采動影響下斷層附近礦壓顯現規律的相似模擬試驗方案設計

陳占齊，謝小平，姜宇林，魏中舉

（貴州六盤水師范學院礦業工程系，貴州 六盤水 553004）

采動影響下斷層附近礦壓顯現規律的相似模擬試驗方案設計

陳占齊，謝小平，姜宇林，魏中舉

（貴州六盤水師范學院礦業工程系，貴州 六盤水 553004）

針對采動影響下斷層附近礦壓顯現規律特殊的問題，現采用相似材料二維加載模擬試驗臺，以米籮煤礦110302大采高綜采面現場地質條件為原型，運用相似模擬試驗的方法，研究采場礦壓顯現規律與圍巖活動機理，為確定合理的采場圍巖控制技術提供科學依據。

礦壓規律；斷層；采動影響；相似模擬

1 工程概況

米籮煤礦位于水城縣東南部米籮鄉，其110302工作面井下位于一采區三條下山的東翼，工作面開采1#、3#煤層，工作面回采1#、3#煤層。110302（里段）工作面：走向長為452.5m；傾斜長為166m；可采面積為75115m。工作面直接頂為平均厚度1.75米的粉砂巖；老頂為平均厚度為199m的飛仙關組灰綠色粉砂巖；直接底板為平均厚度0.3米的灰色泥質粉砂巖；老底為平均厚度1.25m的灰色粉砂巖。因在110302（里段）工作面出現了斷層，所以需要過斷層帶。

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據采集，運用伺服控制系統、LENOVO系統控制微機、TS3890型靜態應變測量處理儀等進行數據的處理。

圖1 相似材料模擬試驗臺

2.1.1 相關物理學力學參數

依據斷層附近鉆孔和試驗資料，1～8號巖層巖石的物理力學參數分別為：粉砂質泥巖原巖的厚度為18.15m，密度為2550kg/m3，抗壓強度為13.2MPa；粉砂巖原巖的厚度為1.25m，密度為2500kg/m3，抗壓強度為43.5MPa；泥質粉砂巖原巖的厚度為0.3m，密度為2460kg/ m3，抗壓強度為15.3MPa；3#煤層原巖的厚度為2.3m，密度為1620kg/m3，抗壓強度為10.0MPa；泥巖、泥質粉砂巖原巖的厚度為0.7m，密度為2460kg/m3，抗壓強度為13.2MPa；1#煤層原巖的厚度為1.4m，密度為1620kg/m3，抗壓強度為7.44MPa粉砂巖原巖的厚度為1.75m，密度為2500kg/m3，抗壓強度為43.5MPa；飛仙組灰綠色粉砂巖原巖的厚度為127.32m，密度為2500kg/m3，抗壓強度為47.5MPa。

2.1.2 選取試驗相似常數

通過運用相似理論并結合實際試驗模型可確定相似常數如下：（1）幾何相似常數：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，其幾何相似常數取100。 （2）容重相似常數：原型中的巖層多為泥巖、粉粉砂巖和砂質泥巖，由以往經驗容重相似常數取為1.5。 （3）應力相似常數：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，采用模擬加壓來產生壓力的高度為剩余的60.61m。上覆巖層的容重按25KN/m3來計算，則采用模擬加壓的60.61m的深度產生的壓強為1.52Mpa；根據模型的尺寸，以及預定相似比例，實際加載壓力為9.12KN。（4）時間相似常數：按現場正規工作，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。

2.1.3 相似材料配比及分層用量

本試驗根據模型的特點和相似材料的性質選取河砂、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：

式中：Gi——模型第 i 層的用料總量；Ai——模型第 i 層的側面積；γi——原型第 i 層的容重；m——模型厚度。

2.2 模型監測點布置

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，斷層附件測點間距為20cm。鋪設過程中分三層布置埋設壓力傳感器，分別布置在煤層底板細砂巖、開采煤層和3#煤層以上第三層黑色泥巖中。

3 相似模擬模型方案設計

設計的模型幾何尺寸如圖2所示。模型為平面應力模型，尺寸為長×寬×高=400cm×30cm×180cm。根據工作面的地質構造條件，從煤層底板開始，首先鋪設下盤巖層，然后斷層的結構面通過在斷層面上撒上云母粉來模擬，之后斷層的上盤地層模型用同樣的方法制作。試驗前在距離模型一側邊緣50cm處開挖切眼，切眼寬度2.4cm，高度3.7cm，按1∶100的比例設計。模型兩邊各留50cm邊界煤柱，距離開切眼200cm出有一傾角45o，落差2.5m的正斷層。

圖2 模型設計圖

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

六盤水師范學院大學生創新性實驗項目

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.071

陳占齊（1991-），男，河南民權人，本科。