寺河礦大斷面巷道圍巖變形特征的相似材料模擬試驗研究

張廣太

(潞安集團左權五里堠煤業有限公司,山西 左權 032600)

寺河礦大斷面巷道圍巖變形特征的相似材料模擬試驗研究

張廣太

(潞安集團左權五里堠煤業有限公司,山西 左權 032600)

通過相似材料模型試驗,分析了寺河礦3號煤層大斷面回采巷道在不同地應力環境下圍巖的變形規律。試驗結果表明:埋深600 m和800 m時的巷表面收斂率分別是400 m時的2.2倍和3.0倍。隨距巷中心線距離增大,頂板水平和垂直位移分別增大和減小;隨距幫距離增大,幫水平和垂直位移分別先減小后增大和減小;隨頂板層位增高,頂板水平位移大幅減小,頂板垂直位移小幅增大;隨幫層位增高,幫水平和垂直位移都增大,并且上述位移分布曲線的變化率均隨埋深的增加而增大。

大斷面巷道;相似材料模型;變形特征

當前我國厚煤層綜放開采和中厚煤層一次采全厚開采得到廣范應用[1],這就要求回采巷道的斷面隨之擴大。同時,隨著開采深度的增加,巖體應力隨之增大,回采巷道出現工程軟巖巷道的大變形特點[2-3]。因此,關注大斷面軟巖巷道圍巖變形規律已成為必須面對的現實問題[4]。目前,晉城寺河礦在生產煤層中開掘的巷道斷面較大,巷道在使用過程中始終變形量很大,呈現出軟巖巷道的特征[5],巷道反復維修,成本很高。因此,文章采用相似材料模擬試驗研究此地質環境下的巷道變形特征,以獲得在不同地應力狀態下大斷面巷道圍巖的變形規律,為該礦的巷道圍巖控制提供參考。

1 工程背景

寺河礦3#煤層為開采煤層。該煤層屬于二疊系下統山西組,煤層埋深約400 m,平均厚度6 m傾角≤5°,平均單軸抗壓強度22 MPa,單軸抗拉強度17 MPa;直接頂為灰色砂巖與泥巖互層,厚度16 m,平均單軸抗壓強度60.2 MPa,單軸抗拉強度3.8 MPa;煤層直接底為黑灰色或褐色砂質巖,薄到中厚層狀,平均單軸抗壓強度42.0 MPa,單軸抗拉強度3.3 MPa。3#煤層地質綜合柱狀示意圖,見圖1。

圖1 3#煤層地質綜合柱狀圖Fig. 1 Geological integrated column map in No.3 seam

2 相似材料模型試驗設備及方案

依據現場實踐和相關工程經驗,確定模擬巷道斷面形狀為矩形,寬度5.0 m、高度4.0 m。模擬巷道的頂壓分別為400 m、600 m、800 m的垂直應力;側壓分別取側壓力系數為0.5、1.0、1.5的水平應力[10]。

2.1模擬試驗設備

試驗設備包括試驗架、試驗加載構件及試驗量測儀器。試驗架是一個長方形架體,由方鋼拼接成型,為主要承載構件,架體前后用鋼板用來封閉、約束材料模型體。試驗加載構件由油泵、蓄能器和施載油缸組成,在架體的頂部及側部安裝油缸為模型施加荷載,載荷的穩壓通過蓄能器實現。試驗量測儀器為數字照相器材,圍巖變形數據通過數字照相技術采集[6]。

2.2相似材料配比及用量

材料配比是參照了黑龍江科技大學、東北工程學院和安徽理工大學所出版的相似材料配比表綜合選取的[7]。最終確定模擬材料組份是:河砂、白石灰及石膏。根據所選材料配比和巖層物理力學參數,確定每層材料用量[8-9],詳見表1。

表1 相似材料模擬試驗配比及用量表

2.3試驗測點布置

巷道變形位移的測點采用油漆染紅的大頭針,并按縱橫交叉的網狀節點位置插入到模型表面。測點橫向為排、縱為列,排從下往上順序編號,排距1 m;列從巷中心向巷兩側分別順序編號,列距1.5 m。

3 巷道圍巖變形特征分析

3.1巷表面位移特征

巷頂底板移近量與兩幫移近量的觀測數據,如表2所示。從中可知: 1)同一埋深下,頂底板和兩幫移近量都隨側應力系數的增大而增加。當側應力系數大于1時,頂底板移近增量顯著增大、兩幫移近增量細微增大。2)在埋深400 m、600 m和800 m時巷表面收斂率分別為7.8%～15.6%、20.8%～27.7%和31.2%～38.6%,表明埋深是決定巷表面收斂量大小的主導因素,且埋深越大巷表面收斂速率受側應力系數的影響越小。

表2 巷道表面位移

3.2巷圍巖內部位移特征

3.2.1頂板位移分布規律

1)頂板位移橫向分布特征,見圖2,可以看出:a.由巷頂板中部向頂板兩側,頂板水平位移逐漸增大,并且埋深越大水平位移越大,即頂板被水平擠壓的程度越深。b.從巷頂板中部至頂板兩側,頂板垂直位移減小,但位移在巷寬內呈緩慢減小,巷寬外開始明顯減小,因而在巷頂角處易出現縱向剪切破壞,同時,隨埋深的增加,頂板垂直位移的衰減率增大,表明巷埋深越大頂板下沉的不均勻性越大,由此產生的垂直剪切錯動趨勢也越大。

