《开采损害与环境保护》课程实验指导书.docx

《开采损害与环境保护》课堂实验/实践指导书

课程中文名称：开采损害与环境保护

课程英文名称：MininginducedEnvironmentalDamageandProtection

课程编号：021010260

适用专业：采矿工程、智能采矿工程

学时数：4

学分数：0

课程类别：专业课程

应开课学期：第6学期 /

实验/实践一：覆岩运动规律的模拟方法及应用

实验/实践类型：综合型实验/实践学时：2

实验/实践要求：完成实践内容并撰写报告

一、实验/实践目的

覆岩运动规律的模拟方法及应用

二、实验/实践内容

1．相似模拟试验原理、制作及注意事项；

2．相似模拟试验下覆岩运动规律及分析。

三、仪器设备

依托河南理工大学能源学院相似模拟大厅二维及三维相似模拟试验平台。

四、实验/实践原理、方法、手段和步骤

1.采用相似模拟的方法，结合相似模拟试验实验的方法，为了便于理解，以近水平煤层开采为例，分析岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。

2.以水平煤层工作面向前推进为例，受到采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，如下图所示。

图1

图1采空区上覆岩层移动和破坏

由于岩层移动和破坏的结果，使采空区周围应力重新分布，形成增压区（支承压力区）和减压区（卸载压力区）。在采空区边界煤柱及其边界上、下方的岩层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的3～4倍。由于支承压力的作用，使该区煤柱和岩层被压缩，有时被压碎，煤层被挤向采空区，如图1-2所示。由于增压的结果，使煤柱部分被压碎，支承载荷的能力减弱，于是支承压力峰值区向煤壁深处转移。在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区，其应力小于采前的正常压力。由于减压的结果，使下部岩层发生弹性恢复变形。上部岩体由于受下部岩体移向采空区的结果，可能在顶板岩层内形成离层，而底板岩层在采空区范围内卸压，在煤柱范围内增压，两种压力作用的结果，可能出现采空区地板向采空区隆起的现象。

开展覆岩破坏分析，如三带分析：

煤层采出后，周围岩体产生移动，当移动和变形超过岩体的极限变形时，岩体破坏。根据工程的需要，岩层移动和破坏稳定后按其破坏的程度，大致分为三个不同的开采影响带，即冒落带（CavedZone）、裂缝带（FracturedZone）和弯曲带（ContinuousDeformationZone），如图1-7所示。

1、冒落带

冒落带（又称垮落带）是指由采煤引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范围。随着煤层的开采，其直接顶板在自重力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内。根据冒落岩块的破坏和堆积状况，冒落带可分为不规则冒落和规则冒落两部分。在不规则冒落部分内，岩层完全失去了原有的层位，在靠近煤层附近，岩石破碎、堆积紊乱。在规则的冒落带内，岩层基本保持原有层次，位于不规则冒落带之上。

冒落带内岩层破坏特征：

（1）在冒落带内，从煤层往上岩层破碎程度逐步减小。

（2）冒落岩块间空隙较大，连通性好，有利于水、砂、泥土通过。

（3）冒落岩石具有的碎胀性能使冒落自行停止。冒落岩石的碎胀性是指冒落岩石体积大于冒落前的原岩体积，常用岩石碎胀系数来表示。岩石碎胀系数是指从岩体中采掘或崩落下来的岩石，其整个体积与它在原岩体内的体积之比。岩石的碎胀系数取决于岩石性质，坚硬岩石碎胀系数较大，软岩碎胀系数较小。碎胀系数值恒大于1，一般在1.5～1.8之间。

（4）冒落带高度主要取决于采出厚度和上覆岩层的碎胀系数，通常为采出厚度的3～5倍。薄煤层开采时冒落高度较小，一般为采出厚度的1.7倍左右。顶板岩石坚硬时，冒落带高度为采出厚度的5～6倍；顶板软弱时，冒落带高度为采出厚度的2～4倍。实践中可用下式近似估算冒落带高度：

式中，h—冒落带高度；

m—采出煤层厚度；

α—煤层倾角；

k—岩石碎胀系数。

（5）冒落岩石间的空隙随着时间的延长和工作面推进距离的增加，在上覆岩层压力作用下，在一定程度上可得到压实。一般是稳定时间越长，压实性越好，但永远不会恢复到原岩体的体积。

2、裂缝带

裂缝带是指在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。裂缝带位于冒落带和弯曲带之间。根据垂直层理面裂缝的大小及其连通性好坏，裂缝带内的岩层断裂又分为严重断裂、一般断裂和微小断裂三部分。严重断裂部分的岩层大多断开，但仍保持其原有层次，裂缝的漏水严重。一般断裂