第３７卷第２期　２０１４年２月　测绘与空间地理信息　

ＧＥｏＭＡＴｌＣｓ＆ＳＰＡＴＩＡＬ　ｌＮＦｏＲＭＡＴＩｏＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．，２０１４　

煤矿开采覆岩移动规律的相似模拟研究　

马荣振，徐良骥，高双　

（安徽理工大学测绘学院，安徽淮南２３２００１）　

摘要：以淮南某煤矿１８１１（１）工作面为研究对象，利用相似材料模拟试验，分析受采动影响的上覆岩层的移动　

变形规律。结果表明，受采动影响的上覆岩层依次发育成冒落带、裂隙带、弯曲带。通过对下沉、倾斜、曲率、水　

平移动、水平变形五个参数的动态曲线分析，总结上覆岩层的力学状态。　

关键词：相似材料模拟；覆岩移动；“三带”分布规律；移动变形　

中图分类号：ＴＢ２２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—５８６７（２０１４）０２—０２１４—０３　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　

Ｌａｗ　ｏｆ　Ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅｄ　Ｓｔｒａｔａ　

ＭＡ　Ｒｏｎｇ—ｚｈｅｎ，ＸＵ　Ｌｉａｎｇ—ｊｉ，ＧＡＯ　Ｓｈｕａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ，Ａｎｈｎｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ　２３２００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｆａｃｅ】８　ｌ１（１）ｏｆ　Ｈｕａｉｎａｎ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｙ．Ｓｉｍｉｌａｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｍｏｖｅ—　ｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　ｓｔｒａｔａ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ．ｎｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ａｆｔｅｒ　ｍｉｎｉｎｇ．ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒ－　ｂｕｒｄｅｎ　ｓｔｒａｔａ，ｃｏｌｌａｐｓｉｎｇ　ｓｔｒａｐ，ｃｒａｃｋ　ｓｔｒａｐ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｓｔｒａｐ　ｗｅｒｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ｔｕｒｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｉｖｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ，　

ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ，ｃｕｒｖａｔｕｒｅ。ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　ｓｔｒａｔａ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　ｓｔｒａｔａ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ；ｔｈｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｚｏｎｅ；ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｅ—　

ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　

ＩＪ　５Ｉ　罱　

相似材料模拟自１９３７年前在前苏联全苏矿山测量科　

学研究院首次用于研究岩层与地表移动问题至今，其实　

质是根据相似模拟原理，将矿山岩层按一定的比例缩小，　

用相似材料做成模型，在模型中模拟煤层开采，观测并记　

录模型上覆岩层的移动破坏情况，以此分析并推测出实　

地岩层和地表所具有的移动规律。作为室内研究的一种　

重要手段，具有研究周期短、成本低、成果现象直观等特　

点，已被广泛用于矿山开采沉陷规律研究中ｕ　。本文即　

以某煤矿１８１１（１）工作面１１—２煤赋存条件为原型，对其　

进行平面模拟试验，通过数据的采取获得相关参数，以研　

究煤层开采覆岩运动的变化规律。　

１　工程概况　

根据某煤矿开采的地质背景和目前技术水平，选择　

１８１１（１）工作面为研究对象，根据钻孔资料，该工作面平　均采深３９２．５　ｍ，煤层均厚１．８　ｍ，工作面走向长７２０　ｍ。　

倾向长１５５　ｍ，实行大采高一次采全高综合机械化采煤，　

顶板管理采用全部垮落法，工作面推进速度４．８　ｍ／ｄ。　

２模型制作与观测　

２．１模型设计与制作　

平面应变模型能直观地反映煤层开采后，顶板岩层　

的移动规律。因此，本次相似模拟试验采用安徽理工大　

学采矿实验室的平面应变模型试验台，其规格为：长×宽　

×高＝４．０　ｍ　ｘ０．３　ｍ×１．０　ｍ，模拟了１００　ｍ厚的岩层，其　

余上部岩层重力按均布荷载，以杠杆形式加载。因此，选　

择的几何相似常数ｏｔ　＝１００；根据岩石岩性及以往经验，　

选择容重相似常数仅，＝０．７５，由此推出应力相似常数Ｏｔ＝　

×Ｏ／，＝７５，时间相似常数为　＝　０ｃ，＝１０。相似材料以　

石英砂、河砂作骨料，以石灰、石膏、滑石粉作胶料。由于　

石膏凝结硬化快，试验选取硼砂作缓凝剂；选取云母粉模　

拟各岩层分层及构造层。　

收稿日期：２０１３—０４—０９　作者简介：马荣振（１９８８一），男，山东淄博人，大地测量学与测量工程专业硕士研究生，主要研究方向为矿山开采沉陷与矿区生态系　统修复技术。

