劉培濤　楊軍偉　何成亮　楊迎松

摘 要：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(duì)貴州地區(qū)煤層及傾斜煤層的應(yīng)力支護(hù)和瓦斯抽放有極大研究意義。對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行前期的礦壓觀測(cè)，總結(jié)分析已有的相關(guān)研究成果，收集掌握和論文內(nèi)容相關(guān)的地質(zhì)資料、技術(shù)信息，為相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。再主要運(yùn)用巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、礦山壓力等理論，在理論上對(duì)傾斜煤層開挖后的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行理論分析。最后通過(guò)相似模擬輔助理論分析完成傾斜煤層開挖后應(yīng)力重新變化分布規(guī)律研究。本試驗(yàn)以盛遠(yuǎn)煤礦40803工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件為原型，運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)的方法，研究覆巖裂隙變化和采場(chǎng)圍巖應(yīng)力變化特征，為確定合理的地表變形控制技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：傾斜煤層;應(yīng)力分布;相似模擬;模型開挖

0引言

目前，相似模擬[1-3]試驗(yàn)方法是針對(duì)礦山壓力的主要研究方法之一，是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)技術(shù)。該方法可以詳細(xì)的研究工作面在推進(jìn)過(guò)程中巷道與工作面的巖層中所發(fā)生的機(jī)理現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)使用少量人力物力即可進(jìn)行各種條件下的模擬工作，且花費(fèi)時(shí)間少，被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的諸多礦山中。但在相似材料配比的確定過(guò)程中，一般很難有效地確定試驗(yàn)配比使配制出來(lái)的試驗(yàn)材料達(dá)到預(yù)想的物理力學(xué)性質(zhì)，需反復(fù)試驗(yàn)并調(diào)整，并且還需要考慮影響配比過(guò)程中的各個(gè)因素間的交叉影響，耗費(fèi)大量的時(shí)間，這給相似模擬試驗(yàn)帶來(lái)一定的困難，同時(shí)嚴(yán)重影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

盛遠(yuǎn)煤礦試驗(yàn)保護(hù)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(hù)。地表標(biāo)高在+1885～+2122m，試驗(yàn)工作面運(yùn)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(zhǎng)平均400m，傾斜長(zhǎng)平均118m。

40803工作面主要開采8#煤層，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，受斷層影響較小，煤層傾角7°～11°，平均9°，煤厚1.64～1.38m，平均2.32m，容重1.5t/m3，其頂板上部為泥巖或粉砂巖，中部多為中厚層狀的細(xì)砂巖，具波狀層理和水平層理，厚0～6m，一般3m;下部為薄層狀粉砂巖、泥巖，厚0～12.6m，一般4.58m。底板上部為泥巖，含粘土質(zhì)，一般厚2.00m。下部多為層狀結(jié)構(gòu)的中厚層狀細(xì)砂巖或粉砂巖，厚0～18.57m，一般9.29m。8#煤層呈單斜構(gòu)造，埋藏深度大，瓦斯含量高，由于受上保護(hù)層4#層的保護(hù)，采掘過(guò)程中未發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，但掘進(jìn)期間瓦斯涌出量已達(dá)3m3/min以上。40803工作面綜合柱狀圖如下圖1所示。

2相似模擬模型方案設(shè)計(jì)

2.1 相似模型構(gòu)建

設(shè)計(jì)的模型為平面應(yīng)力模型，尺寸為長(zhǎng)×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(guò)撒上云母粉來(lái)模擬，之后上部地層模型用同樣的方法制作。試驗(yàn)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(jì)。模型兩邊各留50cm邊界煤柱，如下圖2所示。

在水平和垂直方向上分別每隔40cm、40cm設(shè)置一條觀測(cè)線，在模型表面形成縱向和橫向40cm×40cm的方格，地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿地表線布置，間距為40cm，通過(guò)工作面開采過(guò)程監(jiān)測(cè)上覆巖層的運(yùn)移變化規(guī)律、垮落狀況，及地表垂直和水平位移情況。

盛遠(yuǎn)煤礦40803工作面相似模擬試驗(yàn)開挖過(guò)程設(shè)計(jì)：本次實(shí)驗(yàn)中使用的模型架尺寸為長(zhǎng)×寬×高=4m×0.3m×2.0m，可模擬斷面最高為2.0m，本次實(shí)驗(yàn)需在模型上部加載作為應(yīng)力補(bǔ)償，以模擬松散層及礦山壓力的影響作用，故模型尺寸定為4m×0.3m×1.8m，實(shí)際模擬斷面高度180m。工作面開切眼采高2.5m。

2.2相似常數(shù)的選取

依據(jù)相似理論并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ同F(xiàn)確定相似常數(shù)如下：

