉 值一开采垂 高曲线 . 取采空 区上方 产生 采动影响的 14 号 、 巧 号 、 16 号 、 17 号 竖 向测 线 ( 测 线 自左 向右编号 )进 行 比较 , 4 条竖 向观 测线在不 同开 采阶段 下 的下 沉 值一开 采垂 高 曲线见图 6 . ( 2) 不 同高度上 覆岩层 的下 沉 率 . 岩层 移动 稳定后 , 取受采动影响 比较大 、 位于采空 区中部的 开采垂高 /m 50 10 0 15 0 2 00 2 50 3 0 0 3 5 0 50lL 0 50 2 5 0 3 0 0 3 5 0 | ì L f卜L . ó . 卜卜LL 佰100 406920357810 一 匆过卜、日 B 14 一 C 14 一 D 14 一 E 14 一 F 14 一 G 14 一 H 14 — G 】5 曰一n nU了. -lD 劝加叨犯印沁卯100 10 恻月蜷卜 一 1石牲聋 a( ) 14 号观测线 开采垂高 /m 5 0 10 0 150 2 0 0 2 5 0 30 0 35 0 一 l万胆 ~ 卑 ( b) 15 号观测线 开 采乖高 /m 50 l 0() 150 2 0 0 2 5 0 30 0 3 50 90330507110 恻嗽一卜遥 如103079 划蜷卜遏 】30 150 一 E 17 c( ) 16 号观测 线 (d ) 17 号观测线 F lg . 6 图 ` 各竖向测线不同开采阶段 的下沉 曲线 s u 加 ide n ce c u vr es o f v e rt ica l “ eI a s . r i n g I i n es i n d i r fe 代n t m i n i雌 s t a 旧e s

·412· 北京科技大学学报 2006年第5期 16号竖向观测线上各观测点B16,C16,D16,E16, 图.由图可见，急倾斜特厚煤层水平分层开采时 F16的数据进行分析，得到实验模型各水平高程 地表沉陷出现台阶式的塌陷盆地.在煤层露头地 上覆岩层下沉率与岩层高度和采高比的关系.实 表出现落差分别为60m和25m的两个大型台阶 测及计算数据见表2 裂缝，组成一个宽约150m的塌陷坑；在下山一侧 表2不同高度的岩层下沉值及其下沉率 地表出现落差为22m的台阶裂缝；整个塌陷盆地 Table 2 Subsidence value and subsidence rate of rock strata at dif- 呈现非连续移动变形形态，在相似模型实验中， ferent beights 开采垂高350m时岩层垮落与地表塌陷形态如图 测点距煤层 最终下沉 下沉率， 测点编号 4,随着开采垂高的增加，地表移动变形进一步加 顶板高度，H/m 值，W/m p 大，但地表沉陷范围并不连续扩大， B16 197.85 34.65 0.10 C16 147.70 70.85 0.20 5 结论 D16 98.20 113.35 0.32 (1)地表下沉曲线沿水平方向呈明显的不对 E16 47.25 123.65 0.35 称，下山方向地表下沉量较小，上山方向的下沉明 F16 0 140.55 0.40 显占优，最大下沉点偏向下山一侧，地表最大下沉 图6说明，随着开采阶段向下延伸，沿垂直方 量约为50m,下沉率为0.143 向岩体的移动存在一个临界影响距离，即岩层移 (2)在竖向上，不同高度的岩层下沉值不同， 动存在一个开采启动距离.煤层在从上向下的开 随岩层距煤层顶板高度的增大，其下沉值逐渐减 采过程中，对岩层的影响范围逐渐扩大.当煤层 小 开采未达到该启动距离时，岩层未受到影响，几乎 (3)急倾斜煤层顶板岩层有一定的影响范 不移动：一旦达到或超过该启动距离，岩层就开始 围.对于浅部阶段开采，顶板一侧岩层的垮落角 大幅度移动 为85°；随着开采垂高的增加，深部阶段开采岩层 急倾斜煤层顶板岩层有一定的影响范围，对 的垮落角越来越大；至开采垂高达到350m时，顶 于浅部阶段开采，顶板一侧岩层的垮落角为85°. 板一侧岩层垮落角为93° 随着开采垂高的增加，深部阶段开采岩层的垮落 (4)实验揭示了急倾斜煤层深部分层开采岩 角越来越大.至开采垂高达到350m时，顶板一 层移动的重要特点：急倾斜煤层浅部开采，岩层移 侧岩层垮落角为93°.由此可知，浅部急倾斜开采 动按一定角度向顶板一侧扩展，为深部开采岩层 岩层移动按一定角度向顶板一侧扩展，为深部开 移动提供了一条垮落通道，致使深部开采的垮落 采岩层移动提供了一条垮落通道，致使深部开采 范围不像浅部那样随垂高的增加而连续扩展，而 的垮落范围不像浅部那样随垂高的增加而连续扩 是沿着已有的垮落通道发生垮塌移动 展，而是沿着已有的垮落通道发生垮塌移动， 参考文献 4地表实际的垮落形态 [1]中国矿业学院，卓新矿业学院，焦作矿业学院.煤矿岩层与 地表移动.北京：煤炭工业出版社，1980 图7为开采垂高200m时实际地表塌陷形态 [2]李牺凤.急倾斜煤层开采.北京：煤炭工业出版社，1984 Q3m [3]戴华阳，王金庄，急倾斜煤层开采沉陷.