復合頂板煤巖體內應力分布規律相似試驗研究

郭建彪

（1.安徽礦業職業技術學院 能源工程系，安徽 淮北 235000；2.安徽淮北煤電技師學院，安徽 淮北 235000）

1 相似模型設計與制作

1.1 原型條件

以顧橋煤礦1116(1)工作面為試驗原型條件，工作面標高-691.117m～-550.20m。工作面長度217.6m，走向長度2672.5m。煤層傾角3°～10°，平均5°。 煤層埋藏較穩定，結構復雜，厚度為1.0～3.4m，平均厚度為2.6m，模擬時采高取3.4m，實行走向長壁全部垮落法開采。

根據現場鉆孔資料及相似實驗的基本要求，被模擬巖層總數為34層，總厚度130.4米，包括117米的頂板、3.4米的煤層和10米的底板。被模擬巖層的物理力學參數由實驗室測試得到。

1.2 相似參數確定

安徽理工大學的相似試驗裝置長3米，寬0.3米，高1.3米，結合原型的基本尺寸，確定相似實驗的幾何相似比Cl=1/100。巖層的平均容重是相似材料的1.6倍，故容重相似比Cγ=1/1.6。根據相似理論，此次試驗的應力相似比Cσ=Cl×Cγ=1/160。時間相似比設為幾何相似比的1/12，現場的一天可通過試驗的2個小時表示。

1.3 相似材料的選擇

本次相似模擬試驗的相似材料如下：河砂為骨料、石灰和熟石膏為膠結材料，分層材料為云母粉，其中河砂的粒度為0.15～0.5mm。

1.4 模型制作工藝

相似模型的制作過程如下：①根據各分層材料屬性及用量準備相似材料；②將相似材料加水拌勻；③將相似材料按分層厚度及上下順序逐次鋪設于模板中。分層之間的節理及裂隙由云母粉模擬。模型放置三天，并干燥十天。模型頂板施加均布荷載以模擬上覆巖層的重力。模型兩次采用標準槽鋼限制其水平位移，使相似模型成為標準的平面應變模型。槽鋼與模型面之間事先設置塑料紙并涂抹黃油以減少其間的相對摩擦。相似模型全景如圖1所示。

圖1 相似材料模擬實驗模型全景

2 煤巖體內應力分布規律分析

2.1 切眼附近支承壓力

相似試驗的第一步既是開切眼過程的模擬，“開切眼”后，前方的煤體逐步“開采”。模擬每進行一步，模型內的傳感器均傳遞出不同壓力及位移數據。圖2顯示了切眼后方煤體內支承壓力隨工作面開采的變化規律。

圖2 切眼后方支承壓力分布

由圖2可知，自開切眼伊始，其后方煤體內支承壓力不斷隨著工作面的開采而上升，前方17米處的煤體開挖后，支承壓力第一達到最值；當遠離切眼22米時，模型中煤層上方的兩個巖層同時全部跨落，測點處的支承壓力有所降低；當工作面繼續推進時，支承壓力又開始逐步增大，直到工作面開采至距切眼32米處時，支承壓力的第二個峰值來臨，應力集中系數高達1.91；當工作面開采至34米處時，煤上方的穩定巖層跨落，預示著老頂的來壓，此時支承壓力開始降低。縱觀整個開采過程，切眼后方煤體內的壓力始終大于原巖應力。

2.2 工作面前方支承壓力特點

圖3顯示，工作面推進70米厚，超前支承壓力開始明顯顯現在前方煤體內，但是顯現效應并不大，壓力增長速度也不高。

圖3 切眼前方煤巖體內支承壓力分布

當工作面推進至距測點45m時，煤體內的支承壓力開始明顯增大，41.7Mpa的峰值出現在煤壁前方10米處，應力集中系數達2.63。

當工作面推進到距測點45m時，煤體內的壓力增長梯度開始顯著增大，壓力增長梯度達到5.6%～14%。最大壓力值出現在煤壁前方10m處，最大壓力值為41.7MPa，為2.63倍的初始應力值。

工作面由遠及近逐漸向測點推進時，測點位置的壓力不斷下降，而且越靠近測點支承壓力下降速度越快，工作面正好位于測點下方時，支承壓力幾乎為零。工作面推過測點后，支承壓力開始回升，此后的壓力不能成為支承壓力，因為其數值較原巖應力有所下降。當工作面推過測點40米后，原先的測點完全位于采空區內，其壓力恢復至原始應力的0.8倍左右。工作面推過測點100米后，采空區內原測點的壓力恢復至原始應力的0.995～0.999倍，此后壓力值幾乎不再變化，表明冒落矸石已被重新壓實，上覆巖層活動減弱。

相似模擬驗證了在采煤工作面前后范圍內存在著四個分區，即：

（1）原巖應力區，此區位于回采工作面前方70m之外，煤巖體內壓力與原巖應力非常接近，應力集中系數為1，即K=1。

（2）應力升高區，此區位于回采工作面前方3～70m處，K＞1。

（3）應力降低區，此區位于回采工作面前方3m到工作面后方采空區100m處，K＜1。

（4）應力不變區，位于采空區后100m之外，應力恢復到幾乎為原巖應力值，K≈1。

2.3 停采線附近支承壓力分布特征

圖4 停采線處支承壓力分布

由圖4能看出：停采線位置設置的測點內支承壓力變化規律和工作面前方支承壓力分布規律幾乎相同：工作面接近測點70m后，支承壓力開始增長；30米后，煤體內的壓力增長速度加快；10米后，支承壓力達到最值39.1MPa，應力集中系數為2.47；當工作面推到測點時，支承壓力幾乎為零。

3 結論

本文結合1116(1)工作面綜合柱狀圖及相應的巖石力學實際測試參數，建立平面相似實驗模型，對工作面開采過程進行了動態模擬，初步預測了11-2煤開采對13-1煤的解放效果。

[1]陳科，柏建彪，胡忠超，朱琪等.超前支承壓力對下山的影響分析及合理停采線位置確定.〔J〕煤礦開采，2010（1）

[2]李沖.極松散“三軟”煤層采場頂板控制技術研究：[碩士學位論文].安徽：安徽理工大學，2007

[3]周鵬舉.受上覆煤層開采影響工作面及巷道礦壓特征研究：[碩士學位論文].安徽：安徽理工大學，2010

[4]孫向陽.綜采工作面上覆巖層移動破壞規律研究.〔J〕科技信息,2011(8)