基于相似模擬的傾斜煤層開挖后的應力分布研究

劉培濤　楊軍偉　何成亮　楊迎松

摘 要：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煤層及傾斜煤層的應力支護和瓦斯抽放有極大研究意義。對試驗地點礦壓顯現進行前期的礦壓觀測，總結分析已有的相關研究成果，收集掌握和論文內容相關的地質資料、技術信息，為相關研究奠定基礎。再主要運用巖石力學、結構力學、彈性力學、礦山壓力等理論，在理論上對傾斜煤層開挖后的應力分布規律進行理論分析。最后通過相似模擬輔助理論分析完成傾斜煤層開挖后應力重新變化分布規律研究。本試驗以盛遠煤礦40803工作面現場地質條件為原型，運用相似模擬試驗的方法，研究覆巖裂隙變化和采場圍巖應力變化特征，為確定合理的地表變形控制技術提供科學依據。

關鍵詞：傾斜煤層;應力分布;相似模擬;模型開挖

0引言

目前，相似模擬[1-3]試驗方法是針對礦山壓力的主要研究方法之一，是以相似理論為基礎的模型試驗技術。該方法可以詳細的研究工作面在推進過程中巷道與工作面的巖層中所發生的機理現象，實現使用少量人力物力即可進行各種條件下的模擬工作，且花費時間少，被應用于國內的諸多礦山中。但在相似材料配比的確定過程中，一般很難有效地確定試驗配比使配制出來的試驗材料達到預想的物理力學性質，需反復試驗并調整，并且還需要考慮影響配比過程中的各個因素間的交叉影響，耗費大量的時間，這給相似模擬試驗帶來一定的困難，同時嚴重影響試驗數據的準確性。

1 工程概況

盛遠煤礦試驗保護層工作面為40803工作面，位于斜四采區東翼，北鄰40801工作面采空區，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。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。

40803工作面主要開采8#煤層，產狀較穩定，受斷層影響較小，煤層傾角7°～11°，平均9°，煤厚1.64～1.38m，平均2.32m，容重1.5t/m3，其頂板上部為泥巖或粉砂巖，中部多為中厚層狀的細砂巖，具波狀層理和水平層理，厚0～6m，一般3m;下部為薄層狀粉砂巖、泥巖，厚0～12.6m，一般4.58m。底板上部為泥巖，含粘土質，一般厚2.00m。下部多為層狀結構的中厚層狀細砂巖或粉砂巖，厚0～18.57m，一般9.29m。8#煤層呈單斜構造，埋藏深度大，瓦斯含量高，由于受上保護層4#層的保護，采掘過程中未發生煤與瓦斯動力現象，但掘進期間瓦斯涌出量已達3m3/min以上。40803工作面綜合柱狀圖如下圖1所示。

2相似模擬模型方案設計

2.1 相似模型構建

設計的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，如下圖2所示。

在水平和垂直方向上分別每隔40cm、40cm設置一條觀測線，在模型表面形成縱向和橫向40cm×40cm的方格，地表位移監測點沿地表線布置，間距為40cm，通過工作面開采過程監測上覆巖層的運移變化規律、垮落狀況，及地表垂直和水平位移情況。

盛遠煤礦40803工作面相似模擬試驗開挖過程設計：本次實驗中使用的模型架尺寸為長×寬×高=4m×0.3m×2.0m，可模擬斷面最高為2.0m，本次實驗需在模型上部加載作為應力補償，以模擬松散層及礦山壓力的影響作用，故模型尺寸定為4m×0.3m×1.8m，實際模擬斷面高度180m。工作面開切眼采高2.5m。

2.2相似常數的選取

依據相似理論并結合實際實驗模型現確定相似常數如下：

（1）幾何相似常數：

本次實驗中使用的模型架尺寸為長×寬×高=4m×0.3m×2.0m，可模擬斷面最高為2.0m，本次實驗需在模型上部加載作為應力補償，以模擬松散層及礦山壓力的影響作用，故模型尺寸定為4m×0.3m×1.8m，實際模擬斷面高度180m，幾何相似常數取 =100。

