施　峰, 王宏圖, 舒　才

(重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0　引言

我國煤炭賦存特點(diǎn)決定了礦井瓦斯突出威脅長(zhǎng)期存在[1]。保護(hù)層開采是2種主要區(qū)域消突措施之一，國內(nèi)外學(xué)者從現(xiàn)場(chǎng)考察、數(shù)值模型、理論分析等方面對(duì)此進(jìn)行了大量研究[2-5]。保護(hù)層開采效果的影響因素眾多，其中層間距是主要影響因素之一。

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中給出了上保護(hù)層開采最大保護(hù)垂距及卸壓角的經(jīng)驗(yàn)值，但未確切給出上保護(hù)層開采保護(hù)效果與煤層間距之間確定性關(guān)系。目前上保護(hù)層開采保護(hù)效果與煤層間距之間關(guān)系的研究對(duì)象多為近水平煤層群或傾斜煤層群的走向保護(hù)效果[2-3,5]，部分上保護(hù)層開采沿煤層傾向保護(hù)效果的研究?jī)H局限于保護(hù)角或保護(hù)范圍的單一保護(hù)效果指標(biāo)效果分析[4]。

本文以南桐礦區(qū)同一對(duì)保護(hù)層與被保護(hù)層相同埋深相同傾角不同層間距的上保護(hù)層開采為工程背景，以傾斜方向的保護(hù)效果為研究對(duì)象，進(jìn)行近距離(25 m)，遠(yuǎn)距離(45 m)，超遠(yuǎn)距離(65 m)上保護(hù)層開采相似模型實(shí)驗(yàn)[6-8]，從被保護(hù)層卸壓規(guī)律、基于膨脹變形的上下邊界卸壓角和傾向保護(hù)范圍3方面綜合分析上保護(hù)開采保護(hù)效果隨層間距的變化規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)方案

1.1　研究對(duì)象概況

南桐礦區(qū)煤層賦存條件復(fù)雜，受地質(zhì)構(gòu)造影響煤層間距變化顯著，礦區(qū)內(nèi)主采煤層C4,C6層間距變化范圍25～70 m。C6煤層埋深平均約為650 m，位于C4上方，煤層平均傾角為45°，平均厚度分別為C4煤層2 m和C6煤層1.5 m。兩層煤均具有突出危險(xiǎn)性，礦區(qū)內(nèi)礦井多選擇突出危險(xiǎn)性較低的C6煤層進(jìn)行上保護(hù)層開采，消除下部C4煤層突出危險(xiǎn)性。C6保護(hù)層開采工作面長(zhǎng)度平均約為70 m。

通過對(duì)礦區(qū)主要煤巖層進(jìn)行單軸壓縮和巴西試驗(yàn)，得到如表1所示巖石力學(xué)參數(shù)，為制作相似材料試件提供基礎(chǔ)。

1.2　實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置采用可旋轉(zhuǎn)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。有效尺寸為2 000 mm×2 000 mm×300 mm；傾角可調(diào)節(jié)模擬0～70°范圍內(nèi)煤層傾角變化；頂部采用杠桿加砝碼方式補(bǔ)償?shù)貞?yīng)力以模擬開采深度。為減小邊界效應(yīng)，將工作面開挖區(qū)域布置在模型架對(duì)角線附近，并結(jié)合原型開采區(qū)域幾何形狀確定幾何相似比1∶100。

表1　各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)

1.3　相似模型設(shè)計(jì)

1)相似模型保護(hù)層間巖性的確定

在上保護(hù)層C6與被保護(hù)層C4間存在6層物理力學(xué)性質(zhì)不同厚度各異的巖層，改變層間距必須引起層間每一巖層厚度的變化，造成了層間距對(duì)上保護(hù)層保護(hù)效果研究的困難。相關(guān)研究表明采用厚度加權(quán)平均方法將多層巖層合為一復(fù)合介質(zhì)巖層或引入層間硬巖含量系數(shù)構(gòu)建簡(jiǎn)化模型[6,9]仍可以體現(xiàn)層間巖層整體力學(xué)性質(zhì)。本文選擇采用厚度加權(quán)平均方法消除層間巖性因素的影響，即:

(1)

式中：Xi為復(fù)合巖層中第i分層的某物理力學(xué)參數(shù)在該復(fù)合巖層的加權(quán)平均值;li為復(fù)合巖層中第i分層的厚度;n為復(fù)合巖層中的自然地質(zhì)分層數(shù)。表2中層間復(fù)合巖層綜合了表1中C4，C6間各巖層物理力學(xué)性質(zhì)。

