傾斜煤層開挖后應(yīng)力分布規(guī)律研究的相似模擬試驗方案設(shè)計

何成亮 劉培濤 蘇靜 成旺 楊忠寶

摘? 要：對礦山開采而言，應(yīng)力分布是引起采礦工程圍巖變形、破壞、產(chǎn)生礦井動力現(xiàn)象的根本作用力。掌握應(yīng)力分布規(guī)律是進行圍巖穩(wěn)定性分析、礦井動力現(xiàn)象區(qū)域預(yù)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，系統(tǒng)分析地應(yīng)力分布規(guī)律影響因素，對于實現(xiàn)采礦決策和設(shè)計科學(xué)化具有重要的意義。煤層受到上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和孔隙壓力的作用，處于平衡狀態(tài)，開采后，應(yīng)力將重新分布，井壁的穩(wěn)定與否最終都表現(xiàn)在周圍的應(yīng)力分布狀態(tài)之上，因此，對應(yīng)力分布規(guī)律的研究將決定井巷施工設(shè)計和施工過程的正確與否。本項目通過相似模擬輔助理論分析完成對傾斜煤層開挖后應(yīng)力重新變化分布規(guī)律和傾斜煤層應(yīng)力重新變化后的對巷道支護及瓦斯抽放影響的研究。

關(guān)鍵詞：傾斜煤層;應(yīng)力分布;相似模擬;方案設(shè)計

引言

物理模擬試驗以相似理論為基礎(chǔ)，用相似材料制作模型來反映原型[1-2]，具有操作簡單、試驗結(jié)果直觀及試驗周期短等優(yōu)點，作為一種重要的研究手段，自20世紀(jì)60年代起已廣泛應(yīng)用于巖體工程領(lǐng)域[3]。近年來，國內(nèi)學(xué)者為研究傾斜煤礦開采覆巖移動和圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，揭示裂隙帶發(fā)育和采場應(yīng)力分布特征，做了大量的模擬實驗、理論分析和方法研究[4-6]，形成了許多新理論、新認(rèn)識和新方法。研究覆巖裂隙帶發(fā)育高度，需要考慮圍巖性質(zhì)和實測限制，開采過程中圍巖所產(chǎn)生的變形、移動和破壞在其巖性及力學(xué)性質(zhì)差異作用下的不同[7-8]。相似材料模擬實驗的方法可對實驗條件進行人為的控制和改變，可重復(fù)分析不同的影響因素，是一種相對有效裂隙帶確定方法。

近些年來，眾多學(xué)者也投入到對采空區(qū)覆巖的研究中去，黃昌富[9-11]利用相似材料模擬試驗將覆巖的垮落區(qū)域分為不穩(wěn)定區(qū)，基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，并發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)巖體具有閉合現(xiàn)象;方新秋[9-11]通過試驗、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等多種手段，對采空區(qū)上覆巖層的運動規(guī)律做出研究，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)上覆“砌體梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要取決于基巖厚度以及其巖層的物理力學(xué)性質(zhì);本文通過建立物理模型，設(shè)計相似材料模擬試驗和 flac3d 數(shù)值模擬，對采空區(qū)覆巖的破壞特征加以描述并總結(jié)覆巖的下沉變形規(guī)律，以此對采空區(qū)覆巖的沉降變形、采場應(yīng)力變化做出研究。

1 工程概況

貴州省賦存有大量的煤炭資源，其中有相當(dāng)一部分煤層埋藏較淺，大部分集中埋于150m以內(nèi)且屬于傾斜煤層。而基于相似模擬傾斜煤層開挖后的應(yīng)力分布研究對貴州地區(qū)煤層及傾斜煤層的應(yīng)力支護和瓦斯抽放有極大研究意義。由于缺乏對應(yīng)力分布規(guī)律的認(rèn)識，對工作面巷道布置、停采線位置及放煤工藝的合理確定缺少明確的指導(dǎo)，進而造成不必要的煤炭損失，從而對安全生產(chǎn)造成一定的影響并使工作面采出率不穩(wěn)定且偏低。通過實驗室相似材料模擬，采用基于相似模擬傾斜煤層開挖后的應(yīng)力分布實驗研究出應(yīng)力分布的規(guī)律，為工作面停采線、沿空掘巷合理確定煤柱寬度提供科學(xué)依據(jù)。

對礦山開采而言，應(yīng)力分布是引起采礦工程圍巖變形、破壞、產(chǎn)生礦井動力現(xiàn)象的根本作用力。掌握應(yīng)力分布規(guī)律是進行圍巖穩(wěn)定性分析、礦井動力現(xiàn)象區(qū)域預(yù)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，系統(tǒng)分析地應(yīng)力分布規(guī)律影響因素，對于實現(xiàn)采礦決策和設(shè)計科學(xué)化具有重要的意義。煤層受到上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和孔隙壓力的作用，處于平衡狀態(tài)，開采后，應(yīng)力將重新分布，井壁的穩(wěn)定與否最終都表現(xiàn)在周圍的應(yīng)力分布狀態(tài)之上，因此，對應(yīng)力分布規(guī)律的研究將決定井巷施工設(shè)計和施工過程的正確與否。

盛遠(yuǎn)煤礦位于六盤水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)和威寧縣東風(fēng)鎮(zhèn)境內(nèi)，盛遠(yuǎn)煤礦全長約50km;試驗保護層工作面為40803工作面，位于斜四采區(qū)東翼，北鄰40801工作面采空區(qū)，南為待布置的40805工作面。該面絕大部分已受上覆4#層40403、40405工作面開采所保護。保護層開采試驗工作面相鄰位置關(guān)系詳見圖2-3所示。地表標(biāo)高在+1885～+2122m，試驗工作面運巷標(biāo)高+1692m左右，回風(fēng)巷標(biāo)高+1723m左右，距地表垂深162m～399m。工作面走向長平均400m，傾斜長平均118m。煤層傾角7°～11°，平均9°，煤厚1.64～3.38m，平均2.32m，容重1.5t/m³。

