龍湖煤礦沿空留巷相似材料模擬試驗(yàn)研究

李豫波,馬平云

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150022)

因巖層賦存狀態(tài)具有多樣性,不同層位的巖層和同一巖層不同區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)均有差別。同時(shí),地下空間受到采動(dòng)影響,導(dǎo)致圍巖應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。圍巖應(yīng)力集中是導(dǎo)致圍巖發(fā)生塑性破壞的主要原因[1-3]。由于現(xiàn)場條件的限制,很難準(zhǔn)確監(jiān)測某一位置的圍巖應(yīng)力變化。相似模擬試驗(yàn)通過相似原理對(duì)現(xiàn)場條件進(jìn)行縮放,可以較好地反映采場圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和破壞形式。

相似材料配比直接影響相似模擬試驗(yàn)的結(jié)果,因此許多學(xué)者對(duì)相似材料配比進(jìn)行了大量的研究。任大瑞等[4]研究了相似材料的尺寸、含水率、溫度和加載速率與試件強(qiáng)度之間的關(guān)系。崔寧坤等[5]、王君順[6]、王鵬等[7]、侯廷凱等[8]、詹志發(fā)等[9]通過正交試驗(yàn)法,研究了原料組分對(duì)試件強(qiáng)度的影響,并找到了最優(yōu)的模型材料及配比。李光等[10]用河砂、重晶石粉、鐵粉、云母片等配速干水泥,制作出了可以模擬巖體間軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面的動(dòng)力學(xué)材料。以上學(xué)者為相似材料配比及選擇提供了重要參考,但已有研究主要集中在靜態(tài)參數(shù)方面,對(duì)動(dòng)、靜參數(shù)同時(shí)討論的較少。

本文以七臺(tái)河龍湖煤礦為背景,選取細(xì)河砂、石膏、碳酸鈣為原料,通過正交試驗(yàn)方法對(duì)相似材料的密度、抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量以及動(dòng)態(tài)泊松比進(jìn)行分析,明確了各因素對(duì)相似試件的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,開展了相似模擬試驗(yàn),揭示了巷旁堆積體的動(dòng)態(tài)演化過程及規(guī)律,為控制巷道圍巖穩(wěn)定性提供了參考。

1 相似材料模擬試驗(yàn)

本文相似材料模擬試驗(yàn)以龍湖煤礦63#煤層上方的粉砂巖為參照對(duì)象,其力學(xué)參數(shù)如表1所示。選擇龍湖煤礦63#右五工作面作為工程背景,基于相似理論,并結(jié)合工作面的實(shí)際情況以及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)的尺寸,確定幾何相似比為1100。

表1 粉砂巖力學(xué)參數(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的3個(gè)因素分別為砂膠比、碳酸鈣石膏比、水占比,每個(gè)因素分別設(shè)置4個(gè)水平(見表2)。L16(43)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)的因素和水平

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

續(xù)表

選用塑料雙開圓柱體模具,制作φ50 mm×100 mm的圓柱體試件(見圖1)。依據(jù)表3的配比設(shè)計(jì)進(jìn)行相似試件制作。首先,將模具底座以及側(cè)壁均勻涂抹脫模劑,并組裝模具;接著,將原料攪拌均勻,加入適量的水,再次攪拌均勻;然后,將攪拌好的混合材料倒入模具,壓實(shí)、抹平,靜置2 min,進(jìn)行脫模處理;最后,對(duì)試件進(jìn)行自然風(fēng)干。

圖1 相似試件

1.2 試驗(yàn)方法

試件制作完成后,對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行密度測定,并利用SonicViewer-SX巖石超聲波系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行波速測定(見圖2)。

圖2 試件的波速測定

通常認(rèn)為動(dòng)態(tài)泊松比和靜態(tài)泊松比是相等的[11],因此本文僅對(duì)動(dòng)態(tài)泊松比進(jìn)行探討。動(dòng)態(tài)彈性模量Ed和動(dòng)態(tài)泊松比μd的計(jì)算公式為

(1)

