間距對上保護層開采保護效果影響的相似模擬實驗研究*

施　峰, 王宏圖, 舒　才

(重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044)

0　引言

我國煤炭賦存特點決定了礦井瓦斯突出威脅長期存在[1]。保護層開采是2種主要區(qū)域消突措施之一，國內(nèi)外學(xué)者從現(xiàn)場考察、數(shù)值模型、理論分析等方面對此進行了大量研究[2-5]。保護層開采效果的影響因素眾多，其中層間距是主要影響因素之一。

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中給出了上保護層開采最大保護垂距及卸壓角的經(jīng)驗值，但未確切給出上保護層開采保護效果與煤層間距之間確定性關(guān)系。目前上保護層開采保護效果與煤層間距之間關(guān)系的研究對象多為近水平煤層群或傾斜煤層群的走向保護效果[2-3,5]，部分上保護層開采沿煤層傾向保護效果的研究僅局限于保護角或保護范圍的單一保護效果指標效果分析[4]。

本文以南桐礦區(qū)同一對保護層與被保護層相同埋深相同傾角不同層間距的上保護層開采為工程背景，以傾斜方向的保護效果為研究對象，進行近距離(25 m)，遠距離(45 m)，超遠距離(65 m)上保護層開采相似模型實驗[6-8]，從被保護層卸壓規(guī)律、基于膨脹變形的上下邊界卸壓角和傾向保護范圍3方面綜合分析上保護開采保護效果隨層間距的變化規(guī)律。

1　實驗方案

1.1　研究對象概況

南桐礦區(qū)煤層賦存條件復(fù)雜，受地質(zhì)構(gòu)造影響煤層間距變化顯著，礦區(qū)內(nèi)主采煤層C4,C6層間距變化范圍25～70 m。C6煤層埋深平均約為650 m，位于C4上方，煤層平均傾角為45°，平均厚度分別為C4煤層2 m和C6煤層1.5 m。兩層煤均具有突出危險性，礦區(qū)內(nèi)礦井多選擇突出危險性較低的C6煤層進行上保護層開采，消除下部C4煤層突出危險性。C6保護層開采工作面長度平均約為70 m。

通過對礦區(qū)主要煤巖層進行單軸壓縮和巴西試驗，得到如表1所示巖石力學(xué)參數(shù)，為制作相似材料試件提供基礎(chǔ)。

1.2　實驗裝置參數(shù)

實驗裝置采用可旋轉(zhuǎn)物理相似模擬實驗臺。有效尺寸為2 000 mm×2 000 mm×300 mm；傾角可調(diào)節(jié)模擬0～70°范圍內(nèi)煤層傾角變化；頂部采用杠桿加砝碼方式補償?shù)貞?yīng)力以模擬開采深度。為減小邊界效應(yīng)，將工作面開挖區(qū)域布置在模型架對角線附近，并結(jié)合原型開采區(qū)域幾何形狀確定幾何相似比1∶100。

表1　各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)

1.3　相似模型設(shè)計

1)相似模型保護層間巖性的確定

在上保護層C6與被保護層C4間存在6層物理力學(xué)性質(zhì)不同厚度各異的巖層，改變層間距必須引起層間每一巖層厚度的變化，造成了層間距對上保護層保護效果研究的困難。相關(guān)研究表明采用厚度加權(quán)平均方法將多層巖層合為一復(fù)合介質(zhì)巖層或引入層間硬巖含量系數(shù)構(gòu)建簡化模型[6,9]仍可以體現(xiàn)層間巖層整體力學(xué)性質(zhì)。本文選擇采用厚度加權(quán)平均方法消除層間巖性因素的影響，即:

(1)

式中：Xi為復(fù)合巖層中第i分層的某物理力學(xué)參數(shù)在該復(fù)合巖層的加權(quán)平均值;li為復(fù)合巖層中第i分層的厚度;n為復(fù)合巖層中的自然地質(zhì)分層數(shù)。表2中層間復(fù)合巖層綜合了表1中C4，C6間各巖層物理力學(xué)性質(zhì)。

