低透氣性煤層開采覆巖應(yīng)力與變形特征實(shí)驗(yàn)分析

張 璐,李海洲,劉國磊

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049； 2.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 礦山工程技術(shù)研究所,山東 淄博 255049)

煤層開采中，圍巖變形特征與破壞機(jī)理分析是有效防治煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的理論基礎(chǔ)和依據(jù)[1-2]，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)是研究突出機(jī)理的重要手段。國內(nèi)對煤層開采中頂板變形的研究成果頗豐，并取得了良好的應(yīng)用效果[3-8]，但過渡區(qū)開采過程中，由于應(yīng)力的增加，使得工作面圍巖變形加劇，加之我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖變形形式與特征不盡相同。因此，通過物理相似實(shí)驗(yàn)開展圍巖變形的研究與分析具有重要意義。本文以新景煤礦蘆南一區(qū)8#煤采掘工作面地質(zhì)條件為背景，建立采掘過程中頂板變形破壞數(shù)值分析模型和煤與瓦斯突出的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析在工作面?shí)際地質(zhì)條件下，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層結(jié)構(gòu)的變形、移動與垮落特征與瓦斯突出機(jī)理。

1 工程背景

新景礦蘆南一區(qū)8#煤北翼采區(qū)位于新景公司的東北部，東西寬3 197 m、南北長2 228 m，面積為7.1 km2。埋藏深度480～600 m。在回采過程中揭露的地質(zhì)情況主要是陷落柱和斷層。

8#煤直接頂為泥巖，黑色，含植物化石，中部夾1～2層菱鐵礦結(jié)核，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖。老頂為細(xì)粒砂巖，灰白色，以石英為主，長石次之，夾泥質(zhì)條帶，含云母和黑色礦物硅質(zhì)膠結(jié)。直接底為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，富含植物化石和黃鐵礦，頂部常相變?yōu)槟鄮r。

2 物理相似實(shí)驗(yàn)方案

以新景礦8#煤層采掘工作面實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù)，主要考慮巖層分布于斷層構(gòu)造，建立采礦相似模擬實(shí)驗(yàn)臺。通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺頂部油缸載荷模擬采場地應(yīng)力變化，通過開挖煤層模擬采動影響，形成模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上安設(shè)應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變片、攝(錄)像器材等，可監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中頂板圍巖變形的宏觀特征。

圖1 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Physical similarity simulation experiment system

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及本試驗(yàn)所模擬的巖層性質(zhì)，決定以細(xì)河砂為骨料，以水泥和石膏為膠結(jié)材料，用四硼酸鈉(硼砂)作為緩凝劑，斷層處采用石英砂作為填充材料進(jìn)行鋪設(shè)。

2.1 實(shí)驗(yàn)相似系數(shù)的確定

實(shí)驗(yàn)在2.5 m×0.20 m×1.4 m(長×寬×高)規(guī)格的剛模型架上進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)選定模型架尺寸及其他條件綜合考慮，確定相似系數(shù)如下：

1)模型幾何相似系數(shù)(幾何比)：本次模型試驗(yàn)采用平面應(yīng)力模型，長度相似系數(shù)100。

3)容重相似系數(shù)：0.6。

4)其它力學(xué)參數(shù)相似系數(shù)。由相似定理及以上個基本參數(shù)的相似系數(shù)，可導(dǎo)出如下相似系數(shù)：強(qiáng)度比為0.006，外力比為6×10-7，彈模比為 0.006，泊松比為1。

5)初始條件及邊界條件相似?？梢越普J(rèn)為是均質(zhì)重力場，所以初始應(yīng)力場是相似的。

2.2 相似材料配比及用量

參照《礦山壓力的相似模擬試驗(yàn)》中的材料配比，進(jìn)行相似材料配比調(diào)整試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：(1)將試模內(nèi)刷上機(jī)油備用；(2)按一定比例稱量砂子、石膏和水泥，混和攪拌均勻；(3)加入一定量含有硼砂的水，攪拌后，倒入模子；(4)干燥4 d左右，將做成試件放于伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上測定試件的單軸抗壓強(qiáng)度。

考慮到配比實(shí)驗(yàn)期間誤差，同一配比做三個試件，取三個試件抗壓強(qiáng)度的平均值作為該材料配比號的抗壓強(qiáng)度。

由配比號確定各分層材料的用量，計(jì)算算出模型上各分層的各種材料用量列表，見表1。

為研究煤層開采時上覆巖層應(yīng)力場分布及變形特征，采用的測量系統(tǒng)為：YJZ-16型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀，DYB-1系列土式傳感器。制作模型時在模型中共埋設(shè)12個應(yīng)力應(yīng)變傳感器，壓力計(jì)布置在距煤層上方堅(jiān)硬老頂巖層中，旨在監(jiān)測工作面老頂垮落過程中老頂上方的受力變化情況。上覆巖層移動采用YHD-30，YHD-50電阻式位移計(jì)進(jìn)行測試。