　２ｌ６　测绘与空间地理信息　２０１４牟　

图４　１号观测线下沉动态曲线图　

Ｆｉｇ．４　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ＮＯ．１　

图５　１号观测线倾斜动态曲线图　

Ｆｉｇ．５　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｌｏｐｅ　Ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ＮＯ．１　

３）从曲率曲线图６可以看出　

随着工作面不断向前推进，曲率变形值不断增大，并　

在开采眼附近出现最大的正曲率和负曲率。当达到一定　

开采宽度时，极值点不再发生变化而稳定在某一固定值。　

图６　１号观测线曲率动态曲线图　

Ｆｉｇ．６　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｕｒｖａｔｕｒｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　Ｎ０．１　

４）从水平移动曲线图７可以看出　

开切眼附近水平移动的变形量较大，当工作面推进　

至２４０　ｍ时，水平移动变形值达到最大，往后变形值逐渐　

减小，这说明岩层水平移动开始减弱，并趋于稳定。　

图７　１号观测线水平移动动态曲线图　

Ｆｉｇ．７　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ＮＯ．１　

５）从水平变形曲线图８可以看出　水平变形曲线与曲率曲线的分布规律类似，随着工　

作面不断推进，变形值逐渐增大，当开采到一定宽度，变　

形值将趋于某一稳定值。　

图８　１号观测线水平变形动态曲线图　

Ｆｉｇ．８　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　

ｏｆｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉ０ｎ　ｌｉｎｅ　ＮＯ．１　

４结束语　

本文以１８１　１（１）工作面开采为例，通过研究受采动影　

响的岩层移动及变形规律的相似材料模拟试验，得出如　

下主要结论：　

１）随着工作面的推进，采空区上覆岩层从直接顶开　

始，依次发生冒落、断裂、离层、弯曲等岩层变形，最终形　

成冒落带、裂隙带、弯曲带“三带”发育。其中，冒落带岩　

块大小不一，不规则地堆积在采空区内，且岩块间空隙较　

大；裂隙带位于冒落带与弯曲带之间，岩层产生较大的弯　

曲、变形及破坏，裂隙带内岩层不仅产生垂直于岩层面的　

裂缝与断裂，而且产生顺层理面的离层裂缝；弯曲带内岩　

层在自重力的作用下产生层面法向弯曲，在水平方向处　

于双向受压缩状态，压实密度较好，且保持其整体性和层　

状结构。　

２）根据模型观测及变化曲线分析，煤层上方岩层在　

开采过程中，先后经历了移动甚微期、移动剧烈期和移动　

稳定期三个阶段。在移动甚微期，岩层移动变形很小；随　

着工作面推进，开采范围增大，岩层进入移动剧烈期，测　

点移动变形很大，这与煤层上方岩层发生离层，顶板断裂　

出现裂缝有密切关系；在移动稳定期，岩层之间又再次发　

生压合，移动曲线图中也显示出变化趋于温和，并最终达　

到稳定。　

参考文献：　

［１］何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学［Ｍ］．徐州：　中国矿业大学出版社，１９９１．　［２］　徐良骥，高永梅，张玉．全站仪在相似材料模拟实验的应　

用［Ｊ］．现代情报，２００４（４）：１８９—１９０．　［３］　王芳，徐良骥．电子经纬仪在煤层相似材料模拟实验中　

的应用［Ｊ］．露天采矿技术，２００６（１）：１８—２０．　［４］　王少华，刘凡，朱兴军，等．厚松散层条件下开采岩层移　

动与破坏规律试验研究［Ｊ］．矿井地质理论与技术研究　新进展，２０１２（１）：３７８—３８５．　

［５］　刘文静，屈晓荣，杨栋，等．大埋深条件下地表沉陷规律　相似模拟研究［Ｊ］．山西煤炭，２０１２，３２（２）：４１—４３．　［编辑：胡雪］