式中:ρ為相似試件密度;vs為橫波波速;vp為縱波波速。

為獲得試件的強(qiáng)度和破壞特征,使用黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TYJ-500KN試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。采用位移控制加載方式,加載速度為0.05 mm/s,直至試件破壞。部分相似試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖3 部分相似試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)表4中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)相似試件密度、單軸抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)泊松比的分布范圍分別為1.878 0～2.021 9 g·cm-3、0.612 7～1.312 8 MPa、9.562 4～86.277 1 MPa、3.37～6.78 GPa、0.201～0.345。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用極差分析法,對(duì)表4中相似試件的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)彈性模量以及動(dòng)態(tài)泊松比數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出相似試件各力學(xué)參數(shù)3個(gè)因素不同水平的平均值,并進(jìn)行極差分析,結(jié)果如表5所示。

表5 相似試件的各力學(xué)參數(shù)極差分布表

由表5可知,3個(gè)因素對(duì)相似試件密度的影響程度為砂膠比>水占比>碳酸鈣石膏比;對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂膠比>碳酸鈣石膏比>水占比;對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的影響程度為砂膠比>碳酸鈣石膏比>水占比;對(duì)靜態(tài)彈性模量的影響程度為砂膠比>水占比>碳酸鈣石膏比;對(duì)動(dòng)態(tài)泊松比的影響程度為砂膠比>水占比>碳酸鈣石膏比。即3因素中砂膠比對(duì)相似試件的各力學(xué)參數(shù)起主導(dǎo)作用。

為了更直觀地描述3個(gè)因素變化對(duì)相似試件各力學(xué)參數(shù)的影響,根據(jù)表5繪制折線圖如圖4～圖8所示。

圖5 3個(gè)因素對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 3個(gè)因素對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的影響

圖7 3個(gè)因素對(duì)靜態(tài)彈性模量的影響

由圖4可知,試件的密度隨砂膠比的增加而增大,且變化幅度較大;隨水占比的增加而增大,且變化幅度較小;碳酸鈣石膏比與試件的密度關(guān)系不明顯。由圖5可知,試件的單軸抗壓強(qiáng)度隨砂膠比的增加而減小,且變化幅度較大;隨碳酸鈣石膏比的增加,單軸抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);隨著水占比的增加,

單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),但這種增加的程度較小,這說明水量的增加可以增強(qiáng)碳酸鈣和石膏的黏結(jié)作用,從而提高試件的強(qiáng)度,但增加的程度較小。

由圖6～圖8可知:試件的動(dòng)態(tài)彈性模量隨砂膠比的增加而減小,且變化幅度較大,碳酸鈣石膏比、水占比與動(dòng)態(tài)彈性模量的關(guān)系并不明顯;試件的靜態(tài)彈性模量隨砂膠比的增加而減小,這是因?yàn)槟z料的減少降低了相似試件的剛度,靜態(tài)彈性模量隨碳酸鈣石膏比的增加而減小,水占比與靜態(tài)彈性模量的關(guān)系并不明顯;試件的動(dòng)態(tài)泊松比隨砂膠比的增加而減小,且變化幅度較大,隨碳酸鈣石膏比的增加而減小,且變化幅度較小,水占比與動(dòng)態(tài)泊松比的關(guān)系不明顯。

圖8 3個(gè)因素對(duì)動(dòng)態(tài)泊松比的影響

3 多元線性回歸分析

通過對(duì)16組相似試件進(jìn)行密度、單軸抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)泊松比的研究,找出了3個(gè)因素對(duì)各參數(shù)的影響規(guī)律。

設(shè)因變量為y、自變量為xj(j=1,2,3),則回歸方程為

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3

(2)

式中ai(i=0,1,2,3)為回歸參數(shù)。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到經(jīng)驗(yàn)方程

(3)

式中:y1為密度;y2為單軸抗壓強(qiáng)度;y3為靜態(tài)彈性模量;y4為動(dòng)態(tài)彈性模量;y5為動(dòng)態(tài)泊松比;x1為砂膠比;x2為碳酸鈣石膏比;x3為水占比。

由式(3)可知,3個(gè)因素和5個(gè)參數(shù)之間存在線性關(guān)系。在實(shí)際的物理相似模擬試驗(yàn)過程中,將相似材料的3個(gè)影響因素代入式(3)中,能夠快速找到適合的相似材料配比方案,進(jìn)而提高物理相似模擬試驗(yàn)的效率。