北京：中国科学技 60T 03m 03m 25m Q3m 术出版杜，2005 22m [4]代高飞，郭胜均，尹光志，等.急倾斜煤层深部开采的相似 模拟实验和数值分析.矿业安全与环保，2001,28(4)：17 1000 [5]目泰和.急倾斜煤层开采引起断裂岩体移动规律，矿山测 量，1981(3)：15 [6]张俊英，戴华阳，郑志刚，等.多煤层条带开采实验模拟研 60 究.矿山测量，2000,3(4)：28 5 [7]Dai H Y,Wang J Z.Cai M F,et al.Seam dip angle based mining subsidence model and its application.Int J Rock Mech Min Sci,2002,39(1):115 图7开采垂高200m时地表实际塌陷形态 Flg.7 Measured surface collapse form when the vertical high of (下转第467页) mining is 200 m

· 4 1 2 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 5 期 16 号竖 向观 测线上各观测 点 B16 , C 1 6 , D 16 , E 1 6 , F 16 的数据进行 分析 , 得到 实验模型 各水平高程 上覆岩层 下沉率与岩层高度 和采高比的关 系 . 实 测及 计算数据见表 2 . 表 2 不同高度的岩层下沉值及其下沉率 T a b l e 2 5 皿加l山lI ce v a lue a n d s n 抽 Id e . c e ar t e o f r .此 k st , at 皿 t d皿f · 介代. t 映 19卜妇 测点编号 测点距煤层 顶板高度 , H / m 最终下沉 值 , W / m 下沉率 , 图 . 由图可见 , 急倾斜特厚煤 层水平分层开 采时 地表沉陷出现 台阶式的塌 陷盆地 . 在煤层 露头 地 表出现落差分别为 6 0 m 和 25 m 的两 个大型 台阶 裂缝 , 组成一个宽约 巧 o m 的塌 陷坑 ; 在下山 一侧 地表出现 落差 为 2 2 m 的台阶裂缝 ; 整个塌 陷盆地 呈现 非连 续移 动变形 形 态 . 在相似模型实 验中 , 开采垂高 3 5 0 m 时岩层垮落与地表塌 陷形 态 如图 4 , 随 着开采垂高 的增加 , 地 表移动变形进 一步加 大 , 但地表沉 陷范围并不连续扩大 . B 16 C 16 D 1 6 E 16 F 16 1 9 7 . 85 1 4 7 . 70 3 4 . 6 5 7 0 . 8 5 9 8 . 2 0 4 7 . 2 5 1 1 3 . 3 5 1 2 3 . 6 5 1 4 0 . 5 5 0 . 4 0 图 6 说明 , 随 着开采阶段 向下 延伸 , 沿垂直 方 向岩体的移动存在 一个 临界 影 响距离 , 即岩层 移 动存在一 个开 采启动距离 . 煤层在从上 向下的开 采过 程 中 , 对 岩层 的影 响范 围逐 渐扩大 . 当煤层 开 采未达 到该启动距离时 , 岩层未受到影 响 , 几 乎 不 移动 ; 一旦 达到 或超过 该启动距离 , 岩层就开 始 大幅度移动 . 急倾斜煤层顶 板岩层有一 定的影响范围 . 对 于浅部阶段开 采 , 顶板 一 侧岩层 的垮落角为 8 50 . 随着开采垂高的增 加 , 深 部阶段 开 采岩层的垮落 角越 来越 大 . 至 开采垂高达 到 3 50 m 时 , 顶 板 一 侧岩层垮 落角为 9 30 . 由此可知 , 浅部急倾斜开 采 岩层 移动按一 定 角度 向顶 板 一侧扩展 , 为深部开 采岩层移动提供 了一 条垮落通 道 , 致 使深部开 采 的垮落范围不像浅部那样随垂 高的增加而连 续扩 展 , 而 是沿 着已 有的垮落通 道发生垮塌 移动 . 4 地表 实际 的垮落形态 图 7 为开 采垂高 2 0 0 m 时实际地 表塌 陷形 态 5 结论 ( l) 地表下沉 曲线沿水平方 向呈 明显 的不对 称 , 下山方 向地表下沉量较小 , 上 山方 向的下沉 明 显 占优 , 最大下 沉点偏 向下 山一侧 , 地表最大下沉 量约 为 5 0 m , 下沉率为 0 . 143 . ( 2) 在竖 向上 , 不 同高度的岩层下沉值不 同 , 随岩层距煤层顶 板 高度的增 大 , 其下 沉值逐 渐减 小 . ( 3) 急倾斜煤层 顶 板 岩层 有一 定的影 响范 围 . 对 于 浅部阶段 开 采 , 顶 板 一侧岩层 的垮 落角 为 8 5 ’ ; 随着开采垂 高的增 加 , 深 部阶段 开 采岩层 的垮 落角越来越 大 ; 至开采垂 高达 到 3 50 m 时 , 顶 板 一侧岩层垮落角 为 9’3 . ( 4 ) 实验揭示 了急倾斜煤层深部分层 开 采岩 层 移动的重要特点 : 急倾斜煤层浅部开采 , 岩层移 动按 一定角度向顶 板 一侧扩展 , 为深部开 采岩层 移动提供 了一条垮落通 道 , 致 使深 部开 采的垮落 范围不像浅部那样随垂 高的增加而 连 续扩展 , 而 是沿 着已有的垮落通道 发生垮塌移动 . 