2)相似模型保護層間距的選取

礦區(qū)內(nèi)主采煤層C4，C6層間距變化范圍25～70 m，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》確定的最大保護垂距及上保護層開采下伏巖層分區(qū)相關(guān)研究[6,12]，確定進行25 m近距離、45 m遠距離、65 m超遠距離上保護層開采保護效果隨層間距的變化規(guī)律研究。

3)相似材料配比的確定

基于上保護層開采卸壓機理，相似模擬實驗需保證滿足動力相似和變形相似，即保證以下參數(shù)相似[10]：

(σ拉)m=Lm/L0×γm/γ0×(σ拉)0

(2)

(σ壓)m=Lm/L0×γm/γ0×(σ壓)0

(3)

Cm=Lm/L0×γm/γ0×C0

(4)

tan(φm)=tan(φ0)

(5)

Em=Lm/L0×γm/γ0×E0

(6)

νm=ν0

(7)

式中:(σ拉)m和(σ拉)0分別為模型和原型抗拉強度，MPa；γm和γ0分別為模型和原型容重，MN/m3；(σ壓)m和(σ壓)0分別為模型和原型抗壓強度，MPa；Cm和C0分別為模型和原型黏聚力，MPa；φm和φ0分別為模型和原型內(nèi)摩擦角，(°)；Em和E0分別為模型和原型彈性模量，MPa；νm和ν0分別為模型和原型泊松比。

根據(jù)動力相似和變形相似要求、模型架尺寸確定的1∶100幾何相似比和表1中原始煤巖層物理力學(xué)參數(shù)可確定相似材料及配比。

本次實驗選擇河沙、石膏和石灰作為相似模擬材料，通過制作不同配比的標準試件并進行單軸壓縮實驗[11]。最終確定相似材料配比、力學(xué)參數(shù)見表2。

表2　模型相似材料配比及物理力學(xué)參數(shù)

注：*3次實驗分別取250，450，650 mm。

1.4　測試裝置布置及相似模型制作

在保護層開挖的同時對模型變形進行觀測，并采集被保護層應(yīng)力的變化數(shù)據(jù)[13-15]。應(yīng)力測試系統(tǒng)由電阻應(yīng)變儀和預(yù)埋設(shè)已砂標的BX-1型高精度壓力盒組成，用來測定保護層工作面開挖前后被保護層內(nèi)的壓力變化情況；應(yīng)變測試采用網(wǎng)格法，數(shù)據(jù)采集裝置為1臺Sigmar公司ASMD3-16電阻應(yīng)變儀；并將被保護層膨脹變形量作為保護層開采保護效果的考察參數(shù)[7,9,13,16]。

相似模型鋪設(shè)每次上架厚度不超過20 mm，充分壓實，并在層間撒適量云母粉作為分層弱面。因在模型開挖階段，C6煤層開挖區(qū)域上下邊界在C4煤層中的對應(yīng)位置附近是C4煤層變形膨脹的極小值區(qū)，是確定傾向保護角和劃定保護范圍的關(guān)鍵區(qū)域。在這2處按圖1所示等間距安裝壓力盒。

模型鋪設(shè)完成后在模型上方用砝碼杠桿施加預(yù)定壓力，模擬設(shè)計開采深度。根據(jù)原型埋深確定施加質(zhì)量為10 kg的砝碼57個。

圖1　相似模擬壓力盒安裝示意Fig.1　Schematic diagram of installment of pressure transducers

2　實驗步驟

模型養(yǎng)護達到預(yù)定時間(20～30 d左右)，模型強度達到設(shè)計要求即進行模型開挖。開挖位置為模型中C6煤層中部，開挖長度為700 mm，如圖1所示。在工作面開挖前檢查并確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作后記錄清零并開始數(shù)據(jù)采集。在實驗過程中利用2 848×4 288像素的高精度數(shù)碼相機記錄上保護層開采過程中模型表面宏觀變形情況。數(shù)據(jù)采集直至工作面開挖完成上覆巖層變形穩(wěn)定，并保存實驗過程的所有數(shù)據(jù)和照片。