在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力應(yīng)變傳感器的安裝采用的是預(yù)埋方式，即模型鋪設(shè)到應(yīng)力應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)高度時，將應(yīng)力應(yīng)變傳感器正確放置，并保證傳感器數(shù)據(jù)線能正常引出。

3 推進(jìn)過程中覆巖垮落過程及特征分析

1)在距右側(cè)16 m處切眼，向左進(jìn)行開挖，開挖第一步15 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到45 m(斷層附近)時，出現(xiàn)初次來壓，可以清楚的看到來壓時巖梁破斷的形式，直接頂出現(xiàn)明顯裂隙跨落，隨后老頂跨落，垮落高度約22 m,如圖2所示。隨后，隨著工作面的推進(jìn)，頂板隨采隨落。同時頂板上的巖層也隨著工作面的推進(jìn)出現(xiàn)縱向和橫向裂隙，且裂隙隨工作面推進(jìn)越來越大。

表1 模型相似材料配比表
Tab.1 Model similar material ratio

巖性序號原型模型厚度/m抗壓強(qiáng)度/MPa厚度/cm抗壓強(qiáng)度/kPa配比號材料用量各層總重/kg砂/kg石灰/kg石膏/kg水/kg硼砂/g老頂老頂5-23.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.395-13.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.39直接頂49.11122.679.1173621968.3345.552.2820.507.5975.928#煤359.8355968238.0930.313.470.843.4334.5直接底2539.17523545541.7230.003.763.764.1641.66老底老底1-23.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.041-13.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.04

2)當(dāng)工作面推進(jìn)到53 m時，巷道出現(xiàn)第一次周期來壓，老頂?shù)谝淮沃芷趤韷翰骄? m?？迓涓叨燃s24 m。裂隙發(fā)育，出現(xiàn)明顯的離層，離層的最大高度為44 m,如圖3所示。

3)當(dāng)工作面推進(jìn)到61 m時，直接頂隨采隨垮，巷道出現(xiàn)第二次周期來壓，老頂?shù)诙沃芷趤韷翰骄? m?？迓涓叨燃s48 m。裂隙發(fā)育，出現(xiàn)明顯的離層，離層的最大高度為48 m，如圖4所示。

圖2 工作面推進(jìn)45 mFig.2 Work surface advancement of 45 m

圖3 工作面推進(jìn)53 mFig.3 Work surface advancement of 53 m

4)當(dāng)工作面推進(jìn)到70 m時，頂板隨采隨垮，巷道出現(xiàn)第三次周期來壓，來壓步距約9 m，離層裂隙發(fā)育十分明顯，裂隙繼續(xù)向上發(fā)展，如圖5所示。

5)隨后每推進(jìn)8～10 m出現(xiàn)一次周期來壓上覆巖層的裂隙也不斷向上發(fā)展，當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時，頂板出現(xiàn)明顯下沉的范圍為62 m，卸壓角為63°。

圖4 工作面推進(jìn)61 mFig.4 Work surface advancement of 61 m

圖5 工作面推進(jìn)70 mFig.5 Work surface advancement of 70 m

4 典型水平觀測線垂直應(yīng)力、位移監(jiān)測分析

分別從工作面頂板開始向上取觀測線，觀測隨工作面的推進(jìn)，覆巖垂直應(yīng)力、最大下沉量。通過數(shù)據(jù)讀取，得到以下覆巖應(yīng)力與最大垂直下沉量分布曲線圖，如圖6、圖7所示。

由覆巖應(yīng)力與垂直位移監(jiān)測曲線可知，煤層開采過程中，采掘初期，煤層覆巖一定范圍內(nèi)垂直變形近似呈“倒V”型分布，隨著工作面的推進(jìn)，覆巖垂直變形由“倒V”型分布發(fā)展為“倒U”型分布；同時，在開切眼上方一定范圍(約5～15 m)和工作面前方(約5～20 m)形成集中應(yīng)力區(qū)，此范圍內(nèi)煤體應(yīng)力增大，煤層透氣性進(jìn)一步降低，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增大。

圖6 覆巖應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.6 Overburden stress monitoring curve

5 結(jié)論

以新景礦8#煤層開采資料為依據(jù),通過建立相似模擬物理模型，開展煤層開采過程中覆巖應(yīng)力和變形情況，通過相似模擬分析可以得出:

1)當(dāng)工作面推進(jìn)到45 m(斷層附近)時，出現(xiàn)初次來壓，來壓時巖梁破斷的形式，直接頂出現(xiàn)明顯裂隙跨落，隨后老頂跨落，垮落高度約22 m。

2)每推進(jìn)8～10 m出現(xiàn)一次周期來壓，當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時，頂板出現(xiàn)明顯下沉的范圍為62 m，卸壓角為63°。

3)隨著工作面的推進(jìn)，覆巖垂直變形由“倒V”型分布發(fā)展為“倒U”型分布；同時，在開切眼上方一定范圍(約5～15 m)和工作面前方(約5～20 m)形成集中應(yīng)力區(qū)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增大。