参 考 文 献 Q3 m [ l ] [ 2 ] [ 3 」 [ 4 ] [ 5 〕 [ 6 ] [ 7 ] 袍喇咪嗽8 2已 开采垂离 Z o m 时地衰实际塌陷形 态 一mn `一Q “曰. F ig . 7 M eas . “ 闷 s . r fa 份 col l a 脚e fo mr w le n t加 , e d i ca l h lg 卜 o f m l n i lg 1 5 2 0 m 中国矿 业学院 , 阜新矿业学院 , 焦作矿 业学 院 . 煤 矿 岩层与 地表移动 . 北京 : 煤炭工业出版社 . 198 0 李栖凤 . 急倾斜煤层开采 . 北京 : 煤炭工业出版社 , 19 84 戴华阳 , 王 金庄 . 急倾斜煤层 开采沉陷 . 北京 : 中国 科学 技 术出版社 . 2 0 0 5 代高飞 , 郭胜均 , 尹 光 志 , 等 . 急倾斜煤 层深部开 采的相似 模拟实验和数值分析 . 矿业安全与环保 . 2 0 01 , 2 8( 4) : 17 吕泰和 . 急倾斜煤 层开采引起断裂 岩体移动规律 . 矿 山测 t , 1 9 8 1 ( 3 ) : 1 5 张俊英 . 截华 阳 , 郑志 刚 , 等 . 多煤层 条带开 采实验 模拟研 究 . 矿 山测t , 2 0 0 0 . 3 ( 4 ) : 2 8 aD i H Y , W a n g J Z , C a i M F , e t a l . eS a m d ip a n g l e b a s e d m i n i n g s u bs id e n e e m od e l a n d i t s a p p li e a t i o n . I n t J R oc k M et h M i n cs 泣 . 2 00 2 , 3 9 ( l ) : 1 15 (下转第 4 6 7 页 )

Vol.28 No.5 杨翠苹等：三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响 ·467· Internal defects in rolled pieces during three-roll cross wedge rolling YANG Cuiping,ZHANG Kangsheng,LIU Jinping,HU Zhenghuan Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The occurrence probability and existence form of internal defects in rolled pieces during three- roll and two-roll cross wedge rolling were compared and analyzed by finite element numerical simulation. The reason that the internal defects little occur at the center points and fissure takes an annular form during three-roll rolling was expounded based on the state of stress and strain at the center of rolled pieces.It is in- dicated that three-roll cross wedge rolling process has a distinct advantage in the forming quality of the cen- ter of rolled pieces. KEY WORDS cross wedge rolling;internal defects;finite element;stress;strain （上接第412页) Law of strata and surface movement due to horizontally-sliced mechanized top- caving mining at steep-inclined super-thick coal seam DAI Huayang1),YI Sihail),JU Wenjun2),YAN Yueguan,YANG Shijie3,QIAO Zhongdong3) 1)School of Resource and Safety Engineering.Beijing Campus,China University of Mining and Technology.Beijing 100083.China 2)Coal Mining