2)相似模型保護(hù)層間距的選取

礦區(qū)內(nèi)主采煤層C4，C6層間距變化范圍25～70 m，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》確定的最大保護(hù)垂距及上保護(hù)層開采下伏巖層分區(qū)相關(guān)研究[6,12]，確定進(jìn)行25 m近距離、45 m遠(yuǎn)距離、65 m超遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開采保護(hù)效果隨層間距的變化規(guī)律研究。

3)相似材料配比的確定

基于上保護(hù)層開采卸壓機(jī)理，相似模擬實(shí)驗(yàn)需保證滿足動(dòng)力相似和變形相似，即保證以下參數(shù)相似[10]：

(σ拉)m=Lm/L0×γm/γ0×(σ拉)0

(2)

(σ壓)m=Lm/L0×γm/γ0×(σ壓)0

(3)

Cm=Lm/L0×γm/γ0×C0

(4)

tan(φm)=tan(φ0)

(5)

Em=Lm/L0×γm/γ0×E0

(6)

νm=ν0

(7)

式中:(σ拉)m和(σ拉)0分別為模型和原型抗拉強(qiáng)度，MPa；γm和γ0分別為模型和原型容重，MN/m3；(σ壓)m和(σ壓)0分別為模型和原型抗壓強(qiáng)度，MPa；Cm和C0分別為模型和原型黏聚力，MPa；φm和φ0分別為模型和原型內(nèi)摩擦角，(°)；Em和E0分別為模型和原型彈性模量，MPa；νm和ν0分別為模型和原型泊松比。

根據(jù)動(dòng)力相似和變形相似要求、模型架尺寸確定的1∶100幾何相似比和表1中原始煤巖層物理力學(xué)參數(shù)可確定相似材料及配比。

本次實(shí)驗(yàn)選擇河沙、石膏和石灰作為相似模擬材料，通過制作不同配比的標(biāo)準(zhǔn)試件并進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)[11]。最終確定相似材料配比、力學(xué)參數(shù)見表2。

表2　模型相似材料配比及物理力學(xué)參數(shù)

注：*3次實(shí)驗(yàn)分別取250，450，650 mm。

1.4　測(cè)試裝置布置及相似模型制作

在保護(hù)層開挖的同時(shí)對(duì)模型變形進(jìn)行觀測(cè)，并采集被保護(hù)層應(yīng)力的變化數(shù)據(jù)[13-15]。應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)由電阻應(yīng)變儀和預(yù)埋設(shè)已砂標(biāo)的BX-1型高精度壓力盒組成，用來測(cè)定保護(hù)層工作面開挖前后被保護(hù)層內(nèi)的壓力變化情況；應(yīng)變測(cè)試采用網(wǎng)格法，數(shù)據(jù)采集裝置為1臺(tái)Sigmar公司ASMD3-16電阻應(yīng)變儀；并將被保護(hù)層膨脹變形量作為保護(hù)層開采保護(hù)效果的考察參數(shù)[7,9,13,16]。

相似模型鋪設(shè)每次上架厚度不超過20 mm，充分壓實(shí)，并在層間撒適量云母粉作為分層弱面。因在模型開挖階段，C6煤層開挖區(qū)域上下邊界在C4煤層中的對(duì)應(yīng)位置附近是C4煤層變形膨脹的極小值區(qū)，是確定傾向保護(hù)角和劃定保護(hù)范圍的關(guān)鍵區(qū)域。在這2處按圖1所示等間距安裝壓力盒。

模型鋪設(shè)完成后在模型上方用砝碼杠桿施加預(yù)定壓力，模擬設(shè)計(jì)開采深度。根據(jù)原型埋深確定施加質(zhì)量為10 kg的砝碼57個(gè)。

圖1　相似模擬壓力盒安裝示意Fig.1　Schematic diagram of installment of pressure transducers

2　實(shí)驗(yàn)步驟

模型養(yǎng)護(hù)達(dá)到預(yù)定時(shí)間(20～30 d左右)，模型強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求即進(jìn)行模型開挖。開挖位置為模型中C6煤層中部，開挖長(zhǎng)度為700 mm，如圖1所示。在工作面開挖前檢查并確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作后記錄清零并開始數(shù)據(jù)采集。在實(shí)驗(yàn)過程中利用2 848×4 288像素的高精度數(shù)碼相機(jī)記錄上保護(hù)層開采過程中模型表面宏觀變形情況。數(shù)據(jù)采集直至工作面開挖完成上覆巖層變形穩(wěn)定，并保存實(shí)驗(yàn)過程的所有數(shù)據(jù)和照片。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　不同層間距被保護(hù)層卸壓規(guī)律

