薄煤層保護層開采相似模擬分析

王社新 王磊

摘 要：相似模擬實驗示意相似理論為基礎(chǔ)的室內(nèi)實驗室實驗的一種模型實驗技術(shù)，是利用事物或者現(xiàn)象間所處在的一些相似特征規(guī)律來研究自然規(guī)律的一種科學(xué)手段，適用于難以用理論分析方法獲取結(jié)果的研究領(lǐng)域。本次采用相似模擬實驗主要研究深部薄煤層保護層開采之后觀察被保護層的應(yīng)力場的變化以及被保護層的卸壓情況。

0前言

本次采用相似模擬實驗主要研究深部薄煤層保護層開采之后觀察被保護層的應(yīng)力場的變化以及被保護層的卸壓情況。本文以64#煤層五采區(qū)左二片為基礎(chǔ)研究對象，根據(jù)相似原理進行調(diào)整有關(guān)地質(zhì)條件以及力學(xué)參數(shù)。使其符合一般煤層開采規(guī)律。主要研究以下內(nèi)容：保護層開采的保護范圍;保護層開采后被保護層的應(yīng)力應(yīng)變情況。

1相似模型設(shè)計

相似模型設(shè)計根據(jù)煤礦的實際工作面條件確定實驗的幾何相似比（原型幾何尺寸Lp與模型幾何尺寸Lm之比）選擇為。動力相似，根據(jù)實驗中選用的相似材料，以及我國煤礦巖石的密度，動力比例系數(shù)為。應(yīng)力相似，從理論得知。由于泊松比為無量綱的參數(shù)，因此，相似材料的泊松比要與巖石的相同。模型材料選用石膏混凝土，其主要成分為砂子、石膏、石灰等，改變膠結(jié)劑和骨料的組分，可以模擬不同類型的巖層。砂子粒度以0.15mm～0.5mm為宜，石灰宜采用新鮮燒透的灰塊，石膏為熟石膏。

⑴ 試驗加載值計算

對于模型上未能模擬的上覆巖層厚度，需用加載的方法來模擬，模型上需要施加的重力載荷為：

式中——上覆巖層容重，其平均值約為25KN/m3（泥巖容重），。

其中：在相似材料模擬試驗參數(shù)取值為：

H從地表至煤層的上覆巖層厚度，650m

H1—— 煤層上面模型模擬的巖層厚度，44m

即：=113.63KN

為彌補模型與槽鋼檔板之間的摩擦力引起的載荷損失，需補償摩擦力載荷qm2以減小摩擦損失，要求將模型每邊的槽鋼置于同一豎直面內(nèi)，且模型材料與槽鋼之間鋪一層有機玻璃紙或塑料薄膜夾黃油。取四周摩擦阻力系數(shù)f=0.2，以極限應(yīng)力狀況估計摩擦補償載荷，單位長度（cm）上的摩擦力可按下式計算：

式中：

沿傾斜方向的相似材料模擬模型共需補償載荷為：

=113.630.21+0.751=23.48KN。（ 泥巖容重 ）

根據(jù)以上公式計算得：

相似模型所需補償載荷約為：Pm=23.48KN。

⑵加載方式

相似模型試驗采用施加配重進行配置。

2相似模擬實驗過程

（1）模型的開采

根據(jù)現(xiàn)場的開采的實際情況，計算模擬開采距離，每次開開采2cm間隔一小時之后進行觀測。

（2）監(jiān)測點的布置方式

在模型上每隔5cm就布置一個監(jiān)測點，一共布置19條監(jiān)測線每個監(jiān)測線上每隔5cm布置一個監(jiān)測點，從上至下均勻分布。

（3）壓力傳感器的布置

實驗用BX-1型壓力傳感器來測定應(yīng)力的分布情況。

（4）觀測方法

①位移觀測方法。測點位移采用水準(zhǔn)儀進行位移觀測;

②應(yīng)力觀測方法。應(yīng)力觀測采用的應(yīng)力觀測為BX系列傳感器。

3被保護層應(yīng)力場變化分析

在被保護層開采過程中，應(yīng)力隨著保護層的推進也發(fā)生著變化。隨著保護層工作面的推進，這個實驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)力也經(jīng)歷了原始應(yīng)力、應(yīng)力集中、卸壓、應(yīng)力恢復(fù)幾個階段。保護層開采過程中，單個測點應(yīng)力變化如圖2所示。開挖過程中多個測點應(yīng)力變化如圖3所示。開挖后應(yīng)力整體變化如圖4所示。

如圖4、5所示，在距離測點30-20m處，應(yīng)力基本未發(fā)生變化，此時測得的應(yīng)力為原巖應(yīng)力，約為10.1MPa左右。在工作面距離測點10-15m處，，應(yīng)力迅速增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中一直持續(xù)到工作面超前測點10-15m處。此處應(yīng)力集中區(qū)。在工作面超前測點10-15m處，應(yīng)力急劇下降最低應(yīng)力降到了3.8MPa。在工作面超前測點30m左右出現(xiàn)了最大卸壓。開挖后應(yīng)力整體變化如圖4-10所示，在距切眼后20-65m處為卸壓區(qū);在80m處為應(yīng)力集中區(qū)，此處應(yīng)力大于原始應(yīng)力。

4結(jié)論

在相似模擬理論和新興煤礦地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上確定了相似模擬方案和相似模擬參數(shù)，通過保護層的開采相似模擬實驗對保護層開采的過程中被保護層的變形場、應(yīng)力場變化進行了考察。在距測點20cm處應(yīng)力迅速增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;在距測點20cm處發(fā)生卸壓，應(yīng)力急劇下降到9.5MPa左右，小于原巖應(yīng)力。

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作者簡介：第一作者：王社新（ 1969-） ，男，吉林榆樹人。1994年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院采礦工程專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)任龍煤雙鴨山公司生產(chǎn)技術(shù)部部長，長期從事煤礦安全、生產(chǎn)、經(jīng)營管理工作。