緩傾斜煤層開(kāi)采側(cè)向支承壓力分布特征模擬研究

司賢讓

（河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600）

緩傾斜煤層開(kāi)采側(cè)向支承壓力分布特征模擬研究

司賢讓

（河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600）

為全面了解緩傾斜煤層開(kāi)采后圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，運(yùn)用相似材料模擬法，以某礦綜采工作面的實(shí)際工程地質(zhì)情況為依據(jù)，分析了采場(chǎng)兩側(cè)向的支承壓力分布情況及應(yīng)力集中程度、應(yīng)力峰值距煤壁的距離、支承壓力的影響范圍等因素，為該礦采區(qū)巷道的合理位置布置提供參考價(jià)值。

緩傾斜煤層；相似模擬；側(cè)向支承壓力；分布特征

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)，采用一定的人工材料代替天然巖體制成模型，去研究實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)方法。用相似材料模型試驗(yàn)可以直接觀測(cè)到礦山壓力的變化過(guò)程和內(nèi)應(yīng)力的作用情況，能人為地依據(jù)礦山壓力作用下的圍巖條件進(jìn)行新技術(shù)、新方案的試驗(yàn)，可解決目前理論分析中尚不能解決的一些問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在采動(dòng)引起的支承壓力研究方面，多側(cè)重超前支承壓力分布規(guī)律的研究。而分析側(cè)向支承壓力的分布特征，可以為巷道位置的布置及護(hù)巷煤柱的合理尺寸提供依據(jù)，從而避開(kāi)應(yīng)力峰值區(qū)，減少采動(dòng)壓力對(duì)巷道的影響。本文以某礦井的實(shí)際工程地質(zhì)資料為依據(jù)，采用相似材料模擬方法分析側(cè)向支承壓力的分布特點(diǎn)，為今后多煤層采區(qū)巷道的布置提供參考價(jià)值。

1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

1.1 模擬的地質(zhì)條件

以某礦15016工作面的地質(zhì)條件為工程試驗(yàn)背景，采用平面模型研究緩傾斜煤層工作面?zhèn)认蛑С袎毫ψ兓闆r。該工作面煤層厚度基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度在3.0m～3.6m之間，平均3.4m；煤層埋深500m，傾角變化不大，在9°～15°之間，平均12°；煤層?xùn)|西走向起伏較大，由東向西逐漸上坡。煤層頂?shù)装迩闆r：直接頂為砂質(zhì)泥巖，距煤層頂板0.8m左右有1層0.1m～0.5m的煤線，該層易隨采隨落。直接底為一薄層泥巖，遇水易膨脹。

1.2 相似參數(shù)的確定

模型架的尺寸為2m×0.18m×1.7m（長(zhǎng)×寬×高），根據(jù)相似原理，依據(jù)選定模型架尺寸及其他條件綜合考慮，確定主要相似系數(shù)：幾何相似系數(shù)aL=0.01，時(shí)間相似系數(shù)at=0.071，容重相似系數(shù)ar=0.6，應(yīng)力相似常數(shù)aσ=0.006。由相似定理及以上各基本的相似系數(shù)，可導(dǎo)出如下相似系數(shù)：外力比ap=6.0×10-7,強(qiáng)度比af=0.006，泊松比 au=1。由于無(wú)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)資料，可以近似認(rèn)為是均質(zhì)重力場(chǎng)，所以初始應(yīng)力場(chǎng)是相似的。模型兩側(cè)由于干燥收縮和開(kāi)采引起的開(kāi)裂與實(shí)際不符，但留有較寬大的邊界，所以邊界條件也是近似相似的。

1.3 相似材料配比及用量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖。利用RMT—150B(巖石材料試驗(yàn)機(jī))測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)得各巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)。選取細(xì)河沙、石膏和碳酸鈣配制不同比例的相似材料。每組3塊（10 cm×10 cm×10 cm），自然干燥7 d，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，取3個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的平均值作為該材料配比號(hào)的抗壓強(qiáng)度。各巖層巖石力學(xué)性質(zhì)和相似材料的配比如表l所示。