將層間距為250，450，650 mm的上保護(hù)層開采模型實(shí)驗(yàn)的被保護(hù)層壓力盒卸壓數(shù)據(jù)在圖2中疊加，得到不同層間距的被保護(hù)層卸壓曲線。圖2中縱軸表示卸壓值，橫軸表示距保護(hù)層開挖區(qū)域中心線的層面距離；橫軸位置被保護(hù)層卸壓值為0，即原始地應(yīng)力；卸壓值大于0表示地應(yīng)力小于原始地應(yīng)力；卸壓值小于0表示該位置地應(yīng)力大于原始地應(yīng)力，即發(fā)生應(yīng)力集中。

圖2　不同層間距下被保護(hù)層卸壓曲線Fig.2　Unload pressure along the protected layers of physical similar simulation test with varying stratum distances

1)被保護(hù)層應(yīng)力卸壓曲線特征

從圖2中可知不同層間距被保護(hù)層卸壓曲線均呈“凸形”：曲線兩側(cè)斜率較大，即開挖區(qū)域上山及下山方向卸壓程度變化較大；曲線中心線附近相對(duì)平坦，即開挖區(qū)域中心卸壓值趨于平緩；在卸壓曲線兩翼邊緣接近原始地應(yīng)力位置不同層間距的卸壓曲線與橫軸的交點(diǎn)位置存在錯(cuò)動(dòng)，此處不同層間距卸壓曲線的規(guī)律性不顯著。

隨著層間距增大，卸壓曲線整體高度降低，說明層間距增大導(dǎo)致整體卸壓程度降低；卸壓曲線兩側(cè)斜率降低，說明層間距增大導(dǎo)致應(yīng)變變化程度下降；被保護(hù)層卸壓范圍上下邊界應(yīng)力集中程度下降；卸壓曲線右側(cè)降幅大于左側(cè)、卸壓極值位置偏于縱軸左側(cè)，與下保護(hù)層開采上被保護(hù)層卸壓極值位置偏向開挖區(qū)域上山方向的特征相反[16-18]。

2)被保護(hù)層卸壓范圍

①被保護(hù)層小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍

圖2中不同層間距卸壓曲線在橫軸上的截距即為被保護(hù)層傾向上小于原巖壓力的卸壓范圍，卸壓曲線在橫軸上的截距中心與保護(hù)層工作面中心線沿層面距離為距保護(hù)層開挖工作面中心線偏移距離。不同層間距被保護(hù)層中小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍見表3。

表3　不同層間距小于原巖應(yīng)力卸壓范圍特征

從表3可以看出，隨著層間距增加，小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍從669 mm減小為504 mm，呈單調(diào)減小趨勢(shì)；距保護(hù)層開挖工作面中心線偏移距離從-50 mm增大為-46 mm，說明卸壓中心隨層間距增大總體向保護(hù)層開挖工作面中心線方向靠近。

②卸壓曲線頂部最大卸壓值和應(yīng)力釋放率

不同層間距條件下得到的卸壓曲線頂部最大卸壓值、最大應(yīng)力釋放率列于表4。

表4　不同層間距卸壓曲線頂部最大卸壓值

表4說明隨著層間距增大，最大應(yīng)力卸壓值與最大應(yīng)力釋放率均呈下降趨勢(shì)，說明上保護(hù)層開采對(duì)下被保護(hù)層最大的卸壓影響程度逐漸減小。

③被保護(hù)層上下山方向應(yīng)力集中系數(shù)

由于層間距0.45 m的上保護(hù)層開采相似模擬實(shí)驗(yàn)中壓力盒主要布置于被保護(hù)層的卸壓范圍內(nèi)，未能觀測(cè)到被保護(hù)層上下山方向的應(yīng)力集中情況，表5僅列出層間距為250，650 mm上保護(hù)層開采相似模擬實(shí)驗(yàn)的保護(hù)層開挖區(qū)域中心線左側(cè)427.6 mm，右側(cè)377.5 mm處的應(yīng)力集中系數(shù)。表5中隨著層間距增加被保護(hù)層卸壓范圍上下邊界應(yīng)力集中程度均呈下降趨勢(shì)。

表5　上下山方向應(yīng)力集中系數(shù)變化

④上下山方向卸壓曲線斜率

表6中橫軸以上卸壓曲線兩側(cè)斜率均隨層間距增大而減小，右側(cè)斜率減小速度大于左側(cè)斜率減小速度，即隨層間距增大被保護(hù)層卸壓區(qū)域內(nèi)上山方向卸壓程度變化大于下山方向卸壓程度變化。

表6　卸壓曲線橫軸以上部分的平均斜率

3.2　不同層間距保護(hù)角、保護(hù)范圍變化規(guī)律

按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，在保護(hù)層與被保護(hù)層的層間距離、巖性及保護(hù)層開采厚度等變化不大情況下被保護(hù)層膨脹變形量3‰作為同一保護(hù)層和被保護(hù)層的保護(hù)范圍邊界準(zhǔn)則。將模型中被保護(hù)層垂直層面方向的表面膨脹變形量大于3‰?yún)^(qū)域劃定為被保護(hù)范圍，膨脹變形量的觀測(cè)位置及觀測(cè)值在圖3中疊加。

