何成亮 劉培濤 蘇靜 成旺 楊忠寶

摘? 要：對礦山開采而言，應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)域預測的關鍵環(huán)節(jié)。同時，系統(tǒng)分析地應力分布規(guī)律影響因素，對于實現(xiàn)采礦決策和設計科學化具有重要的意義。煤層受到上覆巖層壓力、最大水平主應力、最小水平主應力和孔隙壓力的作用，處于平衡狀態(tài)，開采后，應力將重新分布，井壁的穩(wěn)定與否最終都表現(xiàn)在周圍的應力分布狀態(tài)之上，因此，對應力分布規(guī)律的研究將決定井巷施工設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力重新變化分布規(guī)律和傾斜煤層應力重新變化后的對巷道支護及瓦斯抽放影響的研究。

關鍵詞：傾斜煤層;應力分布;相似模擬;方案設計

引言

物理模擬試驗以相似理論為基礎，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60年代起已廣泛應用于巖體工程領域[3]。近年來，國內(nèi)學者為研究傾斜煤礦開采覆巖移動和圍巖應力變化規(guī)律，揭示裂隙帶發(fā)育和采場應力分布特征，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”結構的穩(wěn)定性主要取決于基巖厚度以及其巖層的物理力學性質(zhì);本文通過建立物理模型，設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力分布研究對貴州地區(qū)煤層及傾斜煤層的應力支護和瓦斯抽放有極大研究意義。由于缺乏對應力分布規(guī)律的認識，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，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力分布實驗研究出應力分布的規(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依據(jù)。

對礦山開采而言，應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)域預測的關鍵環(huán)節(jié)。同時，系統(tǒng)分析地應力分布規(guī)律影響因素，對于實現(xiàn)采礦決策和設計科學化具有重要的意義。煤層受到上覆巖層壓力、最大水平主應力、最小水平主應力和孔隙壓力的作用，處于平衡狀態(tài)，開采后，應力將重新分布，井壁的穩(wěn)定與否最終都表現(xiàn)在周圍的應力分布狀態(tài)之上，因此，對應力分布規(guī)律的研究將決定井巷施工設計和施工過程的正確與否。

盛遠煤礦位于六盤水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)和威寧縣東風鎮(zhèn)境內(nèi)，盛遠煤礦全長約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系詳見圖2-3所示。地表標高在+1885～+2122m，試驗工作面運巷標高+1692m左右，回風巷標高+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 試驗模型設計

2.1測試所需儀器設備

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)應變測量處理儀等進行數(shù)據(jù)的處理。

（一）相關物理學力學參數(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合實際試驗模型可確定相似常數(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力補償，設計模型尺寸為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）應力相似常數(shù)：模擬方案定比例為1：100，模型鋪設高度為 180cm，模擬巖層斷面高度為180m，上覆巖層直達地表，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，再結合實驗室掌握的相似材料配比實驗資料來確定相應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。鋪設過程中分三層布置埋設壓力傳感器，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計

設計的模型幾何尺寸如圖1所示。模型為平面應力模型，尺寸為長×寬×高=400cm×30cm×180cm。根據(jù)工作面的地質(zhì)構造條件，從煤層底板開始，首先鋪設下部巖層，然后結構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的比例設計。模型兩邊各留50cm邊界煤柱。

本試驗以盛遠煤礦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，及應力分布規(guī)律，為確定合理的采場圍巖控制技術提供科學依據(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。

參考文獻

[1]? 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[2]? 吳基文，童紅樹.斷層帶巖體采動效應的相似材料模擬研究[J].巖 石 力 學 與 工 程 學 報，2007;26（增刊2）：2346-2351.

[3]? 吳基文，童紅樹.斷層帶巖體采動效應的相似材料模擬研究[J].巖 石 力 學 與 工 程 學 報，2007;26（增刊2）：2346-2351.

[4]? 吳基文，童宏樹，童世杰，等.斷層帶巖體采動效應的相似材料模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2007，（S2）：4170-4175.

[5]? 朱金來，李廣杰，尤冰.巖層破壞理論在采區(qū)地基穩(wěn)定性評價中的應用—以吉林九臺營城煤礦為例[J].世界地質(zhì)，2012，31（3）：584-588.

[6]? 楊曉雨，郭保華，李振興.物理模擬相似材料配比的正交試驗研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2014（4）：62-65.

[7]? 李曉紅，盧義玉，康勇，等.巖石力學實驗模擬技術[M]. 北京：科學出版社，2006.

[8]? 孫學陽，寇規(guī)規(guī)，李鵬強，等.重復采動下覆巖移動相似模擬實驗研究[J].煤炭技術，2018，37（9）：12-14.

[9]? 王創(chuàng)業(yè)，司建鋒，杜小雅，等.基于相似模擬實驗覆巖移動規(guī)律研究[J].煤炭技術，2017，36（1）：61-63.

[10]? 張志祥，張永波，趙志懷，等.多煤層開采覆巖移動及地表變形規(guī)律的相似模擬實驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38（4）：130-134.

[11]? 劉秀英，張永波.采空區(qū)覆巖移動規(guī)律的相似模擬實驗研究[J].太原理工大學學報.2004，35（1）：29-31.

[12]? 王正帥，柴敬，王帥，等.杭來灣礦近淺埋煤層開采覆巖移動規(guī)律研究[J].煤炭技術，2014，33（8）：111-114.

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

基金項目：貴州省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2018521022）