采空区垮落顶板形态及其演化特征

揭示采空区垮落顶板形态特征对于近距离煤层上行开采、含水层下开采以及废弃采空区瓦斯分布等具有十分重要的意义。从开滦矿区12;号煤层开采后垮落顶板的现场地质雷达探测结果出发,综合运用材料力学、矿压理论与UDEC数值模拟的方法,对采空区垮落顶板形态的典型特征、形成机理进行了充分研究,描述了采空区"正-倒置三角形"垮落顶板形态动态演化特征,给出了采空区"正-倒置三角形"垮落顶板形态的概念。研究结果:(1)通过地质雷达探测反演结果可知,煤层顶板分层明显,采空区垮落顶板呈现正置三角形区域与倒置三角形区域交替出现的形态,其中正置三角形区域内下位岩块堆砌整齐、上位岩块堆砌杂乱,而倒置三角形区域内下位岩块堆砌杂乱、上位岩块完整性好;(2)采空区垮落顶板形态的出现是基本顶及其控制的上覆岩层周期破断与已破断的关键岩块再次破断共同作用的结果,当各关键岩块的极限抗弯强度小于受到的最大弯矩时即发生再次破断,且基本顶岩块与上覆岩层发生再次破断的位置不同,2者再次破断位置的差异导致采空区垮落顶板被分为正置三角形与倒置三角形区域;(3)提出了采空区垮落顶板"正-倒置三角形"形态的概念,当基本顶及其控制的上覆岩层分层明显时,在煤层开采工作面周期来压后,基本顶及其控制的上覆岩层关键岩块在最大弯矩的作用下发生再次破断,周期破断与再次破断位置将采空区垮落顶板呈现正置三角形与倒置三角形区域,形成"正-倒置三角形"的垮落顶板形态;(4)运用UDCE模拟获得了采空区垮落顶板的形态特征,一定程度上验证了采空区"正-倒置三角形"垮落顶板形态的存在性与合理性。