Technology Department.Tiandi Science and Technology Co.Ltd..Beijing 100013,China 3)Gansu Huating Coal Electricity Co.Ltd.,Pingliang 744100,China ABSTRACT The subsidence characteristics of horizontally-sliced mechanized top-caving mining are differ- ent from those of either flat seam mining or steep-inclined middle-thick seam mining.Similar material mod- el test was used to simulate the rock mass movement of steep-inclined super-thick coal seam of a coal mine. The results revealed the law of strata movement and ground deformation due to horizontally-sliced mecha- nized top-caving mining at a greater depth of steeply-inclined seam,which would provide a guide to real mining. KEY WORDS steep-inclined super-thick coal seam;horizontal slice;mechanized top-caving mining;simi- lar material model test;law of strata and ground movement

V o l 。 2 8 N O 。 5 杨卑苹 等 : 三辊楔横轧 应力应变场对内部缺陷的 影响 . 4 6 7 · I n t e r n a l d e f e e t s i n r o ll e d P i e e e s d u r i n g t h r e e 一 r o ll e r o s s w e d g e r o lli n g 、恤N G C u i P i n g , Z H A N G K a n g s h e n g , L I U J i n P i n g , H U hZ e n动 u a n M ec h a n i e a l E n g i n e r i n g cS h o l , U n i v e rs i t y o f cS i e n e e an d T e e h on l呢y Be ij i n g . Be ij i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T T h e o c e u r r e n e e p or b a b i li t y a n d e x i s t e n e e f o r m o f i n t e r n a l d e f e e t s i n r o ll e d p i e e es d u r i n g t h r e - or ll a n d t w o 一 or ll e r os w e d g e or lli n g w e r e e o m p a r e d a n d a n a ly z e d b y fi n i t e e l e m e n t n u m e r i e a l s im u l a t i o n . T h e r e a s o n t h a t t h e i n t e r n a l d e f e e t s li t t l e o e e u r a t t h e e e n t e r 卯i n t s a n d fi s s u r e t a k e s a n a n n u l a r of rm d u r i n g t h r e e 一 or ll or lli眼 w a s e x 卯 u n d e d b a s e d o n t h e s t a t e o f s t r e s s a n d s t r a i n a t t h e e e n t e r o f or ll e d p i e e e s . I t 1 5 i n - d i e a t e d t h a t t h r e e 一 or ll e ors w e dg e or lli n g p or e e s s h a s a d i s t i n e t a d v a n t a g e i n t h e of r m i n g q u a li t y o f t h