深部開采覆巖應(yīng)力變化規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)研究

徐連滿，潘一山，李忠華，王愛文，耿 琳

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力 學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜 新 1 23000）

0 引言

近年來，我國煤炭開采以每年10m左右的速度向深部延伸，未來10年內(nèi)，我國將有相當(dāng)數(shù)量礦井進(jìn)入深部開采。隨著煤礦開采深度逐漸加深，煤礦事故頻頻發(fā)生，不僅造成了大量人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還顯著地影響了包括煤炭行業(yè)在內(nèi)多個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展。深部開采不同于淺部開采［1-4］，煤巖的力學(xué)性質(zhì)在高溫和高地應(yīng)力的作用下發(fā)生變化，使得巖體組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)行為特征和工程響應(yīng)與淺部明顯不同，覆巖破壞表現(xiàn)形式也發(fā)生改變，通常在破壞之前變形量特別小，無明顯前兆，破壞規(guī)模增大，給預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作帶來很大困難，因此研究采動(dòng)過程中覆巖的應(yīng)力變化規(guī)律，覆巖采動(dòng)破壞特征，可為防治局部動(dòng)力災(zāi)害，合理布置巷道和支護(hù)提供重要依據(jù)。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，可直觀的監(jiān)測(cè)到煤層開采過程中上覆巖層的破壞規(guī)律［5-9］。本文依據(jù)某深部礦井地質(zhì)資料，建立相應(yīng)的相似材料實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)覆巖破壞規(guī)律及覆巖應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 模型建立

選取某礦20180工作面外段屬戊9與戊10煤層合層區(qū)為模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象。戊9工作面煤層平均厚度4.23m，采高為2m，埋深700～960m，工作面有效走向長(zhǎng)度915m，傾斜長(zhǎng)203.58m，工作面推進(jìn)速度為4m/d。

戊9工作面頂部有0.7m左右塊狀硬煤，下部為軟煤，屬薄～中厚煤層，賦存比較穩(wěn)定，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度 1.2～8.0m，平均厚度為 3m，其上為1.02m戊8煤層，戊8煤層頂板為平均厚度1.2m的砂質(zhì)泥巖，其上為平均厚度12m的中粒砂巖。戊10工作面底板為0.2～3.0m的砂質(zhì)泥巖，再下為大于10m的砂質(zhì)泥巖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)地層賦存情況進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，上部松散層采用補(bǔ)償壓力予以表征。

為了更好的模擬上覆巖層隨工作面推進(jìn)的破壞特征和覆巖應(yīng)力變化情況，并綜合考慮試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)條件及加載條件等因素，選取幾何相似常數(shù)αL=200。

（1）幾何相似

式中：αL——長(zhǎng)度相似常數(shù)；

LH——原型長(zhǎng)度（m）；

LM——模型長(zhǎng)度（m）。

（2）運(yùn)動(dòng)相似

式中：αt——時(shí)間相似常數(shù)；

tH——原型運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間（s）；

tM——模型運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間（s）。

（3）物理相似

物理力學(xué)指標(biāo)要全部滿足相似比很難做到，根據(jù)要解決的問題需要，故選用強(qiáng)度指標(biāo)（壓應(yīng)力和拉應(yīng)力做為主要指標(biāo)）。

式中：ασ——應(yīng)力相似常數(shù)；

σH——原型應(yīng)力（MPa）；

σM——模型應(yīng)力（MPa）；

實(shí)驗(yàn)采用的平面模型架的幾何尺寸為2.5m（長(zhǎng)）×0.3m（寬）×2 m（高），相似模擬材料骨料選用石英砂，膠結(jié)物選用石膏與石灰，分層材料用云母，根據(jù)各巖層的力學(xué)參數(shù)選擇相應(yīng)的配比［10-11］。通過加載系統(tǒng)模擬現(xiàn)場(chǎng)采深500m以上的采場(chǎng)巖體自重。采用壓力傳感器對(duì)開采過程中煤層頂?shù)装宓膽?yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。共布置3排15個(gè)壓力傳感器，第1排6個(gè)傳感器位于煤層底板2.0m處，第2排5個(gè)傳感器位于煤層頂板6m處，第3排位于煤層頂板50m處，壓力傳感器的布置見圖1。

