工作面支承壓力變化規(guī)律相似模擬試驗(yàn)研究

譚 峰，胡才夢(mèng)，魏中舉*，劉富奎（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004）

工作面支承壓力變化規(guī)律相似模擬試驗(yàn)研究

譚 峰，胡才夢(mèng)，魏中舉*，劉富奎
（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004）

為揭示采動(dòng)影響下“三軟”煤層工作面的支承壓力隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，根據(jù)相似原理，通過(guò)建立二維相似模型對(duì)礦井模擬開(kāi)采，進(jìn)行支承壓力的分析，得出了支承壓力隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，為礦山開(kāi)采提供了理論依據(jù)。

采煤工作面；支承壓力；相似模擬

1　前言

煤層開(kāi)采時(shí)會(huì)在工作面煤壁附近產(chǎn)生支承壓力，該支承壓力隨著遠(yuǎn)離煤層而趨向緩和。在工作面前方會(huì)出現(xiàn)超前支承壓力，隨著回采工作的進(jìn)行而移動(dòng)，并且受巖層巖性的影響，其峰值位置及分布范圍對(duì)開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生重要影響。為進(jìn)一步了解煤層工作面支承壓力的性質(zhì)及變化規(guī)律，課題組進(jìn)行了相似模擬試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)中布設(shè)應(yīng)力傳感器，可以較為直觀地分析支承壓力的變化。

2　工程背景

本次相似模擬試驗(yàn)以六盤水礦區(qū)米籮煤礦某工作面為工程背景。工作面走向長(zhǎng)為452.5m，傾斜長(zhǎng)為166m，可采面積為75115m2，開(kāi)采煤層位于上二疊系龍?zhí)睹航M上段，厚度平均約2.3m，回風(fēng)順槽標(biāo)高在+1105.0～+1125.4m；運(yùn)輸順槽標(biāo)高在+1058.4～+1076.2m。地面對(duì)應(yīng)標(biāo)高在+1150～+1375m。

3　試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h2>

3.1模型制作

模型制作工序主要分為：裝模板、稱料、混料、加水?dāng)嚢?、裝料、搗實(shí)至規(guī)定高度。其中相似模擬材料為河砂、碳酸鈣、石膏粉等，在各分層里加云母粉作為層面隔離。試驗(yàn)前，要做到細(xì)查精檢，以保證實(shí)驗(yàn)成功順利進(jìn)行。由于模板高度的限制，需要在頂部加上模擬深度未能包括的那部分巖層重量，試驗(yàn)中采用千斤頂加壓的方式進(jìn)行處理。

3.2位移場(chǎng)觀測(cè)方法及測(cè)點(diǎn)布置

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁贾昧藥r層位移觀測(cè)點(diǎn)，采用固定在巖層中的紙片作為坐標(biāo)點(diǎn)，從下至上共22排，每排55個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，間隔均為5cm，開(kāi)采層上部2cm為第一排觀測(cè)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)紙片位置的變化來(lái)計(jì)算巖層及地表的位移情況。

3.3應(yīng)力觀測(cè)及測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)在模型中布置應(yīng)力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)巖層中應(yīng)力的變化，測(cè)試儀器為DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

為分析工作面不同位置支承應(yīng)力隨工作面推進(jìn)時(shí)的變化情況，繪制出每條測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片的應(yīng)力變化曲線，如圖1所示?？v坐標(biāo)表示巖層應(yīng)力值，工作面自左向右推進(jìn)，每個(gè)描述點(diǎn)為開(kāi)切眼與測(cè)點(diǎn)的距離（每個(gè)點(diǎn)距離為5cm，從11點(diǎn)開(kāi)始測(cè)），橫坐標(biāo)表示時(shí)間軸。

圖1　不同應(yīng)力測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的變化圖像

由圖1可以直觀的看出應(yīng)力隨時(shí)間的變化而變化的，并且描述點(diǎn)在相同的時(shí)間上應(yīng)力值也是不一樣的。由圖可以看出描述點(diǎn)值初始值零先增后減并且點(diǎn)16和17應(yīng)力方向發(fā)生來(lái)了改變，到描述點(diǎn)18又變回來(lái)。而在時(shí)間段10574～10598s時(shí)應(yīng)力值大多數(shù)為恒定值，只有在描述點(diǎn)17出現(xiàn)了最小值且為13MPa。

根據(jù)試驗(yàn)中觀測(cè)到的應(yīng)力變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的推進(jìn)，工作面前方煤體上會(huì)出現(xiàn)超前支承壓力，在開(kāi)采距離開(kāi)切眼55cm～60cm的時(shí)候應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生任何變化，而開(kāi)采到90cm時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值，隨后工作面推移應(yīng)力逐漸減小至恒定值。支承壓力可分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)及應(yīng)力不變區(qū)，在工作面前方支承壓力的峰值到煤壁為極限平衡區(qū)，向煤體內(nèi)則為彈性區(qū)。在回采工作面前后掩體形態(tài)可分為煤壁支承區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，壓力盒都經(jīng)歷了應(yīng)力由小變大，再由大變小，直至上覆巖層巖石壓實(shí)，應(yīng)力基本恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。由于壓力盒布置在覆巖里面，基本頂來(lái)壓后，在采空區(qū)后方煤柱附近形成了三角塊結(jié)構(gòu)，從而形成了支承壓力。采空區(qū)后方煤柱體內(nèi)的支承壓力不斷增加，隨著時(shí)間的推移，上覆巖層不斷壓實(shí)，直至最后穩(wěn)定，支承壓力也趨于穩(wěn)定。

5　結(jié)論

以米籮礦工作面為工程背景進(jìn)行了相似模擬試驗(yàn)，在煤層開(kāi)采后對(duì)覆巖應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得出了支承壓力在隨工作面推移的變化情況。支承壓力可分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)及應(yīng)力不變區(qū)；支承壓力隨著工作面而不斷移動(dòng)，煤壁前方為超前支承壓力，在工作面后方采空區(qū)支承壓力在巖層被壓實(shí)后趨向于穩(wěn)定。通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，可以總結(jié)出支承壓力的變化規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)有一定的理論指導(dǎo)意義。

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［2］顧士坦，蔣邦友，王春秋等.綜放采場(chǎng)覆巖破裂與超前支承壓力規(guī)律模擬研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2013，33（03）:11-14，127.

［3］魯巖，樊勝?gòu)?qiáng)，鄒喜正.工作面超前支承壓力分布規(guī)律［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（02）:184-187.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.182

貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201510977007）。

譚峰（1992-），男，貴州普安人，本科。

魏中舉。