（1）幾何相似常數(shù)：

本次實(shí)驗(yàn)中使用的模型架尺寸為長(zhǎng)×寬×高=4m×0.3m×2.0m，可模擬斷面最高為2.0m，本次實(shí)驗(yàn)需在模型上部加載作為應(yīng)力補(bǔ)償，以模擬松散層及礦山壓力的影響作用，故模型尺寸定為4m×0.3m×1.8m，實(shí)際模擬斷面高度180m，幾何相似常數(shù)取 =100。

（2）容重相似常數(shù)：

原型中的巖層多為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，容重相似常數(shù)取為 =1.5。

（3）應(yīng)力相似常數(shù)：

應(yīng)力相似常數(shù)為：? =1. 5×100=150，實(shí)際工作面距地表的高度平均為89.3m，制作模型時(shí)需模擬煤層底板下部巖層90.7m，共計(jì)180m。

模擬方案定為 1：100，模型鋪設(shè)高度為180cm，模擬巖層斷面高度為180m。上覆巖層容重按25KN/m3計(jì)算，本次試驗(yàn)主要研究工作面開采地表的變形情況，模型頂板達(dá)到地表，即不需要施加覆巖荷載。

（4）時(shí)間相似常數(shù)：

按現(xiàn)場(chǎng)正規(guī)工作，實(shí)驗(yàn)開挖一天開挖42cm，400cm長(zhǎng)的模型共開挖7d。

（5）相似材料配比及分層用量

根據(jù)相似材料的性質(zhì)及模型的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)選取河砂、石灰、石膏、云母粉和水做為原材料。由實(shí)驗(yàn)室掌握的相似材料配比實(shí)驗(yàn)資料，確定相應(yīng)巖層的相似材料配比及材料用量，見表1-2。其中材料用量的計(jì)算以模型分層為條件，每一個(gè)模擬地層為一個(gè)計(jì)算單元，通過(guò)相似常數(shù)的利用，分別計(jì)算出各層原材料用量，材料配比基本計(jì)算公式如下：

2.3模型位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在水平和垂直方向上分別每隔40cm、40cm設(shè)置一條觀測(cè)線，在模型表面形成縱向和橫向40cm×40cm的方格，地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿地表線布置，間距為40cm，通過(guò)工作面開采過(guò)程監(jiān)測(cè)上覆巖層的運(yùn)移變化規(guī)律、垮落狀況，及地表垂直和水平位移情況。

3相似模擬結(jié)果分析

3.1覆巖“三帶”范圍劃分

通過(guò)覆巖下沉規(guī)律分析，并結(jié)合覆巖破壞結(jié)構(gòu)理論中長(zhǎng)壁工作面開采后在采空區(qū)形成的“三帶”（即垮落帶，裂隙帶和彎曲下沉帶）計(jì)算特征，預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作面覆巖“三帶”劃分范圍為：垮落帶范圍為主采15#煤層上方第一層黑色泥巖到第六層石灰?guī)r，高度為10～13m;裂隙帶范圍為煤層上方第七層黑色泥巖到第十六層煤巖互層，高度為15～54m;彎曲下沉帶范圍為裂隙帶以上直至地表層。如圖4所示。

3.2 采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律分析

在制作相似模型的過(guò)程中按設(shè)計(jì)方案將應(yīng)力傳感器預(yù)埋布置在相應(yīng)設(shè)計(jì)位置，在相似模擬模型煤層開采時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀將應(yīng)力傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行收集轉(zhuǎn)換并將實(shí)時(shí)應(yīng)力變化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到電腦，直至模擬最終開挖結(jié)束。根據(jù)相似模擬事業(yè)結(jié)果處理得到煤層未開挖、初次來(lái)壓、第一次周期來(lái)壓、第二次周期來(lái)壓數(shù)據(jù)曲線圖如下圖5所示。

由圖5可以看出，隨著煤層不斷向前開采的過(guò)程中，在工作面前方約5～15cm范圍出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象，而且，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，該應(yīng)力集中也隨著工作面的推進(jìn)而不斷向前移動(dòng)，且底板應(yīng)力最大值也不斷變大。在采空區(qū)中部下方煤巖層的應(yīng)力呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，在采空區(qū)后方100m外煤巖層應(yīng)力逐漸開始趨于穩(wěn)定。 由圖5可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層不斷發(fā)生破斷、垮落，然后應(yīng)力變化通過(guò)煤層傳至底板的應(yīng)力傳感器，由于采空區(qū)巖體散亂，應(yīng)力釋放，而兩側(cè)要支撐起原有應(yīng)力，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此導(dǎo)致開切眼附近以及工作面前方的應(yīng)力大于原本的應(yīng)力值，而采空區(qū)應(yīng)力大大減小。并且，隨著推進(jìn)的漸漸深入，采空區(qū)面積增大，應(yīng)力最大值也越變?cè)酱蟆?/p>

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作者簡(jiǎn)介：

劉培濤（1996.03-）男，漢族，貴州省甕安縣，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

項(xiàng)目基金：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2018521022）

（六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院? ?貴州 六盤水 553004）