圖1 模型測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout plan of test model measuring points

2 實(shí)驗(yàn)過程

（1）考慮到邊界效應(yīng)，距離模型一側(cè)邊緣40cm處開挖開切眼，然后進(jìn)行開采工作。

（2）每隔1.7h（實(shí)際24h）開挖一次，割煤高度2m，深度4m。每開挖一步后，記錄開挖距離、覆巖的垮落高度、裂隙（破斷以及離層）的分布規(guī)律、各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，并重點(diǎn)記錄下直接頂初次垮落、老頂初次垮落、老頂周期垮落時(shí)開挖距離與時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采煤工作面在推進(jìn)過程中，由于煤層的開挖，上覆巖層發(fā)生彎曲下沉、離層、垮落，使采場(chǎng)覆巖內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化。以應(yīng)力集中系數(shù)K（煤層現(xiàn)在應(yīng)力與原始應(yīng)力之間的比值）來定量描述采動(dòng)過程中頂?shù)装鍛?yīng)力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

3.1 覆巖垮落規(guī)律

隨著煤層的開采，靠近采場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的上覆層開始彎曲。工作面推進(jìn)21m時(shí)，直接頂初次垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)25m時(shí)，直接頂發(fā)生二次垮落，采空區(qū)上方形成長(zhǎng)巖梁。當(dāng)工作面推進(jìn)35m時(shí)，巖梁中部出現(xiàn)破斷裂隙，老頂初次垮落，沒有頂板切落和臺(tái)階下沉現(xiàn)象（圖2）。

圖2 老頂初次垮落時(shí)覆巖破壞情況Fig.2 Dam age of Overburden when main roof first collapse

圖3 開采結(jié)束后覆巖破壞情況Fig.3 Dam age of Overburden after mining

工作面繼續(xù)推進(jìn)到51m時(shí)，頂板出現(xiàn)首次周期性垮落；此后隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板呈周期性垮落，垮落步距為12～16m?？迓鋷r層距離煤層頂板高度為9.2m，基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)形式為緩慢下沉。工作面開采結(jié)束，覆巖破壞情況見圖3，覆巖垮落開切眼一側(cè)巖層滑移角為34°，工作面一側(cè)的巖層滑移角為 36°。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以分析得到深埋煤層開采覆巖活動(dòng)基本規(guī)律：工作面初次來壓步距較長(zhǎng)，周期來壓步距較短，步距為初次來壓步距的1/2，冒高采厚比為1∶4.6，比淺埋煤層要大。

掌握深埋煤層工作面覆巖活動(dòng)規(guī)律，為深埋煤層覆巖活動(dòng)及礦壓控制理論體系的形成提供了可靠的理論指導(dǎo)，為解決深埋煤層開采過程中生產(chǎn)技術(shù)及安全問題提供理論依據(jù)。

3.2 底板應(yīng)力變化

隨著工作面推進(jìn)，煤層底板支承壓力是動(dòng)態(tài)變化的，采煤工作面底板各壓力測(cè)點(diǎn)的壓力區(qū)范圍及應(yīng)力集中系數(shù)分布（表1）。

表1 煤層底板壓力區(qū)分布Table 1 Distribution of coal floor pressure area

煤層開采對(duì)底板支撐壓力的影響可以分為5個(gè)區(qū)域：

（1）未受采動(dòng)影響區(qū)：該區(qū)域遠(yuǎn)離工作面，受采動(dòng)影響較小，因此底板巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，距工作面前方40m遠(yuǎn)以外。

