采礦工程相似材料及模型試驗(yàn)研究

王 展

0 引言

采礦工程遇到的巖體由于形成的漫長(zhǎng)歷史年代中產(chǎn)生的層理節(jié)理，或在工程開(kāi)挖影響下，發(fā)生不同程度破裂，采用連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模型不能很好地模擬分析潛在的巖塊滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，也很難進(jìn)行覆巖破裂過(guò)程變化的模擬;而相似物理模型試驗(yàn)?zāi)茌^好地再現(xiàn)力學(xué)破裂機(jī)理等特點(diǎn)，在基本滿足相似原理的條件下，能避開(kāi)數(shù)學(xué)和力學(xué)上的困難，較真實(shí)、全面、直觀、準(zhǔn)確地反映采場(chǎng)巖層的破裂、冒落和移動(dòng)規(guī)律，以及巖體工程的整體力學(xué)特征、變形趨勢(shì)及穩(wěn)定性特點(diǎn)，在研究綜放工作面覆巖運(yùn)動(dòng)及破壞規(guī)律方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[1-4]。因此，本文以煤礦井田工程地質(zhì)條件為背景，進(jìn)行了相似材料配比實(shí)驗(yàn);進(jìn)而建立沿工作面走向的平面模型，從非均質(zhì)巖體角度，探討了覆巖變形破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程及破壞模式，以期為該礦覆巖離層控制提供指導(dǎo)。

1 井田地質(zhì)狀況

某煤礦一綜放工作面位于21采區(qū)下山西部，該工作面為2-1特厚煤層，工作面標(biāo)高為-490 m～-520 m，平均埋深為480 m。煤層總厚度為6 m～10 m，平均厚度為8 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)育4層～5層夾矸。井田內(nèi)大中型斷層稀少，基本構(gòu)造形態(tài)為一簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造。工作面以長(zhǎng)臂垮落法開(kāi)采，工作面走向長(zhǎng)度為1674 m，傾向長(zhǎng)度為231.8 m。地層產(chǎn)狀平緩，走向近東西，傾向南，傾角11°～13°，沿走向略有變化。煤田內(nèi)基本構(gòu)造形態(tài)為一簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造、斷層稀少。直接頂為深灰～灰黑色泥巖，老頂為礫巖。

2 相似材料的選擇

相似材料主要包括骨料和膠結(jié)物。骨料多用河砂、滑石粉等;膠結(jié)物主要有石膏、石蠟、碳酸鈣、水泥等[5]。在目前的模型實(shí)驗(yàn)中，以石膏為膠結(jié)物的相似材料脆性與巖石比較接近，彈性模量和抗壓強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍較大，且制作工藝簡(jiǎn)單，材料來(lái)源方便，是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種巖性相似材料[6]。針對(duì)煤系地層巖體強(qiáng)度小、容重小、弱膠結(jié)特性，本文試驗(yàn)選用石膏和石灰為主要膠結(jié)料，粒徑小于0.05 mm的細(xì)砂為主骨料，并用云母粉模擬巖層的節(jié)理和層理。另外，考慮到石膏的膠結(jié)速度非?？欤瑢?shí)驗(yàn)時(shí)在水中加入一定質(zhì)量的硼砂，配成濃度為1%的硼砂溶液。

3 相似材料的配比實(shí)驗(yàn)研究

在進(jìn)行相似材料配比實(shí)驗(yàn)時(shí)，按一定的配比(337，555，637，773，873五種配比)稱(chēng)量砂子、石灰和石膏，混合攪拌均勻;加入適量的濃度1%為硼砂水，攪拌后，倒入準(zhǔn)備好的模子，做成直徑×高=39.1 mm×70 mm的圓柱體試塊;待模型干燥7 d后，將試塊放于全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行材料力學(xué)特性試驗(yàn)，得到相似材料物理力學(xué)特性如表1所示。

表1 相似材料模型的物理力學(xué)參數(shù)

相似材料三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)圍巖較低或圍巖為零時(shí)，試塊承受的切向壓力遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)力，其破壞形式以剪切破壞為主;當(dāng)圍壓較大時(shí)，試塊近似處于三向等壓狀態(tài)，其破壞裂紋主要分布在試塊表面，試塊破壞的難度加大。此外，不同圍壓下，相似材料砂漿比越小，試塊抗壓強(qiáng)度越高，峰值應(yīng)力越大，同一種材料，隨圍巖壓力的增加，相似材料抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)力同時(shí)增加，如圖1，圖2所示。

