堅(jiān)硬頂板圍巖垮落變形規(guī)律相似模擬試驗(yàn)研究

羅明坤

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 漳村煤礦，山西 長治 046031；2.山西潞安化工集團(tuán)有限責(zé)任公司 科研中心，山西 長治 046204)

煤層上方的堅(jiān)硬頂板因其具有較高的強(qiáng)度和完整性，在工作面開采完成后不易發(fā)生變形和破斷，往往在采空區(qū)側(cè)向形成懸臂結(jié)構(gòu)[1-6]。由于懸臂梁的存在，在煤柱附近易形成高應(yīng)力環(huán)境，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定[7-13]。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)并按照一定的幾何比例模擬巖體及礦體內(nèi)變形應(yīng)力特征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，具有直觀性強(qiáng)、靈活性好、效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是科學(xué)研究中揭示事物內(nèi)在規(guī)律的一種重要手段。本文以漳村煤礦2505工作面為背景，運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)，研究堅(jiān)硬頂板條件下，煤層開采對(duì)采區(qū)大巷應(yīng)力變形的影響規(guī)律，為制定合理巷道支護(hù)措施提供參考。

1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

漳村煤礦2505工作面為堅(jiān)硬頂板，工作面開采過程中采空區(qū)頂板懸頂過長，支架壓力大。根據(jù)相同采區(qū)工作面開采經(jīng)驗(yàn)，工作面結(jié)采時(shí)，由于懸頂未及時(shí)垮落，給采區(qū)大巷造成很大影響，大巷應(yīng)力高，維護(hù)困難，給安全生產(chǎn)帶來了較大隱患。運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)的方法，模擬工作面開采過程中煤層和結(jié)采時(shí)采區(qū)大巷的應(yīng)力分布和變形形式，為大巷支護(hù)及采區(qū)相應(yīng)卸壓措施提供依據(jù)。采用的相似參數(shù)及各巖層巖性等參數(shù)見表1所示。本次相似模擬實(shí)驗(yàn)采用平面模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，相似試驗(yàn)平臺(tái)尺寸：長、寬、高分別為1 200 mm、1 50 mm和1 300 mm，模型左右邊界水平位移約束，下邊界位移約束，上邊界受氣缸施壓模擬地應(yīng)力場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 相似模擬試驗(yàn)裝置

表1 巖層位置及巖石強(qiáng)度匹配

模型鋪設(shè)過程中在工作面上方和巷道圍巖周圍布置壓力盒，監(jiān)測(cè)頂板及巷道周圍應(yīng)力變化。開挖過程中使用YE-2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀記錄埋設(shè)壓力盒數(shù)據(jù)，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)觀測(cè)位移變化。數(shù)字圖像分析部分則使用中國礦業(yè)大學(xué)自主設(shè)計(jì)開發(fā)的《數(shù)字照相量測(cè)實(shí)用軟件系統(tǒng)PhotoInfor》軟件。

試驗(yàn)選取的骨料為普通細(xì)河沙，實(shí)驗(yàn)前用篩網(wǎng)篩除大顆粒沙子，保證細(xì)河沙的粒徑不大于2 mm。選用的膠結(jié)材料為石膏、碳酸鈣；云母粉用于層與層之間的分層，可以更好顯出頂板的跨落形態(tài)。取模型幾何相似比Cl=0.01，容重相似系數(shù)Cγ=0.68。

相似材料利用正交試驗(yàn)試驗(yàn)各層位材料配比，各強(qiáng)度巖石材料配比按照質(zhì)量表稱量好，攪拌均勻，制成相似材料，鋪設(shè)時(shí)用重物砸實(shí)，具體每層的材料強(qiáng)度如表1所示。

相似模擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在各層位中部，煤層布置6個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，間距25 cm；工作面底板布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距40 cm；直接頂和老頂，各布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距25～30 cm。巷道距離模型左邊界15 cm，頂板破斷線距離右邊界35 cm。巷道原尺寸約為4 cm×4 cm，采區(qū)保護(hù)煤柱寬度為25 cm。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置(cm)

模型開挖步驟：按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工順序，首先開挖采區(qū)下山巷道，然后開挖工作面，工作面從最右側(cè)逐漸向巷道靠近，每次開挖5 cm，開挖過程中定點(diǎn)用相機(jī)拍攝工作面跨落形態(tài)，監(jiān)測(cè)巷道位移及壓力數(shù)據(jù)。

2 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.1 堅(jiān)硬頂板垮落規(guī)律

相似模擬得到工作面頂板垮落形態(tài)如圖3所示。

圖3 巖層初次來壓垮落特征及巖層位移

從圖3中可以看出：工作面采空區(qū)初次來壓時(shí)，初次來壓頂板最大懸頂長度達(dá)到37.6 m。老頂斷裂形成砌體梁結(jié)構(gòu)，一側(cè)由工作面上方頂板支撐，一側(cè)由采空區(qū)垮落矸石支撐。直接頂上覆0～8 m范圍內(nèi)直接頂巖層縱向、橫向裂隙發(fā)育并相互貫通，巖層間發(fā)生離層和裂隙向上位巖層發(fā)展。保安煤柱外側(cè)頂板懸頂過長，側(cè)向壓力通過煤柱向巷道方向轉(zhuǎn)移。

