傾斜俯偽斜下保護層開采保護范圍劃定相似模擬實驗研究

趙文杰，王宏圖,2，舒 才，施 峰

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室， 重慶 400044；2.重慶大學 復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室， 重慶 400044)

傾斜俯偽斜下保護層開采保護范圍劃定相似模擬實驗研究

趙文杰1，王宏圖1,2，舒 才1，施 峰1

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室， 重慶 400044；2.重慶大學 復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室， 重慶 400044)

為了研究傾斜俯偽斜下保護層開采的有效保護范圍，以興隆煤礦1601工作面為研究對象，采用相似模擬實驗方法，研究了保護層頂板垮落特征，被保護層的應力和位移的分布規律以及煤層膨脹變形量，并以此為依據，確定下保護層開采的有效保護范圍。該實驗研究對現場下保護層開采被保護層卸壓范圍的劃定，具有重要的工程實踐意義。

傾斜俯偽斜；下保護層；保護范圍；相似模擬

0 引 言

近年來，我國煤與瓦斯突出事故頻繁發生，儼然已成為我國煤礦重要災害之一，而保護層開采是被認為最經濟、有效的區域性防突措施之一[1]，很多學者[2-3]已經對其進行了深入的研究。但是對于傾斜俯偽斜下保護層開采保護范圍劃定規律的研究并不是十分深入。因此，在傾斜俯偽斜下保護層開采后，深入研究礦山壓力的重新分布規律、位移變化規律、采動裂隙特征和卸壓保護范圍，對實現煤與瓦斯共采具有重要意義。

1 相似模擬實驗

1.1 試驗礦井原型

試驗以興隆煤礦1601工作面為原型。該工作面的4#煤層和6#煤層均具有突出危險性，選擇突出危險性較小的6#煤層作為保護層，4#煤層作為被保護層；1601工作面，風巷標高為+300 m，機巷標高為+250 m，工作面斜長86 m，走向長度為400 m，工作面采用偽斜角為30°俯偽斜布置方式。具體模擬條件見表1。

表1 模擬煤層特征表

1.2 相似常數及相似材料配比的確定

依據相似三定理[4]，模擬材料的視密度取為1.5 g/cm3，模擬范圍為200 m×200 m×30 m，根據各巖層強度取得相似常數(見表2)。然后不斷調整相似材料配比，并制作成多個圓柱體模型，進行單軸壓縮試驗。各模型相似材料配比見表3。

表2 相似常數

表3 相似材料配比

1.3 模型的加載

模型的加載是為了模擬上覆巖層的自重。通過原型條件計算，控制臺需加壓6.875 MPa。本實驗采用杠桿原理，動力臂∶阻力臂=10∶1，模型上部有5塊加壓板，每塊加壓板上放5塊鋼板，每塊鋼板10 kg，符合試驗要求。

1.4 模型開采

(1) 安裝標志紙片。待模型達到保養期后，在需要觀測位移的模型區域安裝紙片；將紙片剪1 cm×1 cm大小，并進行編號，用大頭針從紙片中央穿到模型上，紙片間距10 cm×10 cm，并確保同一行的紙片中心在同一條直線上；其中I測線位置大約位于被保護層底板，II測線位置大約位于保護層頂板。

(2) 安裝高清照相機。在距離模型試驗臺3 m左右的地方固定照相機，并設定自動拍照功能，以1～3 min為間距自動對模型安裝有紙片的一面進行拍照。

(3) 安裝應變儀。將壓力盒接到16通靜態應變儀上，根據補償方式，連接應變儀；檢查應變儀并進行調試，調試正常后準備采集數據，采集時間在模型開挖時開始。

(4) 開挖模型。模型采用一次工作面傾斜全長開采，模擬走向長壁綜采全部垮落法開采。模型采用人工開挖，從設計開挖區域開始進行，沿傾向從上到下開挖，直到全部開挖為止。開采完畢之后等待保護層上部巖層在上覆壓力作用下慢慢垮落。大約在3～4 h之后，模型形成的垮落形態如圖1所示。

圖1 上覆巖層垮落形態

由圖1可以看出，上覆巖層形成了垮落帶，裂隙帶和彎曲下沉帶[5]，與煤層現場開采過程中形成的“豎三帶”特征相吻合。

2 實驗結果分析

2.1 上覆巖層位移變化規律

通過Matlab編程對所提取的數據進行處理[6]，得到了開挖后垮落上部巖層的位移場變化規律(見圖2)。由圖2可以看出，保護層開采過后上部巖層發生了充分移動，這樣使得被保護層充分卸壓。

2.2 頂板變化規律

開采過程中通過照相機記錄安裝在煤層頂板的標志的位置變化，并利用Matlab編程追蹤開采過程中保護層頂板各點的位移量，如圖3所示。由圖3可以看出，隨著工作面的向前推進，頂板下沉量不斷增大，大致呈“W”形態。

圖2 開挖后上覆巖層位移場云圖

圖3 開采過程中頂板下沉量

2.3 卸壓保護范圍

將開挖過程中采集應力換算為應變；并根據應力、應變與彈性模量的關系，其中彈性模量為10 MPa，繪制出開挖后被保護層的卸壓變形曲線，如圖4所示。然后根據3‰的卸壓變形膨脹量劃定保護范圍[7]，得出保護范圍為上邊界卸壓角95°，下邊界卸壓角75°，在現場考察的保護層范圍之內。

3 結 論

(1) 在相似模擬開采過程中，下保護層形成了“豎三帶”的垮落形態，與現場開采吻合。

(2) 相似模擬實驗開采后，下保護層的上覆巖層位移場發生較大變化，這使得被保護層充分卸壓。

(3) 相似模擬實驗開采過程中，下保護層頂板下沉規律呈“W”形態，在留設煤柱的地方形成應力集中。

(4) 根據相似模擬實驗，下保護層劃定的保護范圍和現場考察十分吻合，說明相似模擬方法劃定的保護范圍也是可靠的。

[1]俞啟香.礦井災害防治理論與技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2008.

[2]王宏圖,黃光利,胡國忠,等.急傾斜上保護層開采瓦斯越流固-氣耦合模型及保護范圍[J].巖土力學,2014,35(5):1377-1382.

[3]涂 敏,繆協興,黃乃斌.遠程下保護層開采被保護煤層變形規律研究[J].采礦與安全工程學報,2006,23(3):253-257.

[4]張正林.覆巖采動裂隙帶瓦斯運移規律及其抽取與利用研究[D].西安：西安科技大學，2001.

[5]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.

[6]紅菱煤礦保護層開采裂隙演化規律的相似模擬實驗[J].遼寧工程技術大學學報,2012,31(2)186-188.

白 帆，劉 明.煤礦瓦斯防治技術[M].北京：中國經濟出版社，1987.(

2016-02-17)

趙文杰(1988-)，男，河南魯山人，碩士研究生，主要研究方向為礦井災害與防治，Email：1219456174@qq.com。