3　實驗結(jié)果分析

3.1　不同層間距被保護層卸壓規(guī)律

將層間距為250，450，650 mm的上保護層開采模型實驗的被保護層壓力盒卸壓數(shù)據(jù)在圖2中疊加，得到不同層間距的被保護層卸壓曲線。圖2中縱軸表示卸壓值，橫軸表示距保護層開挖區(qū)域中心線的層面距離；橫軸位置被保護層卸壓值為0，即原始地應(yīng)力；卸壓值大于0表示地應(yīng)力小于原始地應(yīng)力；卸壓值小于0表示該位置地應(yīng)力大于原始地應(yīng)力，即發(fā)生應(yīng)力集中。

圖2　不同層間距下被保護層卸壓曲線Fig.2　Unload pressure along the protected layers of physical similar simulation test with varying stratum distances

1)被保護層應(yīng)力卸壓曲線特征

從圖2中可知不同層間距被保護層卸壓曲線均呈“凸形”：曲線兩側(cè)斜率較大，即開挖區(qū)域上山及下山方向卸壓程度變化較大；曲線中心線附近相對平坦，即開挖區(qū)域中心卸壓值趨于平緩；在卸壓曲線兩翼邊緣接近原始地應(yīng)力位置不同層間距的卸壓曲線與橫軸的交點位置存在錯動，此處不同層間距卸壓曲線的規(guī)律性不顯著。

隨著層間距增大，卸壓曲線整體高度降低，說明層間距增大導(dǎo)致整體卸壓程度降低；卸壓曲線兩側(cè)斜率降低，說明層間距增大導(dǎo)致應(yīng)變變化程度下降；被保護層卸壓范圍上下邊界應(yīng)力集中程度下降；卸壓曲線右側(cè)降幅大于左側(cè)、卸壓極值位置偏于縱軸左側(cè)，與下保護層開采上被保護層卸壓極值位置偏向開挖區(qū)域上山方向的特征相反[16-18]。

2)被保護層卸壓范圍

①被保護層小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍

圖2中不同層間距卸壓曲線在橫軸上的截距即為被保護層傾向上小于原巖壓力的卸壓范圍，卸壓曲線在橫軸上的截距中心與保護層工作面中心線沿層面距離為距保護層開挖工作面中心線偏移距離。不同層間距被保護層中小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍見表3。

表3　不同層間距小于原巖應(yīng)力卸壓范圍特征

從表3可以看出，隨著層間距增加，小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍從669 mm減小為504 mm，呈單調(diào)減小趨勢；距保護層開挖工作面中心線偏移距離從-50 mm增大為-46 mm，說明卸壓中心隨層間距增大總體向保護層開挖工作面中心線方向靠近。

②卸壓曲線頂部最大卸壓值和應(yīng)力釋放率

不同層間距條件下得到的卸壓曲線頂部最大卸壓值、最大應(yīng)力釋放率列于表4。

表4　不同層間距卸壓曲線頂部最大卸壓值

表4說明隨著層間距增大，最大應(yīng)力卸壓值與最大應(yīng)力釋放率均呈下降趨勢，說明上保護層開采對下被保護層最大的卸壓影響程度逐漸減小。

③被保護層上下山方向應(yīng)力集中系數(shù)

由于層間距0.45 m的上保護層開采相似模擬實驗中壓力盒主要布置于被保護層的卸壓范圍內(nèi)，未能觀測到被保護層上下山方向的應(yīng)力集中情況，表5僅列出層間距為250，650 mm上保護層開采相似模擬實驗的保護層開挖區(qū)域中心線左側(cè)427.6 mm，右側(cè)377.5 mm處的應(yīng)力集中系數(shù)。表5中隨著層間距增加被保護層卸壓范圍上下邊界應(yīng)力集中程度均呈下降趨勢。

表5　上下山方向應(yīng)力集中系數(shù)變化

④上下山方向卸壓曲線斜率

表6中橫軸以上卸壓曲線兩側(cè)斜率均隨層間距增大而減小，右側(cè)斜率減小速度大于左側(cè)斜率減小速度，即隨層間距增大被保護層卸壓區(qū)域內(nèi)上山方向卸壓程度變化大于下山方向卸壓程度變化。