1.4 模型的制作及加載

模型的制作按以下步驟進(jìn)行：①在模板內(nèi)表面涂上機(jī)油，并將其安裝固定在模型架兩側(cè)；②根據(jù)上述表格計(jì)算出的分層材料用量，分別稱量所需砂、碳酸鈣、石膏的重量，倒入攪拌機(jī)內(nèi)，混合攪拌；③向混合料中加入一定量的緩凝劑（硼砂）和水，攪拌均勻；④將配制好的材料倒入模型架，用刮刀抹平，并搗固壓實(shí)；⑤邊上模板，邊倒入材料，重復(fù)步驟①－④，直至設(shè)計(jì)高度；⑥干燥一周后，拆掉兩側(cè)模板，繼續(xù)干燥兩周后便可進(jìn)行開(kāi)采和觀測(cè)。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)及配比

需要注意的是，在模型制作時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制分層鋪設(shè)的間隔時(shí)間（2min-5min），并在層與層之間撒入一定量的滑石粉來(lái)模擬層理面，在模擬煤層的材料中摻入適量的粉煤灰，以降低材料的容重，整個(gè)模型一次鋪設(shè)完成。

模型頂部加載是為了補(bǔ)足模擬深度未能包括的那部分巖層重量。由于開(kāi)采形成支承壓力，雖然其隨著遠(yuǎn)離煤層而趨向緩和，但由于模擬深度不大，上部邊界載荷分布并非均勻，且受到巖性影響，因此需要在加載重物與模型之間安置具有適當(dāng)剛度的介質(zhì)層，使介質(zhì)層和下方巖層的相互作用產(chǎn)生合乎實(shí)際的壓力重新分布。此次試驗(yàn)采用杠桿加載，以重物塊數(shù)及支點(diǎn)位置調(diào)節(jié)加載量。為防止加載偏心或杠桿因模型被開(kāi)采而下沉變?yōu)樾敝?，故其一端裝有調(diào)節(jié)螺桿以便隨時(shí)將杠桿調(diào)平。為了保證加載的均勻性，載荷是通過(guò)杠桿加在矩形鋼板（0.18 m×0.3m）上面，每個(gè)杠桿上加載塊數(shù)為5塊。杠桿間距為1.5m處。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈_(kāi)采與觀測(cè)

為研究煤層開(kāi)采時(shí)側(cè)支承壓力分布特征，采用的測(cè)量系統(tǒng)為：JS-14型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀，DYB-1系列土式傳感器。在己1煤層頂板左右兩側(cè)各埋設(shè)了9個(gè)傳感器，與煤壁的距離分別為0.05m、0.10 m、0.15m、0.20m、0.25m、0.30m、0.35m、0.40m和0.50m。

試驗(yàn)中采用攝影測(cè)量法對(duì)模型進(jìn)行拍照，照片能夠直觀反映了模型的變形和破壞過(guò)程。素描法能夠彌補(bǔ)攝影法不能對(duì)模型所表現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行確切的描述的不足。因此，試驗(yàn)中采用攝影測(cè)量及素描法相結(jié)合的方法研究上覆巖層的幾何形態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

模擬工作面回采時(shí)每4 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一次，并根據(jù)每個(gè)傳感器標(biāo)定方程，求出垂直應(yīng)力，并換算成應(yīng)力集中系數(shù)。為描述側(cè)支承壓力分布特征，將監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成如圖1所示的曲線。

根據(jù)圖1可將煤體邊緣分為3個(gè)區(qū)段：

I．小于原巖應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū)：靠邊緣附近的煤體，可視為處于單向受力狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度較小，在高應(yīng)力作用下，煤體已發(fā)生破壞。如果按壓力特征分區(qū)，則塑性區(qū)處于壓力下降區(qū)內(nèi)，該區(qū)的垂直應(yīng)力比原巖應(yīng)力小。