提取煤層測(cè)點(diǎn)壓力盒數(shù)據(jù)，如圖4所示。圖4為煤層應(yīng)力變化隨工作面開采的變化趨勢(shì)。

圖4 煤層應(yīng)力變化規(guī)律

從圖4中可以看出：工作面前方煤層處在高應(yīng)力環(huán)境中，隨著工作面回采，工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力集中，原巖應(yīng)力為0.33 MPa，各個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨著工作面回采，應(yīng)力峰值先上升然后下降，工作面前方應(yīng)力峰值距離工作面約為25 m，最大應(yīng)力峰值達(dá)到0.65 MPa，垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.97，遠(yuǎn)離工作面應(yīng)力值逐漸接近原巖應(yīng)力。工作面前方受應(yīng)力集中的影響范圍約為峰值點(diǎn)與工作面距離的2～3倍。

說明堅(jiān)硬頂板的懸頂使工作面前方大部分區(qū)域受到應(yīng)力集中的影響，若為避免受采動(dòng)集中應(yīng)力的影響，采區(qū)大巷距離工作面結(jié)采點(diǎn)約為50～75 m，即大巷護(hù)巷煤柱需最小為50 m。

在煤層上方布置頂板位移測(cè)線，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出：開挖1對(duì)應(yīng)頂板初次來壓時(shí)頂板的下沉曲線，開挖7對(duì)應(yīng)開挖至停采線時(shí)，從工作面上方下沉曲線，可以看出隨著工作面開挖，頂板不斷下沉，每次開挖對(duì)應(yīng)的步距約為23 m，說明工作面對(duì)應(yīng)的周期來壓步距約為23 m，初次來壓步距約為37 m，頂板最大下沉量為8 cm，略小于煤層厚度。

圖5 工作面頂板下沉

2.2 巷道圍巖變形規(guī)律

從圖6可以看出，在工作面開采超前壓力的影響下，巷道呈現(xiàn)兩幫鼓起、頂板下沉的變形形式，底板變形較小，較為平整。尤其是左幫靠近工作面開采方向變形明顯大于巷道右?guī)?，巷道低角位置凸起大于頂角，巷道頂板下沉達(dá)到8 mm，兩幫移進(jìn)變形略大，達(dá)到1.5 cm，變形比例分別占巷道原尺寸的20%和37.5%.

圖6 巷道變形形式

從圖7可以看出：工作面頂板在堅(jiān)硬頂板條件下，巷道頂板變形量較大。從開挖第1歩至第4歩的過程中，煤柱寬度較大頂板側(cè)向壓力還未轉(zhuǎn)移到下山巷道群附近，巷道圍巖應(yīng)力集中程度低，巷道頂板下沉速度較慢。開挖第4歩至第7歩的過程中，巷道頂板下沉速度明顯加快。開挖至第7歩時(shí)，保安煤柱寬度為70 m，此時(shí)采空區(qū)堅(jiān)硬頂板懸頂長度已達(dá)17 m，頂板自動(dòng)垮落時(shí)懸頂長度已達(dá)23 m。

圖7 巷道下沉量

工作面向前開采不斷接近采區(qū)巷道，采區(qū)巷道與結(jié)采線之間煤柱寬度為25 cm，由于頂板未及時(shí)垮落，頂板側(cè)向壓力不斷轉(zhuǎn)移直至接近巷道圍巖附近，造成巷道應(yīng)力集中程度高，頂板下沉量達(dá)到8 mm(對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高度為1.12 m)。說明堅(jiān)硬頂板的懸頂對(duì)采區(qū)大巷的位移造成了明顯的影響，巷道變形過大。采空區(qū)的堅(jiān)硬頂板難以跨落，增加了頂板懸頂長度，頂板回轉(zhuǎn)的力不斷傳向保護(hù)煤柱，增加了煤柱的水平應(yīng)力，同時(shí)懸頂載荷全部由保護(hù)煤柱承擔(dān)，增加了煤柱的垂直應(yīng)力，因此造成巷道應(yīng)力及變形成倍增加，巷道維護(hù)難度加大。

3 結(jié) 語

本文采用相似模型試驗(yàn)分析了堅(jiān)硬頂板巖層的垮落特征，巷道頂板及煤柱應(yīng)力演化規(guī)律，揭示了堅(jiān)硬頂板巷道失穩(wěn)機(jī)制，得到了以下結(jié)論：

1) 隨著工作面的回采，采空區(qū)頂板出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象，初次來壓懸頂長度達(dá)到37.6 m，周期來壓最大達(dá)到23 m；工作面前方垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.97，巷道頂板下沉量達(dá)到1.12 m。

2) 堅(jiān)硬頂板懸頂對(duì)巷道造成非常大的影響，應(yīng)力集中程度較高，懸頂增加巷道覆巖載荷，巷道難以維護(hù)；必要時(shí)必須對(duì)巷道頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂，切斷采空區(qū)懸頂，釋放頂板壓力，以達(dá)到維護(hù)巷道的目的。煤層上方的堅(jiān)硬頂板因其具有較高的強(qiáng)度和完整性，在工作面開采完成后不易發(fā)生變形和破斷，往往在采空區(qū)側(cè)向形成懸臂結(jié)構(gòu)[1-6]。由于懸臂梁的存在，在煤柱附近易形成高應(yīng)力環(huán)境，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定[7-13]。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)并按照一定的幾何比例模擬巖體及礦體內(nèi)變形應(yīng)力特征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，具有直觀性強(qiáng)、靈活性好、效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是科學(xué)研究中揭示事物內(nèi)在規(guī)律的一種重要手段。本文以漳村煤礦2505工作面為背景，運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)，研究堅(jiān)硬頂板條件下，煤層開采對(duì)采區(qū)大巷應(yīng)力變形的影響規(guī)律，為制定合理巷道支護(hù)措施提供參考。