4 相似模擬試驗(yàn)應(yīng)用

七臺(tái)河龍湖煤礦63#煤層右五工作面的走向長度為538 m、平均傾斜長度為137 m、傾角為20°、平均煤厚為1.4 m。直接頂為3 m厚的粉砂巖,基本頂為8 m厚的中砂巖,直接底為14 m厚的粉砂巖。工作面采用走向長壁后退式布置,綜合機(jī)械化采煤,并采用全部垮落法處理采空區(qū)。工作面的下巷采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù),留巷的巷道寬度為2.8 m。

試驗(yàn)臺(tái)尺寸為100 cm×20 cm×100 cm(長×寬×高)。模型幾何相似比為1100,容重相似比為11.25,時(shí)間相似比為110。模型中巷道采用梯形巷道設(shè)計(jì),巷道頂板沿煤層傾角布置。由于頂板切縫在模型鋪設(shè)過程中提前預(yù)留,故開挖時(shí)不需要考慮頂板切縫的問題。在模型左右兩側(cè)分別留設(shè)15 cm的邊界煤柱。

通過本次物理相似模擬試驗(yàn),進(jìn)行煤層傾斜方向的開挖,在一定程度上反映沿空留巷側(cè)向頂板演化對(duì)圍巖的影響。在模型開挖初期,由于開采擾動(dòng)以及巖層自身力學(xué)屬性的影響,煤層上方的巖層發(fā)生了離層、破斷和垮落現(xiàn)象。破斷的巖層沿著切縫面滑落到采空區(qū),并在巷旁側(cè)堆積形成了巷旁堆積體(見圖9(a))。由于切縫面的存在,減弱了巷道頂板與煤體上方頂板之間的應(yīng)力聯(lián)系。在該階段,巷道受應(yīng)力變化影響較小,巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境較好。隨著煤層的不斷開挖,煤層上覆巖層發(fā)生周期性垮落,并填滿了采空區(qū)(見圖9(b))。

(a)模型開挖初期

(b)模型開挖完成

在沿空留巷期間,巷旁堆積體受到上覆巖層運(yùn)動(dòng)的持續(xù)影響,始終處于動(dòng)態(tài)變化之中。在巷旁堆積體形成初期,巖塊之間空隙較多,導(dǎo)致巷旁堆積體難以保持穩(wěn)定,處于“自組織調(diào)整”狀態(tài)[12],雖然無法對(duì)上覆巖層起到有效的支撐作用,但仍然對(duì)巷道起到了一定的擋矸作用。隨著上覆巖層的不斷垮落,尺寸較小的巖塊逐漸填滿了巖塊間的空隙。在巖塊之間作用力、上覆巖層和堆積體之間作用力的共同作用下,巷旁堆積體逐漸形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),并對(duì)上覆巖層起到了支撐作用。

上覆巖層的運(yùn)動(dòng)是長期且持續(xù)的。從圖9(b)可以看出,在巷旁堆積體承載上覆巖層期間,受到上覆巖層運(yùn)動(dòng)的影響,其整體變形較大,導(dǎo)致了擠壓巷道的現(xiàn)象。因此,在進(jìn)行實(shí)際的沿空巷道工程時(shí),應(yīng)采取有效的措施防止巷旁堆積體擠壓巷道,以減小巷道的空間變形。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析,擬合了相似材料動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方程,可為物理相似模擬試驗(yàn)選取合適的相似材料配比方案提供參考。

(2)通過對(duì)相似試件的動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行極差分析發(fā)現(xiàn):砂膠比對(duì)相似試件的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量以及動(dòng)態(tài)泊松比具有顯著的影響;隨著砂膠比的增加,試件的各力學(xué)參數(shù)除密度外均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);隨著碳酸鈣石膏比的增加,試件的抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量以及動(dòng)態(tài)泊松比均減小;隨水占比的增加,試件的密度和單軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

(3)在沿空留巷相似模擬試驗(yàn)中,采用了本文提出的相似配比方案。結(jié)果表明在沿空留巷期間,巷旁堆積體受上覆巖層運(yùn)動(dòng)的持續(xù)影響,始終處于動(dòng)態(tài)變化之中。在巷旁堆積體的形成初期,由于其結(jié)構(gòu)尚未穩(wěn)定,一直處于“自組織調(diào)整”狀態(tài);當(dāng)巷旁堆積體形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后,受上覆巖層運(yùn)動(dòng)的影響,巷旁堆積體會(huì)發(fā)生擠壓巷道的現(xiàn)象。