大采高采場(chǎng)覆巖頂板應(yīng)力規(guī)律三維相似模擬研究

陳 剛，姜耀東，曾憲濤，殷 磊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京， 100083)

大采高采場(chǎng)覆巖頂板應(yīng)力規(guī)律三維相似模擬研究

陳 剛1，姜耀東2，曾憲濤3，殷 磊1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京， 100083)

基于某礦區(qū)的地應(yīng)力分布和大采高的具體條件，開(kāi)展了采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道圍巖變形規(guī)律的相似模擬研究。研究主要以該礦1－2煤層的地質(zhì)賦存條件為典型背景，模擬開(kāi)采高度為5m和6m時(shí)，工作面和巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。通過(guò)大采高相似模擬實(shí)驗(yàn)，具體分析并總結(jié)了大采高開(kāi)采過(guò)程中工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

大采高;采場(chǎng);應(yīng)力;三維相似模擬

采場(chǎng)上覆巖層的結(jié)構(gòu)對(duì)采場(chǎng)圍巖具有控制作用，很多學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、數(shù)值分析等方式研究了上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提出了相應(yīng)的圍巖控制方案，但是對(duì)于多因素影響下的礦山壓力，很難通過(guò)建立微分方程進(jìn)行理論分析求解。雖然實(shí)測(cè)是研究礦壓的主要方法，但受人力、物力及客觀條件限制不易獲得煤巖體內(nèi)部的規(guī)律。

目前，相似材料模擬成為研究巖層結(jié)構(gòu)及巖層移動(dòng)的最常用的手段。相似模擬能人為控制實(shí)驗(yàn)條件，從而可以確定單因素或多因素對(duì)礦山壓力的影響規(guī)律，試驗(yàn)周期短、見(jiàn)效快、效果清晰直觀。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)采礦實(shí)驗(yàn)室的三維模型試驗(yàn)臺(tái)，模型試驗(yàn)臺(tái)的尺寸為2m×2m×3m(長(zhǎng)×寬×高)。

2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定及測(cè)點(diǎn)布置

2.1 模型建立

以上灣礦1－2煤層為三維相似模型試驗(yàn)的研究對(duì)象，其煤層平均開(kāi)采深度為139m，煤層厚度平均為6.77m，直接頂一般為砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖，厚度平均為10.44m，基本頂多為中砂巖或粗砂巖，厚度平均為9.5m。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各巖層材料力學(xué)性質(zhì)

模型建立分為2個(gè)階段完成。第1階段為煤層、直接頂、基本頂和泥巖砂巖互層的鋪設(shè)和位移測(cè)點(diǎn)的布置以及壓力盒的安設(shè)，然后對(duì)模型進(jìn)行自然干燥，待完全干燥后，進(jìn)行第2步的沖積砂層的鋪設(shè)。

模擬實(shí)驗(yàn)幾何相似比為1∶150，模型尺寸為2m×2m×1.3m(長(zhǎng)×寬×高)，模型煤巖層厚度為:煤層70mm，直接頂105mm，基本頂95mm，上層泥巖、砂巖互層共390mm，頂部為沖積砂800mm。試驗(yàn)采用的模擬材料鋪設(shè)尺寸如圖1。

圖1 三維模型實(shí)驗(yàn)相似材料布置

2.2 應(yīng)力測(cè)量

在泥巖砂巖互層、基本頂和直接頂中埋設(shè)壓力盒，其中直接頂 (平面III)中安設(shè)13個(gè)，基本頂(平面II)中安設(shè)13個(gè)，泥巖砂巖互層 (平面I)中安設(shè)9個(gè)，在工作面長(zhǎng)度方向的兩端各預(yù)留100mm的煤柱，壓力盒的安設(shè)平面布置如圖2。

開(kāi)采方式:按日產(chǎn)20kt設(shè)計(jì)，實(shí)際工作面長(zhǎng)取240m，割煤機(jī)每割一刀煤所用時(shí)間為1.6h。按照幾何及時(shí)間相似比原則，相似模擬工作面長(zhǎng)度取1.80m，時(shí)間相似常數(shù)取 5.5，模擬試驗(yàn)的17.5min進(jìn)一刀。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

整理相似模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到大采高工作面模擬開(kāi)采過(guò)程中的礦壓顯現(xiàn)和直接頂垮落規(guī)律，表2為開(kāi)采過(guò)程中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述。

3.1 直接頂和基本頂垮落及形態(tài)

(1)直接頂初次垮落 模擬試驗(yàn)開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)挖至36m時(shí)，直接頂發(fā)生垮落，垮落主要集中在模型左側(cè)區(qū)域，呈現(xiàn)出局部垮落特征，垮落主要為第1層頂板，垮落形態(tài)如圖3(a)所示。垮落后，第1層頂板與第2層頂板之間有明顯的離層，如圖3(b)所示。