（2）應(yīng)力增高區(qū)：此區(qū)受采動(dòng)影響劇烈，位于工作面前2～40m處，峰值點(diǎn)位置隨工作面推進(jìn)不斷前移，距工作面距離5.6～8.2m，平均為6.6m，峰值應(yīng)力集中系數(shù)平均為1.88。

（3）應(yīng)力降低區(qū)：采空區(qū)上覆巖層壓力傳遞到采場(chǎng)周圍煤體和冒落的矸石上，工作面前2m到工作面后約15m范圍內(nèi)處于卸壓狀態(tài)。

（4）應(yīng)力恢復(fù)區(qū)：由于工作面的推進(jìn)、覆巖的不斷垮落，采空區(qū)后方矸石逐漸壓實(shí)，底板應(yīng)力略有恢復(fù)。位于工作面后約15～40m區(qū)域內(nèi)。

（5）應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)：矸石被壓實(shí)，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，該區(qū)域位于工作面后40m至切眼處。該區(qū)域平均應(yīng)力集中系數(shù)0.56。1#測(cè)點(diǎn)距開切眼較近，在煤壁支撐作用下，形成一個(gè)支承壓力較小的區(qū)域，該區(qū)域平均應(yīng)力集中系數(shù)0.42，距離切眼約53m的范圍之內(nèi)。煤層底板的應(yīng)力集中系數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。

了解開采過程中開采層底板應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)科學(xué)設(shè)計(jì)底板巷道位置、確定保護(hù)層的保護(hù)界限、多層煤同時(shí)開采時(shí)工作面的合理錯(cuò)距，以及預(yù)測(cè)和防治底板突水都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表2 煤層頂板壓力區(qū)分布Table 2 Distribution of coal roof pressure area

3.3 頂板應(yīng)力分布規(guī)律

3.3.1 頂板6m處應(yīng)力變化規(guī)律

采煤工作面頂板6m處各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力區(qū)范圍及應(yīng)力集中系數(shù)分布見表2。

頂板的應(yīng)力是不斷變化的，對(duì)于頂板上一點(diǎn)來說，工作面的逐漸臨近，該處應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)工作面接近一定距離時(shí)，應(yīng)力增大到最大值；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力值不斷減?。贿M(jìn)入采空區(qū)，應(yīng)力下降為最小值；工作面的不斷向前推進(jìn)，覆巖不斷垮落、壓實(shí)，應(yīng)力隨著增大并逐漸趨于穩(wěn)定值。與采空區(qū)底板應(yīng)力分布規(guī)律相類似，采空區(qū)覆巖應(yīng)力分布也分為同樣五個(gè)區(qū)域：

（1）未受采動(dòng)影響區(qū)：該區(qū)域受采動(dòng)影響較小，頂板巖層基本處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，距工作面前方平均31m遠(yuǎn)以外。

圖4 底板應(yīng)力集中系數(shù)變化圖Fig.4 Ffactor of stress concentration of bottom p late

（2）應(yīng)力增高區(qū)：煤層開采，采空區(qū)形成，工作面前31m至工作面后5m區(qū)域應(yīng)力增高，峰值位置距工作面大約5.2m，峰值應(yīng)力集中系數(shù)平均為1.51。

（3）卸壓區(qū)：此時(shí)測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域上覆巖層已經(jīng)垮落，位于工作面后約5～10m范圍采空區(qū)冒落的矸石未壓實(shí)，處于卸壓狀態(tài)。

（4）壓力增長(zhǎng)區(qū)：隨工作面推進(jìn)測(cè)點(diǎn)所在位置上方覆巖周期性垮落，采空區(qū)矸石逐漸壓實(shí)，冒落巖層應(yīng)力略有恢復(fù)，此區(qū)域位于工作面后約10～35m范圍內(nèi)。

（5）壓實(shí)區(qū)：采空區(qū)矸石被壓實(shí)，冒落巖層應(yīng)力趨于穩(wěn)定。該區(qū)域平均應(yīng)力集中系數(shù)0.64。此區(qū)域位于工作面后約35m至開切眼處。各個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)采動(dòng)過程中的應(yīng)力集中系數(shù)如圖5所示。