圖1 同圍巖下的相似材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖2 不同圍巖下的相似材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線

相似材料配比實(shí)驗(yàn)表明:砂、石灰和石膏的膠結(jié)物強(qiáng)度變化范圍較大，能使相似材料的強(qiáng)度性能、變形性能與原巖相似，且試驗(yàn)過(guò)程中材料性能穩(wěn)定，滿足物理模型試驗(yàn)的要求。

4 平面模型試驗(yàn)研究

平面模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)、客觀地反映采場(chǎng)巖層的破裂、冒落和移動(dòng)規(guī)律，在上覆巖層運(yùn)動(dòng)和發(fā)展規(guī)律研究中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，為此本實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化為沿煤層走向的平面模型，模擬采場(chǎng)寬度為200 m，模擬覆巖高度為150 m，其上未能模擬部分的巖層重力以重物加載的形式來(lái)體現(xiàn)。模型的幾何相似比為1∶200，模擬實(shí)驗(yàn)在1000×250×1000(mm3)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。采用配比號(hào)分別為555，637，773和337材料模擬上層覆巖、泥巖、煤層和底板，待模型干燥后在其上部施加重物荷載。由于煤層強(qiáng)度較低，工作面開(kāi)挖以人工開(kāi)鉆的方式進(jìn)行，假定采場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖速度為10 m/d，則根據(jù)運(yùn)動(dòng)相似定律，求得模型開(kāi)挖速度為每1.7 h推進(jìn)5 cm。

工作面開(kāi)挖后，在上覆巖層自重應(yīng)力的作用下，泥巖層開(kāi)始彎曲;離層由開(kāi)切眼處向工作面推進(jìn)向延伸，離層值增大。工作面巖層開(kāi)始工作面推進(jìn)80 m時(shí)，形成寬約為0.5 m，長(zhǎng)約為50 m的離層。當(dāng)巖層彎曲沉降發(fā)展到一定限度后，巖層端部率開(kāi)裂、中部隨后拉斷，從而形成“假塑性巖梁”并垮落，形成非對(duì)稱(chēng)狀、高約3 m的冒落拱。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)85 m的過(guò)程中，中位巖梁瞬間垮落，形成更大的冒落拱;因碎落巖體基本充滿采空區(qū)，從而相對(duì)有效地阻止了上覆巖層的變形、破壞和移動(dòng)。當(dāng)工作面推進(jìn)120 m時(shí)，伴隨上覆巖層離層、斷裂，上覆巖層垮落，導(dǎo)致冒落拱沿工作面方向出現(xiàn)周期破壞。

實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在采場(chǎng)上覆巖層中形成一個(gè)冒落拱，其拱跡線由巖梁折斷線和離層邊界線構(gòu)成。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，拱內(nèi)被裸露的巖層不斷向上位巖層中發(fā)展、傳遞，離層亦即不斷向上位巖層中傳播，進(jìn)而形成冒落拱的周期破壞過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

1)砂、石灰和石膏的膠結(jié)物強(qiáng)度變化范圍較大，能使相似材料的強(qiáng)度性能、變形性能與原巖相似，且試驗(yàn)過(guò)程中材料性能穩(wěn)定，滿足物理模型試驗(yàn)的要求。

2)相似模擬試驗(yàn)再現(xiàn)了21121綜放工作面覆巖運(yùn)動(dòng)和破壞的情景，覆巖冒落與工程實(shí)際相符，冒落的宏觀成拱效應(yīng)明顯，表明試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信。

[1]李海梅，關(guān)英斌，楊大兵.邯邢地區(qū)煤層底板應(yīng)力分布的相似材料模擬分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(6):24-25，28.

[2]楊 科，謝廣祥.綜放開(kāi)采煤層應(yīng)力分布規(guī)律的相似模擬研究[J].礦山壓力與頂板管理，2004(2):26-27，30.

[3]張健全，戴華陽(yáng).采動(dòng)覆巖應(yīng)力發(fā)展規(guī)律的相似模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].礦山測(cè)量，2003(4):49-51.

[4]李 純，馬俊楓，劉全明.綜放采場(chǎng)圍巖壓力分布規(guī)律相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦開(kāi)采，2007，12(6):64-67.

[5]蘇承東，勾攀峰，鄧廣濤.采礦平面應(yīng)力相似模擬試驗(yàn)裝置的研制[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，26(2):141-144.

[6]蘇 偉，冷伍明，雷金山.巖體相似材料試驗(yàn)研究[J].土工基礎(chǔ)，2008，22(5):73-75.