II．塑性區(qū)：從應(yīng)力降低區(qū)往煤體深處，由于層面之間的摩擦力作用，致使煤體在水平方向的擠壓力增加，由單向受力狀態(tài)逐步過(guò)渡到雙向乃至三向受力狀態(tài)。其抗壓強(qiáng)度也逐漸加大，直至支承壓力高峰。在該區(qū)段煤體中的應(yīng)力已超過(guò)其彈性極限，煤體處于塑性變形狀態(tài)。

III．彈性變形區(qū)段：從塑性再深入煤體，支承壓力隨遠(yuǎn)離煤壁而逐漸遞減，直至恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果表明此區(qū)域范圍大于40m。

圖1 己1煤層應(yīng)力集中系數(shù)分布特征

根據(jù)圖1煤層側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)變化所示。工作面?zhèn)认?0m范圍內(nèi)，煤體的應(yīng)力變化不明顯；工作面?zhèn)认?0m～30m，測(cè)點(diǎn)處煤體應(yīng)力逐漸升高。這說(shuō)明測(cè)點(diǎn)處煤體受到采動(dòng)的影響，工作面?zhèn)认虻?5 m～25m區(qū)間，應(yīng)力急劇上升，應(yīng)力曲線斜率很大，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在此范圍內(nèi)，最大集中應(yīng)力出現(xiàn)在煤壁前方的0～12m區(qū)段。工作面?zhèn)认?0m～40m區(qū)段，煤體內(nèi)應(yīng)力急劇下降。相似模擬結(jié)果表明煤層開(kāi)采后應(yīng)力降低區(qū)范圍為5m左右，最大應(yīng)力應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.4，峰值距煤壁25m左右。

4 結(jié)論

⑴采用相似模擬實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)建立平面開(kāi)采模型，成功地研究了緩傾斜煤層開(kāi)采側(cè)向支承壓力的分布特點(diǎn)；但相似模擬模擬得到的變化曲線僅能反映側(cè)向支承壓力變化趨勢(shì)，并不能精確預(yù)測(cè)其變化量，只有與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)值相結(jié)合，才能有效的指導(dǎo)生產(chǎn)。

⑵根據(jù)工作面?zhèn)认蝽敯褰Y(jié)構(gòu)和頂板支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特點(diǎn)，將側(cè)向分為如下區(qū)域：側(cè)向小支撐結(jié)構(gòu)保護(hù)區(qū)(塑性流動(dòng)區(qū))；側(cè)向小支撐結(jié)構(gòu)承載區(qū)(塑性流動(dòng)區(qū)外邊界)；大結(jié)構(gòu)承載區(qū)(塑性軟化區(qū)和塑性硬化區(qū))；原始結(jié)構(gòu)應(yīng)力區(qū)。

⑶通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤層開(kāi)采時(shí)，在煤層采場(chǎng)兩側(cè)的支承壓力集中系數(shù)平均達(dá)到2.9，峰值距煤壁距離約25m左右，側(cè)向支承壓力影響范圍約40m。區(qū)段巷道的布置應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力高峰區(qū)，如采用沿空掘巷技術(shù)，巷道位置最好布置在側(cè)向小支撐結(jié)構(gòu)保護(hù)區(qū)(塑性流動(dòng)區(qū))即0～4m范圍較合理。

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Simulation Study of Abutment Pressure Distribution in Gently Inclined Coal Seam M ining

SIXian-rang

(Shenhuo Coal and Electricity Co.,Yongcheng Henan,476600)

To thoroughly understand the surrounding rock pressure distribution in gently inclined coal seam after themining,similarmaterial simulation was used to analyze the supporting stress distribution in both sides,stress concentration,distance between peak stress and walls,and influential range of abutment pressure on the basis of engineering geology condition,which is valuable for the rational roadway layout.

gently inclined coal seam;similar simulation;abutment pressure;distribution characteristics

TD315+.3

A

1672-5050（2011）10-0031-03

2011-08-21

司賢讓（1980—），男，河南永城人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦現(xiàn)場(chǎng)安全管理和技術(shù)管理工作。

徐樹(shù)文