圖5 頂板6m處應(yīng)力集中系數(shù)變化圖Fig.5 Factor of stress concentration located 6m from the top p late

沿工作面推進(jìn)方向?qū)⑸细矌r層劃分五個(gè)區(qū)域，為確定的巷道超前支護(hù)長(zhǎng)度、選用支架類型及強(qiáng)度，和采空區(qū)適應(yīng)的瓦斯抽放方法和合理的抽放參數(shù)提供了理論依據(jù)和安全保障。

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)覆巖應(yīng)力變化規(guī)律結(jié)合相關(guān)理論，確定該礦20180工作面回采巷道超前支護(hù)長(zhǎng)度為45m可滿足安全生產(chǎn)的要求。由于該煤礦為高瓦斯礦井，卸壓區(qū)裂隙較為發(fā)育，丟煤和卸壓區(qū)鄰近層解吸瓦斯，幾乎全部被工作面風(fēng)流和采空區(qū)的漏風(fēng)流攜帶到回風(fēng)巷，對(duì)回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔泻艽笥绊懀瑢?duì)回風(fēng)巷瓦斯抽放需考慮此因素影響；壓力增長(zhǎng)區(qū)瓦斯流動(dòng)速度明顯下降，瓦斯部分進(jìn)入工作面，流動(dòng)呈現(xiàn)出不均衡性；壓實(shí)區(qū)遠(yuǎn)離工作面，空隙度較低，漏風(fēng)流很小，遺煤仍在解吸瓦斯，因此瓦斯運(yùn)移較難，瓦斯?jié)舛瘸试龃筅厔?shì)，需采用鉆孔抽放法或埋管抽放法對(duì)該區(qū)域瓦斯進(jìn)行抽放，以防采空區(qū)殘煤自然發(fā)生火災(zāi)或瓦斯爆炸。

3.3.2 頂板50m處應(yīng)力變化規(guī)律

距離煤層頂板50m高處的只是受到輕微的采動(dòng)影響，工作面前方的支撐壓力集中系數(shù)變化很小，見圖6，應(yīng)力集中系數(shù)最大為1.3。由于采空區(qū)上覆巖層垮落后有離層存在，垮落后的應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)煤層底板與頂板6m處的應(yīng)力集中系數(shù)變化較小。

圖6 頂板50m處應(yīng)力集中系數(shù)變化圖Fig.6 Factor of stress concentration located 50m from the top p late

對(duì)覆巖豎直方向應(yīng)力變化規(guī)律的研究，可為上層覆巖中開挖巷道提供理論依據(jù)。本次試驗(yàn)在頂板50m高處設(shè)置的應(yīng)力傳感器測(cè)到的應(yīng)力變化有微小變化，因此在離頂板50m以內(nèi)的范圍內(nèi)修建巷道，巖體是不穩(wěn)定的，需采取加固措施，保證工程安全。

4 結(jié)論

（1）工作面推進(jìn)21m時(shí)，直接頂初次垮落；工作面推進(jìn)35m時(shí)，老頂初次垮落；工作面推進(jìn)51m時(shí)，頂板開始出現(xiàn)周期性垮落，頂板周期性垮落步距為12～16m。

（2）下覆巖層的壓力隨著煤層開采而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，可將其劃分為五個(gè)區(qū)域：未受采動(dòng)影響區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)、應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。

（3）煤層開挖過程中，底板的超前支撐壓力影響在工作面前40m，壓力峰值位于工作面前6.6m，頂板的超前支撐壓力影響在工作面前約31m，壓力峰值位于工作面前5.2m。

（4）采動(dòng)對(duì)于煤層上方的上覆巖層支承壓力的影響，隨著遠(yuǎn)離煤層，其影響逐漸減小。

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