（2）容重相似常數：

原型中的巖層多為粉砂質泥巖、泥巖和粉砂巖，根據以往經驗，容重相似常數取為 =1.5。

（3）應力相似常數：

應力相似常數為：? =1. 5×100=150，實際工作面距地表的高度平均為89.3m，制作模型時需模擬煤層底板下部巖層90.7m，共計180m。

模擬方案定為 1：100，模型鋪設高度為180cm，模擬巖層斷面高度為180m。上覆巖層容重按25KN/m3計算，本次試驗主要研究工作面開采地表的變形情況，模型頂板達到地表，即不需要施加覆巖荷載。

（4）時間相似常數：

按現場正規工作，實驗開挖一天開挖42cm，400cm長的模型共開挖7d。

（5）相似材料配比及分層用量

根據相似材料的性質及模型的特點，本實驗選取河砂、石灰、石膏、云母粉和水做為原材料。由實驗室掌握的相似材料配比實驗資料，確定相應巖層的相似材料配比及材料用量，見表1-2。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：

2.3模型位移監測點布置

在水平和垂直方向上分別每隔40cm、40cm設置一條觀測線，在模型表面形成縱向和橫向40cm×40cm的方格，地表位移監測點沿地表線布置，間距為40cm，通過工作面開采過程監測上覆巖層的運移變化規律、垮落狀況，及地表垂直和水平位移情況。

3相似模擬結果分析

3.1覆巖“三帶”范圍劃分

通過覆巖下沉規律分析，并結合覆巖破壞結構理論中長壁工作面開采后在采空區形成的“三帶”（即垮落帶，裂隙帶和彎曲下沉帶）計算特征，預測現場工作面覆巖“三帶”劃分范圍為：垮落帶范圍為主采15#煤層上方第一層黑色泥巖到第六層石灰巖，高度為10～13m;裂隙帶范圍為煤層上方第七層黑色泥巖到第十六層煤巖互層，高度為15～54m;彎曲下沉帶范圍為裂隙帶以上直至地表層。如圖4所示。

3.2 采場應力分布規律分析

在制作相似模型的過程中按設計方案將應力傳感器預埋布置在相應設計位置，在相似模擬模型煤層開采時，應力應變數據采集儀將應力傳感器采集數據進行收集轉換并將實時應力變化數據存儲到電腦，直至模擬最終開挖結束。根據相似模擬事業結果處理得到煤層未開挖、初次來壓、第一次周期來壓、第二次周期來壓數據曲線圖如下圖5所示。

由圖5可以看出，隨著煤層不斷向前開采的過程中，在工作面前方約5～15cm范圍出現應力增大現象，而且，隨著工作面不斷向前推進，該應力集中也隨著工作面的推進而不斷向前移動，且底板應力最大值也不斷變大。在采空區中部下方煤巖層的應力呈現降低現象，在采空區后方100m外煤巖層應力逐漸開始趨于穩定。 由圖5可以看出，隨著工作面的推進，上覆巖層不斷發生破斷、垮落，然后應力變化通過煤層傳至底板的應力傳感器，由于采空區巖體散亂，應力釋放，而兩側要支撐起原有應力，還會產生應力集中現象，因此導致開切眼附近以及工作面前方的應力大于原本的應力值，而采空區應力大大減小。并且，隨著推進的漸漸深入，采空區面積增大，應力最大值也越變越大。

參考文獻：

[1]程遠平，俞啟香，袁亮.上覆遠程卸壓巖體移動特性與瓦斯抽采技術[J].遼寧工程技術大學學報，2003，22（4）：483-486.

[2]錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

作者簡介：

劉培濤（1996.03-）男，漢族，貴州省甕安縣，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究

項目基金：貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（2018521022）

（六盤水師范學院 礦業與土木工程學院? ?貴州 六盤水 553004）