第２０卷第１期（总第１２２期） ２０１５年２月 煤矿开采 Ｖｏ１．２０Ｎｏ．１（Ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．１２２） Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１５ ＣＯＡＬ ＭＩＮＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 上覆巨厚坚硬岩浆岩破断运移规律的实验分析 蒋金泉 ，武泉森 ，张培鹏 ，王普 （１．山东科技大学采矿工程研究院，山东泰安２７１０００；２．山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛２６６５９０） ［摘要］ 针对工作面上覆巨厚坚硬岩浆岩条件，采用相似模拟实验研究方法，研究了巨厚岩 浆岩的破断运移规律。通过分析实验现象和实验数据，得知岩浆岩的初次破断是两端支承悬空结构中 部下位及端部上位拉破断所致，岩浆岩破断后下位离层闭合，岩浆岩初次破断后的覆岩呈现拱形状 态。岩浆岩２次周期性破断结构具有几何相似性，破断岩块呈平行四边形形态，并能够形成铰接结 构，周期破断后并不随之失稳运动。岩浆岩及其上位岩层几乎发生同步运移，岩浆岩作为主关键层控 制着采场覆岩运动，对覆岩结构有决定作用。 ［关键词］ 巨厚坚硬岩浆岩；破断运移规律；相似模拟；关键层 ［中图分类号］ＴＤ３２５ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００６—６２２５（２０１５）０ｌ一０００８—０４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ－ｔｈｉｃｋ ａｎｄ Ｈａｒｄ Ｍａｇｍａｔｉｃ Ｒｏｃｋ Ｓ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｂｒｅａｋａｇｅ Ｒｕｌｅ ＪＩＡＮＧ Ｊｉｎ—ｑｕａｎ ，ｗＵ Ｑｕａｎ－ｓｅｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｉ—ｐｅｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｐｕ （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 ｓｔｒｕｃ－－ ｔｕｒｅ 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 巨厚坚硬岩层在我国多个矿区均有分布，如新 击地压的防治、巷道维护有积极的作用。 １相似材料模拟实验 １．１模型特征 汶华丰煤矿巨厚砾岩、济宁三号煤矿巨厚岩浆岩、 兖州鲍店煤矿厚层红砂岩、淮北海孜煤矿巨厚岩浆 岩、淮北杨柳煤矿两层厚度较大的岩浆岩、铜川焦 坪煤矿巨厚砾岩、义马常村煤矿巨厚砾岩等 ｊ。 坚硬巨厚岩层具有厚度大（几十米甚至几百米）、 针对工作面上覆岩层中赋存着巨厚坚硬岩浆岩 的地层特点，按照相似理论构建相似材料试验模 型，模拟研究工作面开采过程中巨厚坚硬岩浆岩破 断运移规律。模拟地层原型的主要特征为：开采煤 层厚度８ｍ，上覆岩层主要由细砂岩、粉砂岩、泥 强度高（单向抗压强度５０～１１０ＭＰａ）等特点。煤 层开采后硬厚岩层悬空面积大、围岩应力集中程度 高、硬厚岩层下部离层空间大，硬厚岩层破断失稳 时动载强烈，易诱发矿震、冲击地压等动力现象， 甚至引发十分严重的地质灾害，给煤矿安全生产造 岩、煤层及岩浆岩等组成，上覆岩浆岩厚度为 ６０ｍ，距开采煤层的层间距为８０ｍ。相似模拟试验 成了严重隐患或威胁＿２ Ｊ。淮北杨柳煤矿煤层上方 有巨厚坚硬的岩浆岩，其运移失稳对采场安全具有 台规格为３ｍｘ０．４ｍＸ２ｍ，有效高度１．８ｍ，采用平 面应力模型，平面模拟试验台由框架系统、加载系 统和测试系统三部分组成。 潜在威胁，因此，研究岩浆岩破断运移规律就显得 尤其重要 咱 。通过相似模拟实验的方法可以直观 地观测到岩浆岩破断全过程，通过分析实验数据可 以获得巨厚坚硬岩浆岩破断运移的规律，对煤矿冲 ［收稿日期］２０１４—０７－３０ 根据相似理论 卜 以及参照前人相似模拟经 验确定本次实验相似比，其中几何相似比为１： ２００，时间相似比为１：１４，密度相似比为１：１．５， ［ＤＯＩ］１０．１３５３２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎｌ１—３６７７／ｔｄ．２０１５．０１．００３ ［基金项目］国家自然科学基金资助项目（５１３７４１３９）；山东省自然科学基金资助项目（ＺＲ２０１３ＥＥＭ０１８） ［作者简介］蒋金泉（１９６１一），男，江苏如东人，教授，博士生导师，从事矿山压力与岩层控制的研究工作。 ［引用格式］蒋金泉，武泉森，张培鹏，等．上覆巨厚坚硬岩浆岩破断运移规律的实验分析［Ｊ］．煤矿开采，２０１５，２０（１）：８－１１ ８ 蒋金泉等：上覆巨厚坚硬岩浆岩破断运移规律的实验分析 １．１０ ｒ ２０１５年第１期 蠢１｛｝｛ ｌ‘Ｏ。。６１ ｌ‘ ＋一测点１ ２ 。．．－．＿。．’。＿’—．－．－—．－ ．Ｉ．Ｌ． １．０４ 浆岩的两端产生裂隙，从而引起梁两端的破断失 稳。 （３）岩浆岩周期破断为弯曲拉破断，破断岩 块相互铰接，不易失稳，破断后形状呈现平行四边 形。