(2)基本頂初次垮落 當(dāng)模型試驗(yàn)開(kāi)挖至60m時(shí)，基本頂出現(xiàn)初次垮落，在直接頂初次垮落至基本頂初次垮落過(guò)程中，直接頂基本處于隨采隨冒狀態(tài)。由表2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述可知，頂板初次來(lái)壓步距約60m左右，周期來(lái)壓步距約20m左右，試驗(yàn)結(jié)果與二維模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合。

圖2 壓力盒布置

表2 開(kāi)采過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述

圖3 開(kāi)挖過(guò)程中直接頂局部垮落形態(tài)

3.2 平面II壓力盒監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4，5～9，10～13的應(yīng)力變化曲線如圖4(a)，(b)，(c)所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線可知，沿工作面走向方向的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化值隨著開(kāi)挖距離的增加而增加，并與工作面開(kāi)挖距離呈非線性分布。

圖4(d)給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化與開(kāi)挖距離的關(guān)系曲線，其擬合方程可以用指數(shù)函數(shù)表示為:

式中，y為應(yīng)力變化最大值;x為開(kāi)挖距離;其中擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.9571。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線

圖5為沿工作面傾向布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，5，10的應(yīng)力變化觀測(cè)數(shù)據(jù)，由圖可知，由于測(cè)點(diǎn)位于切眼附近，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中其應(yīng)力變化幅值較小，整體體現(xiàn)應(yīng)力值不斷增大的特征。

3.3 平面Ⅲ壓力盒監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖6給出開(kāi)挖過(guò)程中各監(jiān)測(cè)位置的應(yīng)力變化特征，通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線可知，沿工作面走向方向的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化值隨著開(kāi)挖距離的增加而增加，應(yīng)力的增加與工作面開(kāi)挖距離呈非線性分布。與平面II壓力盒監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，其應(yīng)力變化幅值較小，表明整個(gè)開(kāi)挖及頂板垮落對(duì)Ⅲ層壓力盒的影響隨層高的增加而減弱。

3.4 不同平面壓力盒監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)不同平面壓力盒監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取對(duì)應(yīng)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖7分別給出了不同平面上的觀察點(diǎn)1，3，5和13四個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)結(jié)果。由圖可知，在采動(dòng)過(guò)程中，總體上平面III的應(yīng)力變化曲線比平面II的應(yīng)力變化曲線平緩，表明了平面II所受采動(dòng)影響大于平面III所受采動(dòng)影響。在開(kāi)挖距離小于測(cè)點(diǎn)所在位置時(shí) (未開(kāi)挖到測(cè)點(diǎn))，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本上保持增加的趨勢(shì)，并且達(dá)到最大值，當(dāng)開(kāi)挖距離大于測(cè)點(diǎn)所在位置時(shí) (開(kāi)挖過(guò)測(cè)點(diǎn))，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力發(fā)生了減小的變化。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，5，10應(yīng)力變化曲線

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線

圖7 不同平面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比

4 結(jié)論

(1)以相似模擬得出大采高開(kāi)采工作面頂板初次跨落步距約為60m，周期跨落步距約為20m;初次垮落步距和周期來(lái)壓步距均較大，垮落容易造成動(dòng)力沖擊，應(yīng)采取措施控制初次跨落距離。

(2)工作面前方形成支承壓力，其隨著工作面推進(jìn)而不斷推移，最大值發(fā)生在工作面中部前方，峰值可達(dá)原巖壓力的2～4倍，支承壓力峰值可深入煤體2～10m。由于頂板較堅(jiān)硬，在懸頂時(shí)工作面前方支承壓力較高，而采空區(qū)較低，當(dāng)頂板切落時(shí)，則前方壓力降低而采空區(qū)有所增加。

(3)對(duì)于堅(jiān)硬直接頂板，其破壞形式主要是拉斷和剪斷。

(4)大采高與同厚度煤層分層開(kāi)采相比，大采高開(kāi)采采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)及控制、覆巖運(yùn)動(dòng)、地表沉陷都有其新的特點(diǎn)，應(yīng)用關(guān)鍵層理論深入研究大采高條件下覆巖運(yùn)動(dòng)是解決上述問(wèn)題的可行途徑。

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3-d Analogue Simulation of Roof Stress Rule in Large-mining-height Mining Field

CHEN Gang1，JIANG Yao-dong2，ZENG Xian-tao3，YIN Lei1
(1.Resources＆ Safety School，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100013，China;
2.State Key Laboratory of Coal Resource＆ Safe Mining，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100013，China;3.Mechanics＆ Architecture School，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100013，China)

Based on geo-stress distribution，geological condition and mining condition of 1-2 coal-seam in a mine，underground pressure behavior of mining face and deformation rule of roadway＇s surrounding rock under the condition of 5m and 6m mining height was researched with analogue simulation in this paper.

large-mining-height;mining field;stress;3-d analogue simulation

TD322

A

1006-6225(2012)03-0005-04

2012－02－23

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 (973)資助項(xiàng)目 (2010CB226801)

陳 剛 (1963－)，男，陜西安康人，博士研究生，教授級(jí)高級(jí)工程師。

［責(zé)任編輯李宏艷］