表6　卸壓曲線橫軸以上部分的平均斜率

3.2　不同層間距保護角、保護范圍變化規(guī)律

按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，在保護層與被保護層的層間距離、巖性及保護層開采厚度等變化不大情況下被保護層膨脹變形量3‰作為同一保護層和被保護層的保護范圍邊界準則。將模型中被保護層垂直層面方向的表面膨脹變形量大于3‰?yún)^(qū)域劃定為被保護范圍，膨脹變形量的觀測位置及觀測值在圖3中疊加。

圖3　不同層間距膨脹變形曲線及保護角保護范圍計算Fig.3　Swelling deformation curve with varying stratum distances & calculation chart of protective angle and protected scope

1)被保護層上下邊界保護角與層間距關(guān)系

根據(jù)圖3，仿照《《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中卸壓角概念定義下邊界膨脹變形保護角δ3(簡稱下邊界保護角)由膨脹變形曲線在保護層開挖區(qū)域下邊界附近3‰的點與保護層開挖區(qū)域下山方向邊界的距離及層間距確定：

(8)

式中：u3為膨脹變形量為3‰的點距保護層開挖區(qū)域下邊界的距離；h為上保護層開采層間距。

上邊界膨脹變形保護角的計算與下邊界類似。根據(jù)式(8)得到上保護層開采上下邊界的卸壓角，如表7所示。

表7　保護角及與《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》劃定卸壓角對比

從表7可以看出，下邊界保護角大于上邊界保護角；隨著上保護層開采層間距的增大，保護層工作面上下邊界保護角發(fā)生變化，但變化幅度不大；下邊界保護角平均為77°，上邊界保護角平均為67°，均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中以45°煤層傾角確定的上保護層開采上下邊界卸壓角，說明了上保護層開采過程中將下被保護層膨脹變形量大于3‰作為保護準則相對《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中按煤層傾角劃定的上保護層開采保護范圍偏于安全。

2)被保護層傾向保護范圍與層間距關(guān)系

根據(jù)上保護層開采上下邊界保護角確定被保護層傾向保護范圍；以保護層工作面傾向中心點為參考，定義被保護范圍傾向中心與保護層工作面中心點的傾向距離為傾向中心偏移距，用來確定保護范圍的整體位置。傾向中心偏移距以偏向上山方向為正，偏向下山方向為負。被保護層傾向保護范圍及傾向中心偏移距如表8所示。

表8　保護范圍大小與傾向中心偏移距隨煤層間距變化

由表8可知，隨著層間距增大保護范圍呈加速減小趨勢，如圖4所示，且保護范圍傾向中心隨著層間距增大向下山偏移。表8中對于不同的層間距，以膨脹變形量3‰確定的保護范圍均小于按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中基于煤層傾角劃定的保護范圍，因此以膨脹變形量大于3‰劃定的保護范圍偏于安全。

圖4　保護范圍隨層間距變化Fig.4　Protected scope variation with inter coal seam distance

4　結(jié)論

1)上保護層開采被保護層卸壓曲線呈“凸形”，“凸形”中心線偏向下山方向?！巴剐巍钡撞勘槐Ｗo層小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍與“凸形”頂部卸壓曲線頂部較大卸壓的范圍均呈減小趨勢。兩者中心位置均向下山方向轉(zhuǎn)移，且后者速度快于前者。

2)隨著層間距增大，被保護層卸壓曲線中低于原巖應(yīng)力的卸壓范圍的卸壓程度及高于原巖應(yīng)力的應(yīng)力集中范圍的應(yīng)力集中程度均呈減弱趨勢，低于原巖應(yīng)力的卸壓范圍內(nèi)卸壓程度在上山方向比下山方向上變化大。

3)以垂直層面方向膨脹變形量3‰確定的上下邊界膨脹變形保護角均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》按煤層傾角確定的上下邊界卸壓角，因此以下被保護層垂直層面方向膨脹變形量大于3‰作為保護準則相對按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中按煤層傾角劃定的保護范圍偏于安全。

4)不同層間距上保護層開采的保護范圍均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中按煤層傾角得到的保護范圍，且隨著層間距的增加以垂直層面方向膨脹變形量確定的保護范圍呈加速減小趨勢。

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