2-a 水平位移

2-b 垂直位移圖2 頂板位移橫向分布曲線Fig. 2 Horizontal distribution of roof displacement

2)頂板位移縱向分布特征,見圖3,可知:a.巷頂板層位越低,頂板水平位移越大,層間產生水平錯動的趨勢越大,在巷頂板表面最易發生橫向剪切破壞;隨巷埋深增加,頂板層間水平位移衰減率增大: 800 m埋深時的位移衰減率分別是400 m和600 m時的3.5倍和1.5倍,顯示埋深越大層間出現水平錯動的趨勢也越大。b.不論埋深如何,頂板垂直位移均隨頂板層位增高而微小增大,說明頂板層間在垂直方向上總是相互擠壓,呈現整體下沉,在錨固支護范圍內發生離層的可能性較小。

3-a 水平位移

3-b 垂直位移圖3 頂板位移縱向分布曲線Fig.3 Vertical distribution of roof displacement

3.2.2巷幫位移分布規律

4-a 水平位移

4-b 垂直位移圖4 幫位移橫向分布曲線Fig.4 Horizontal distribution of wall displacement

1)巷幫位移橫向分布特征,見圖4。可知:a.從巷幫表面到幫深部,幫水平位移先減小后增大,并在距幫3 m處達到最小。這顯示因相對位移的不同步性,在幫3 m范圍內,圍巖呈現拉伸狀態,從而出現裂隙,在幫3 m范圍外,圍巖呈擠壓狀態,穩定性較好,因此幫3 m范圍內的圍巖應為重點支護區域。另外,隨巷道埋深增加,水平位移橫向分布曲線的變化率變大,即位移的協調性變差。b.由巷幫表面到幫深部,幫垂直位移減小,說明在幫的淺部,圍巖垂直位移的不同步程度劇烈、產生的豎直剪切破壞或剪切趨勢明顯,且剪切破壞程度隨埋深的增大而增加。c.幫水平和垂直位移在巷埋深從400 m增加到600 m時分別增大了151%和92%,在巷埋深從600 m增加到800 m時分別增大了58%和71%,表明幫部位移與巷埋深不構成正比例關系,而是在埋深超過600 m時,其增量出現顯著的回落。

2)巷幫位移縱向分布特征,見圖5,可知:a.幫水平與垂直位移都隨幫層位的增高而增大。具體看,幫中、上部位移明顯大于幫下部位移,巷幫顯著地朝巷內傾斜,同時,幫上部出現加劇下沉,這提示對于大斷面巷道應著重加強上部幫的支護強度,以克服巷幫的大變形。b.幫不同層位的位移增大率隨埋深增加而不同。埋深從400 m至800 m,從幫下部至幫中部,水平和垂直位移增大率分別增加395%和138%;從幫中部至幫上部,水平和垂直位移增大率分別增加188%和14%,可見,埋深增加時要重點控制中下部幫的變形。

5-a 水平位移

5-b 垂直位移圖5 幫位移縱向分布曲線Fig.5 Vertical distribution of wall displacement

4 主要結論

通過相似材料模擬試驗獲得了寺河礦大斷面回采巷道圍巖的變形特征規律:

1)隨側壓力系數的增加,巷表面收斂率在埋深400 m時由7.8%增至15.6%;埋深600 m時由20.8%增至27.7%;埋深800 m時由31.2%增至38.6%。

2)巷頂板變形的主要特征有:a.隨距巷中心線距離增大,頂板水平和垂直位移分別增大和減小。b.低層位頂板層間水平錯動趨勢明顯,易發生橫向剪切破壞,層間豎向擠壓,呈整體下沉。c.隨埋深增加頂板位移的不均勻性增大。

3)巷幫變形的主要特征有:a.隨幫層位的增高,幫上部內傾及下沉的程度均有所加劇,巷頂角出現圓鈍化;b.當埋深增加,幫下部位移開始顯著增大,幫整體出現內移;c.圍巖在幫3 m范圍內呈拉剪狀態、3 m范圍外呈擠壓狀態。

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SimilarMaterialSimulationonDeformationFeaturesofSurroundingRockinLarge-sectionalRoadwayinSiheMine

ZHANGGuangtai

(WulihouCoalCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Zuoquan032600,China)

Similar material simulation was used to study the deformation law of surrounding rock in the large-sectional roadways on No.3 coal seam under different geostress. The results show that, when buried depth is 660 meters and 800 meters, the surface convergence rate is 2.2 and 3.0 times as many as that at 400 meters deep, respectively. With the increase of the distance from the center line, roof horizontal displacement increases, but roof vertical displacement decreases. With the increase of the distance from the two walls, wall horizontal displacement goes down first, and then goes up and its vertical displacement decreases. With the increase of roof height, roof horizontal displacement decreases sharply and vertical displacement increases slightly. With the increase of the height of wall layer, both horizontal and vertical displacement increase. In addition, the all displacements mentioned above increase with the buried depth.

large-sectional roadway;similar material model;deformation features

1672-5050(2017)02-0016-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.005

2017-02-26

張廣太(1979-),男,河南虞城人,碩士,工程師,從事煤礦技術管理工作。

TD353

A

(編輯:武曉平)