２次周期破断具有相似性，长度几乎相等。 （４）坚硬巨厚岩浆岩为主关键层，对上位岩 层的控制作用明显，岩浆岩的破断导致岩浆岩上位 岩层整体下沉。 图６ ４号测线上主要测点垂直位移随工作面推进变化曲线 删 １｛｝｝ １［参考文献］ 工作面推进距离触 图７ ５号测线上主要测点垂直位移随工作面推进变化曲线 ［１］王金安，刘红，纪洪广．地下开采上覆巨厚岩层断裂机制 研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００９，２８（ｓ１）． 初期岩浆岩未发生破断可以承担自重及上覆岩层载 荷，此时岩浆岩上位岩层的位移并没有发生明显的 变化，当岩浆岩发生破断后，岩浆岩上位岩层也随 着发生弯曲下沉。 通过图６、图７可以看出，岩浆岩层和岩浆岩 上位岩层测点垂直位移变化曲线具有很大的相似 性，岩浆岩的破断导致了岩浆岩上位岩层的下沉， 岩浆岩上位岩层运移规律主要受岩浆岩控制。 ４结论 ［２］王平，姜福兴，冯增强，等．高位厚硬顶板断裂与矿震预 测的关系探讨［Ｊ］．岩土工程学报，２０１１，３３（４）． ［３］李化敏，付凯．煤矿深部开采面临的主要技术问题及对策 ［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００６，２３（４）：４６８—４６９． ［４］来兴平．西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害控制［Ｊ］．北 京科技大学学报，２００４，２６（１）：卜３． ［５］刘文岗，姜耀东，周宏伟，等．冲击倾向性煤体的细观特征 与裂纹失稳的试验研究［Ｊ］．湖南科技大学学报（自然科学 版），２００６，２１（４）：１４—１８． ［６］钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理论 ［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２０００． ［７］崔广心．相似理论与模型实验［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出 版社，１９９０． （１）从相似模拟实验中测得的数据可以得出 岩浆岩初次断裂的垮落步距为３８０ｍ，第１次周期 断裂步距为６０ｍ，第２次周期断裂步距为１ｌＯｍ。 （２）岩浆岩初次破断后的形状大体成拱形。 岩浆岩初次破断属于两端支承悬空结构的拉断破 坏，岩浆岩的中下部先出现裂隙，当中部裂隙发育 到一定高度时，在自重应力及上覆载荷的作用下岩 【８］柴敬，伍永平，侯忠杰，等．相似材料模型实验中围岩垂 直应力测试的实验研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０００，２２（３）． ［９］孙光中，高新春，韦志东．巨厚煤层开采覆岩运动规律模拟 ［Ｊ］．煤矿安全，２０１０，４１（７）：７１－７３． ［１Ｏ］李篷，陈延可，王列平，等．上保护层开采卸压范围的相 ［责任编辑：李宏艳］ 似模拟试验［Ｊ］．煤矿安全，２０１２，４３（１２）：３２－３５． （上接７０页） 两侧巷道围岩失稳的机制，指出原有支护系统护表 岩稳定性研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１１）： １８５７—１８６２． 和主动支护强度低、地应力大是导致巷道破坏和支 护失效的主要原因。 ［３］何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研 究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１６）． ［４］冯豫．我国软岩巷道支护的研究［Ｊ］．矿山压力与顶板管 （２）从加强主动支护和被动支护两方面综合 研究人手，提出了“强护表＋锚网索＋架棚”的联 合支护技术。 （３）两帮、顶底板收敛量及底鼓量数据表明， 理，１９９０（２）：１—５． ［５］杨建平，陈卫忠，郑希红．含软弱夹层深部软岩巷道稳定性 研究［Ｊ］．岩土力学，２００８（１Ｏ）：２８６４—２８７０． ［６］何满潮，吕晓俭，景海河．深部工程围岩特性及非线性动态 力学设计理念［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２（８）． ［７］柏建彪，王襄禹，贾明魁，等．深部软岩巷道支护原理及应 用［Ｊ］．岩土工程学报，２００８，３０（５）：６３２－６３４． ［８］王昌琪，刘玉成，帅亮乾，等．高预应力锚梁网索联合支护 在五凤煤矿煤巷中的应用［Ｊ］．煤矿安全，２０１２（９）． 该支护方式能够达到提高支护强度和维持围岩稳定 的目的。 ［参考文献］ ［１］姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等．深部开采中巷道底臌问题的 研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４，２３（７）． ［２］姜耀东，刘文岗，赵毅鑫，等．开滦矿区深部开采中巷道围 ［９］林健，赵英利，吴拥政，等．松软破碎煤体小煤柱护巷高 ［责任编辑：姜鹏飞］ １１ 预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用［Ｊ］．煤矿开采，２００７， １２（３）：４７—５０．