2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

2.1測試所需儀器設(shè)備

本模擬試驗采用相似材料二維加載模擬試驗臺（相似材料尺寸長×寬×高為4m×0.3m×2m）進行實驗，并通過安裝在上面的位移傳感器、壓力傳感器和電阻應(yīng)變片來進行實驗的數(shù)據(jù)采集，運用伺服控制系統(tǒng)、LENOVO系統(tǒng)控制微機、TS3890型靜態(tài)應(yīng)變測量處理儀等進行數(shù)據(jù)的處理。

（一）相關(guān)物理學(xué)力學(xué)參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場鉆孔和實驗測試資料，1～18號巖層巖石的物理力學(xué)參數(shù)分別為：粉砂質(zhì)泥巖原巖的厚度為13.7m，密度為2500kg/m³，抗壓強度為15.3MPa;泥巖的厚度為3.8m，密度為2460kg/m³，抗壓強度為13.9MPa;11號煤厚度為2.8m，密度為1620kg/m³，抗壓強度為3.1MPa;砂質(zhì)泥巖厚度為7.6m，密度為2460kg/m³，抗壓強度為13.9MPa;細(xì)砂巖厚度為13.5m，密度為2500kg/m³，抗壓強度為38.2MPa;9號煤巖厚度為0.6m，密度為1620kg/m³，抗壓強度為3.1MPa;粉砂巖厚度為9.3m，密度為2500kg/m³，抗壓強度為15.3MPa;泥巖厚度為2.0m，密度為2460kg/m³，抗壓強度為13.9MPa;石英砂巖厚度為80.2m，密度為2600kg/m³，抗壓強度為38.2MPa.

（二）選取試驗相似常數(shù)

通過運用相似理論并結(jié)合實際試驗?zāi)Ｐ涂纱_定相似常數(shù)如下：

（1）幾何相似常數(shù)：本次試驗中使用的模型架尺寸為長×寬×高=4m×0.3m×2.0m，本次試驗通過在模型上部加載作為應(yīng)力補償，設(shè)計模型尺寸為4m×0.3m×1.8m，斷面實際模擬高度180m，其幾何相似常數(shù)取100。

（2）容重相似常數(shù)：原型中的巖層多為泥巖、粉粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，由以往經(jīng)驗容重相似常數(shù)取為1.5。

（3）應(yīng)力相似常數(shù)：模擬方案定比例為1：100，模型鋪設(shè)高度為 180cm，模擬巖層斷面高度為180m，上覆巖層直達(dá)地表，故無覆巖荷載。

（4）時間相似常數(shù)：按現(xiàn)場正規(guī)工作，實驗開挖進度為1.8cm/h（一天開挖43.2cm，400cm長的模型共開挖7d），模擬實際進度為1d進尺3.6m。

（三）相似材料配比及分層用量

本試驗根據(jù)模型的特點和相似材料的性質(zhì)選取河砂、石灰、石膏、云母粉和水做為原材料，再結(jié)合實驗室掌握的相似材料配比實驗資料來確定相應(yīng)巖層的相似材料配比及材料用量。其中材料用量的計算以模型分層為條件，每一個模擬地層為一個計算單元，通過相似常數(shù)的利用，分別計算出各層原材料用量，材料配比基本計算公式如下：

（1）

式中：G_i——模型第 i 層的用料總量;

A_i——模型第 i 層的側(cè)面積;

γ_i——原型第 i 層的容重;

m——模型厚度。

2.2模型監(jiān)測點布置

觀測線在水平和垂直方向上每隔40cm設(shè)置一條，以此可在模型表面形成縱向和橫向為40cm×40cm的方格。鋪設(shè)過程中分三層布置埋設(shè)壓力傳感器，分別布置在4號煤層底板砂質(zhì)泥巖、開采煤層和4號煤層以上第2層石英砂巖中。

3相似模擬模型方案設(shè)計

設(shè)計的模型幾何尺寸如圖1所示。模型為平面應(yīng)力模型，尺寸為長×寬×高=400cm×30cm×180cm。根據(jù)工作面的地質(zhì)構(gòu)造條件，從煤層底板開始，首先鋪設(shè)下部巖層，然后結(jié)構(gòu)面通過撒上云母粉來模擬，之后上部地層模型用同樣的方法制作。試驗前在距離模型一側(cè)邊緣50cm處開挖切眼，切眼寬度2.4cm，高度2.6cm，按1：100的比例設(shè)計。模型兩邊各留50cm邊界煤柱。

本試驗以盛遠(yuǎn)煤礦40803工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件為原型，運用相似模擬試驗的方法，研究采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與圍巖活動機理，及應(yīng)力分布規(guī)律，為確定合理的采場圍巖控制技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。具體包括：（1）模擬分析貴州省典型礦區(qū)山區(qū)傾斜煤層煤層開采工作面直接頂垮落特征和基本頂破斷特征，并計算出工作面初次、周期來壓步距;（2）模擬分析傾斜煤層開采工作面超前支承壓力隨工作面推進的變化規(guī)律;（3）模擬分析傾斜煤層開采工作面應(yīng)力分布規(guī)律;（4）模擬分析傾斜煤層開采工作面上覆巖層運動規(guī)律及“三帶”發(fā)育特征。

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作者簡介：何成亮（2001.03-），男，漢族，貴州省畢業(yè)市人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

基金項目：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（2018521022）