采空區(qū)巖體碎脹系數(shù)的變化規(guī)律研究

尤耀軍

（山西煤炭進出口公司 洪洞恒興煤業(yè)有限公司，山西 洪洞 031600）

采空區(qū)巖體碎脹系數(shù)的變化規(guī)律研究

尤耀軍

（山西煤炭進出口公司 洪洞恒興煤業(yè)有限公司，山西 洪洞 031600）

以煤礦采空區(qū)冒落巖石壓力實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，參考郭廣禮[2]的回歸法公式：k=a/np+b，分析了工作面向前推進過程中采空區(qū)冒落巖層的碎脹系數(shù)的變化規(guī)律，并得出三點結(jié)論。

冒落巖石；壓力；碎脹系數(shù)

采煤工作面采空后，頂板冒落是地表沉陷的直接原因。因此，研究采空區(qū)冒落巖石的碎脹系數(shù)規(guī)律，對治理地表沉陷和位移具有現(xiàn)實意義；煤礦瓦斯抽放和頂板管理也與冒落頂板巖石的碎脹系數(shù)變化規(guī)律有關(guān)聯(lián)。本文基于煤礦的實測資料，研究了工作面向前推進過程中采空區(qū)冒落巖層的碎脹系數(shù)的變化規(guī)律，以對相關(guān)工作提供理論依據(jù)。

1 巖石的碎脹性

巖石的碎脹性主要是松軟巖石所表現(xiàn)的特征，采空區(qū)頂板巖石冒落后體積增大，它與原巖石體積的比率稱為巖石的碎脹率：k=v′/v.

式中：v′為冒落巖石破碎膨脹后的總體積，v為巖石處于整體狀態(tài)下的體積。

確定煤礦采空區(qū)不同位置冒落巖石的碎脹系數(shù)的變化規(guī)律有多種方法：插值法、求導(dǎo)法、線性回歸法、相似材料模型試驗等。作者通過比較分析，參考郭廣禮[2]“老采空區(qū)破裂巖體變形性質(zhì)研究”認為：無論巖石強度與塊度如何，碎脹系數(shù)與軸向壓力之間均呈指數(shù)關(guān)系，可以得出松散巖塊碎脹系數(shù)與軸向壓力具有如下的回歸關(guān)系：k=a/np+b.式中：k為碎脹系數(shù)，a、b為回歸系數(shù)，p為軸向壓力。

2 某礦井概況及采空區(qū)碎脹率的規(guī)律

某礦井生產(chǎn)能力0.90 Mt/a，水文地質(zhì)條件屬復(fù)雜，井田地質(zhì)構(gòu)造屬簡單型，各煤層煤塵均有爆炸危險性，煤層自燃等級（Ⅱ級），屬自燃煤層，井田可采煤層為3、5、7號煤。該礦工作面煤層厚度5.1m～7.55 m，平均厚度6.1 m，煤層傾角近似水平，煤的堅固性系數(shù)在2～3之間。井田內(nèi)東厚西薄、結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，含夾矸0～6層，大部為可采的穩(wěn)定煤層。直接頂板巖性多為泥巖、細砂巖，老頂為中砂巖，平均厚度2.1m為Ⅱ類中等穩(wěn)定頂板。底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，見圖1。

圖1 采空區(qū)冒落巖石示意圖

測試壓力數(shù)據(jù)的測點位置，布置在圖中Ⅰ和E（該位置采空區(qū)頂板冒落已經(jīng)趨于穩(wěn)定，適合布置測點）的交界處。測試方法是在工作面兩邊順槽向采空區(qū)打一定深度的鉆眼，在鉆眼里放置壓力傳感器，收集壓力數(shù)據(jù)。如表1所示。

把實測壓力數(shù)據(jù)，代入碎脹系數(shù)與垂直壓力的計算公式（k=a/np+b）可以得出：在工作面推進長度達到150 m左右及以后，碎脹系數(shù)在1.02及以下波動，總體趨于穩(wěn)定。而在工作面推進長度10 m～150 m之間，初始的碎脹系數(shù)由1.06逐漸降低到1.02；隨著距底板的測點距離逐漸增高，中間測點的碎脹系數(shù)由1.022逐漸升高到1.063。邊緣測點的碎脹系數(shù)在1.055波動。

表1 采空區(qū)冒落巖石壓力實測數(shù)據(jù)

表2 采空區(qū)冒落巖石中間測邊緣測點實驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

依據(jù)實測數(shù)據(jù)的計算結(jié)果分析，可以得到出三點結(jié)論：

（1）正常生產(chǎn)中，隨著工作面向前推進的距離增加，初始的碎脹系數(shù)逐漸降低；當工作面推進持續(xù)一定階段后，碎脹系數(shù)趨于穩(wěn)定。（2）沿工作面推進方向，在采空區(qū)的中間，碎脹系數(shù)由上至下逐漸減小。（3）沿工作面推進方向，在采空區(qū)的邊緣，由于采空區(qū)上方關(guān)鍵層的支撐及兩旁有煤柱的存在，使的碎脹系數(shù)由下至上近似相等。

［1］ 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制［M］.北京煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］ 郭廣禮，繆協(xié)興，張振南.老采空區(qū)破裂巖體變形性質(zhì)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2002（05）：44-47.

［3］ 張冬至，鄧喀中，周鳴.采動巖體碎脹系數(shù)變化規(guī)律研究［J］.江蘇煤炭，1998（01）：5-7.

［4］ 富強，吳健.放頂煤開采頂煤變形的膨(碎)脹率分區(qū)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（04）：519-521.

［5］ 繆協(xié)興，茅獻彪，胡光偉，馬占國.巖石(煤)的碎脹與壓實特性研究［J］.實驗力學(xué)，1997（03）：394-400.

Study on Broken Expansion Coefficient Variation of Rocks in Mined-out Area

YOU Yao-jun
(Hongtong Hengxing Coal Co.,Shanxi Coal Import and Export Co.,Hongtong Shanxi 031600)

On the basis of field data of pressure of roof falling rocks in mined-out areas and the regression formula of Guo Guang-li:k=a/n p+b,the study examines the broken expansion coefficient variation of roof falling strata in the process of driving and draws three conclusions.

roof falling rock;pressure;broken expansion coefficient

TD325

A

1672-5050（2012）04-0055-02

2011-10-15

尤耀軍（1973—），男，山西平陸人，本科，工程師，從事采礦技術(shù)工作。

徐樹文