e e e n - t e r o f or ll e d P i e e e s . K E Y W O R D S e or s s w e d g e or lli n g ; i n t e r n a l d e f e e t s ; f i n i t e e l e m e n t ; s t r e s s ; s t r a i n (上接 第 4 一2 页 ) L a w o f s t r a t a a n d s u r f a e e m o v e m e n t d u e t o h o r i z o n t a ll y 一 s li e e d m e e h a n i z e d t o p - e a v i n g m i n i n g a t s t e e p 一 i n e li n e d s u p e r 一 t h i e k e o a l s e a m 以I 枷 a 脚 n g ’ ) , 竹 5 1人a i l ) , J u 讯nj u 。 2 ) , 以N 介馆 u a , ’ ) , 以隅 从 ij i e 3 ) , Q从 。 众 o n gd o n g 3 ) 1 ) cS h o l o f R ~ u cr e a n d aS fe t y E飞i n e r i n g , Be ij i吃 C am p u s . C h i n a U n i v e rs i t y o f M i n i n g a n d T ce h on l呛y , eB ij i n g 1 0 0 0 8 3 . C h i n a 2 ) C加 1 M i n i n g T ec h no l叩y eD p a rt m en t , T i a n d i 段i e n e e an d T e e h n o l呢y oC . L t d . , eB ij i n g 1 0 0 0 13 , C h i n a 3 ) G a n s u H u a t i n g C oa l E lce t r i e i t y oC . I J t d . , P i昭l i a n g 7 44 10 0 . C h i n a A BS T R A C T T h e s u b s id e n e e e h a r a c t e r i s t i e s o f h o r ioz n t a lly 一 s li c e d m e e h a n i z e d t o P 一 e a v i n g m i n i n g a re d if f e r - e n t for m t h os e o f e i t h e r fl a t s e a m m i n i n g o r s t e e P 一 i n e li n e d m id d l e 一 t h i e k s e a m m i n i n g . S im i l a r m a t e r i a l m od - e l t e s t w a s u s e d t o s im u l a t e t h e or c k m a s s m o v e m e n t o f s t e e P 一 i n e li n e d s u P e r 一 t h i c k e o a l s e a m o f a e o a l m i n e . T h e r e s u l t s r e v e a l e d t h e l a w o f s t r a t a om v e m e n t a n d g or u n d d e of rm a t i o n d u e t o h o r ioz n t a ll y 一 s li e e d m e e h a - n i z e d t o p 一 e a v i n g m i n i n g a t a g r e a t e r d e p t h o f s t e e p l y 一 i n e li n e d s e a m , w h i e h w o u ld p r o v i d e a g u i d e t o r e a ] m l l i n g · K E Y W O R D S s t e e p 一 i n e li n e d s u p e -r t h i e k e o a l s e a m ; h o r i z o n t a l s li e e ; m e e h a n i z e d t o p 一 e a v i n g m i n i n g ; s im i - l a r m a t e r i a l m o d e l t e s t ; l a w o f s t r a t a a n d g r o u n d m o v e m e n t