圖3　不同層間距膨脹變形曲線及保護(hù)角保護(hù)范圍計(jì)算Fig.3　Swelling deformation curve with varying stratum distances & calculation chart of protective angle and protected scope

1)被保護(hù)層上下邊界保護(hù)角與層間距關(guān)系

根據(jù)圖3，仿照《《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中卸壓角概念定義下邊界膨脹變形保護(hù)角δ3(簡(jiǎn)稱下邊界保護(hù)角)由膨脹變形曲線在保護(hù)層開挖區(qū)域下邊界附近3‰的點(diǎn)與保護(hù)層開挖區(qū)域下山方向邊界的距離及層間距確定：

(8)

式中：u3為膨脹變形量為3‰的點(diǎn)距保護(hù)層開挖區(qū)域下邊界的距離；h為上保護(hù)層開采層間距。

上邊界膨脹變形保護(hù)角的計(jì)算與下邊界類似。根據(jù)式(8)得到上保護(hù)層開采上下邊界的卸壓角，如表7所示。

表7　保護(hù)角及與《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》劃定卸壓角對(duì)比

從表7可以看出，下邊界保護(hù)角大于上邊界保護(hù)角；隨著上保護(hù)層開采層間距的增大，保護(hù)層工作面上下邊界保護(hù)角發(fā)生變化，但變化幅度不大；下邊界保護(hù)角平均為77°，上邊界保護(hù)角平均為67°，均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中以45°煤層傾角確定的上保護(hù)層開采上下邊界卸壓角，說明了上保護(hù)層開采過程中將下被保護(hù)層膨脹變形量大于3‰作為保護(hù)準(zhǔn)則相對(duì)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中按煤層傾角劃定的上保護(hù)層開采保護(hù)范圍偏于安全。

2)被保護(hù)層傾向保護(hù)范圍與層間距關(guān)系

根據(jù)上保護(hù)層開采上下邊界保護(hù)角確定被保護(hù)層傾向保護(hù)范圍；以保護(hù)層工作面傾向中心點(diǎn)為參考，定義被保護(hù)范圍傾向中心與保護(hù)層工作面中心點(diǎn)的傾向距離為傾向中心偏移距，用來確定保護(hù)范圍的整體位置。傾向中心偏移距以偏向上山方向?yàn)檎?，偏向下山方向?yàn)樨?fù)。被保護(hù)層傾向保護(hù)范圍及傾向中心偏移距如表8所示。

表8　保護(hù)范圍大小與傾向中心偏移距隨煤層間距變化

由表8可知，隨著層間距增大保護(hù)范圍呈加速減小趨勢(shì)，如圖4所示，且保護(hù)范圍傾向中心隨著層間距增大向下山偏移。表8中對(duì)于不同的層間距，以膨脹變形量3‰確定的保護(hù)范圍均小于按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中基于煤層傾角劃定的保護(hù)范圍，因此以膨脹變形量大于3‰劃定的保護(hù)范圍偏于安全。

圖4　保護(hù)范圍隨層間距變化Fig.4　Protected scope variation with inter coal seam distance

4　結(jié)論

1)上保護(hù)層開采被保護(hù)層卸壓曲線呈“凸形”，“凸形”中心線偏向下山方向。“凸形”底部被保護(hù)層小于原巖應(yīng)力的卸壓范圍與“凸形”頂部卸壓曲線頂部較大卸壓的范圍均呈減小趨勢(shì)。兩者中心位置均向下山方向轉(zhuǎn)移，且后者速度快于前者。

2)隨著層間距增大，被保護(hù)層卸壓曲線中低于原巖應(yīng)力的卸壓范圍的卸壓程度及高于原巖應(yīng)力的應(yīng)力集中范圍的應(yīng)力集中程度均呈減弱趨勢(shì)，低于原巖應(yīng)力的卸壓范圍內(nèi)卸壓程度在上山方向比下山方向上變化大。

3)以垂直層面方向膨脹變形量3‰確定的上下邊界膨脹變形保護(hù)角均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》按煤層傾角確定的上下邊界卸壓角，因此以下被保護(hù)層垂直層面方向膨脹變形量大于3‰作為保護(hù)準(zhǔn)則相對(duì)按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中按煤層傾角劃定的保護(hù)范圍偏于安全。

4)不同層間距上保護(hù)層開采的保護(hù)范圍均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中按煤層傾角得到的保護(hù)范圍，且隨著層間距的增加以垂直層面方向膨脹變形量確定的保護(hù)范圍呈加速減小趨勢(shì)。

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