復(fù)合頂板煤巖體內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律相似試驗研究

郭建彪

（1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系，安徽 淮北 235000；2.安徽淮北煤電技師學(xué)院，安徽 淮北 235000）

1 相似模型設(shè)計與制作

1.1 原型條件

以顧橋煤礦1116(1)工作面為試驗原型條件，工作面標(biāo)高-691.117m～-550.20m。工作面長度217.6m，走向長度2672.5m。煤層傾角3°～10°，平均5°。 煤層埋藏較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度為1.0～3.4m，平均厚度為2.6m，模擬時采高取3.4m，實行走向長壁全部垮落法開采。

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料及相似實驗的基本要求，被模擬巖層總數(shù)為34層，總厚度130.4米，包括117米的頂板、3.4米的煤層和10米的底板。被模擬巖層的物理力學(xué)參數(shù)由實驗室測試得到。

1.2 相似參數(shù)確定

安徽理工大學(xué)的相似試驗裝置長3米，寬0.3米，高1.3米，結(jié)合原型的基本尺寸，確定相似實驗的幾何相似比Cl=1/100。巖層的平均容重是相似材料的1.6倍，故容重相似比Cγ=1/1.6。根據(jù)相似理論，此次試驗的應(yīng)力相似比Cσ=Cl×Cγ=1/160。時間相似比設(shè)為幾何相似比的1/12，現(xiàn)場的一天可通過試驗的2個小時表示。

1.3 相似材料的選擇

本次相似模擬試驗的相似材料如下：河砂為骨料、石灰和熟石膏為膠結(jié)材料，分層材料為云母粉，其中河砂的粒度為0.15～0.5mm。

1.4 模型制作工藝

相似模型的制作過程如下：①根據(jù)各分層材料屬性及用量準(zhǔn)備相似材料；②將相似材料加水拌勻；③將相似材料按分層厚度及上下順序逐次鋪設(shè)于模板中。分層之間的節(jié)理及裂隙由云母粉模擬。模型放置三天，并干燥十天。模型頂板施加均布荷載以模擬上覆巖層的重力。模型兩次采用標(biāo)準(zhǔn)槽鋼限制其水平位移，使相似模型成為標(biāo)準(zhǔn)的平面應(yīng)變模型。槽鋼與模型面之間事先設(shè)置塑料紙并涂抹黃油以減少其間的相對摩擦。相似模型全景如圖1所示。

圖1 相似材料模擬實驗?zāi)Ｐ腿?/p>

2 煤巖體內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律分析

2.1 切眼附近支承壓力

相似試驗的第一步既是開切眼過程的模擬，“開切眼”后，前方的煤體逐步“開采”。模擬每進行一步，模型內(nèi)的傳感器均傳遞出不同壓力及位移數(shù)據(jù)。圖2顯示了切眼后方煤體內(nèi)支承壓力隨工作面開采的變化規(guī)律。

圖2 切眼后方支承壓力分布

由圖2可知，自開切眼伊始，其后方煤體內(nèi)支承壓力不斷隨著工作面的開采而上升，前方17米處的煤體開挖后，支承壓力第一達到最值；當(dāng)遠離切眼22米時，模型中煤層上方的兩個巖層同時全部跨落，測點處的支承壓力有所降低；當(dāng)工作面繼續(xù)推進時，支承壓力又開始逐步增大，直到工作面開采至距切眼32米處時，支承壓力的第二個峰值來臨，應(yīng)力集中系數(shù)高達1.91；當(dāng)工作面開采至34米處時，煤上方的穩(wěn)定巖層跨落，預(yù)示著老頂?shù)膩韷?，此時支承壓力開始降低。縱觀整個開采過程，切眼后方煤體內(nèi)的壓力始終大于原巖應(yīng)力。

2.2 工作面前方支承壓力特點

圖3顯示，工作面推進70米厚，超前支承壓力開始明顯顯現(xiàn)在前方煤體內(nèi)，但是顯現(xiàn)效應(yīng)并不大，壓力增長速度也不高。

圖3 切眼前方煤巖體內(nèi)支承壓力分布

當(dāng)工作面推進至距測點45m時，煤體內(nèi)的支承壓力開始明顯增大，41.7Mpa的峰值出現(xiàn)在煤壁前方10米處，應(yīng)力集中系數(shù)達2.63。

當(dāng)工作面推進到距測點45m時，煤體內(nèi)的壓力增長梯度開始顯著增大，壓力增長梯度達到5.6%～14%。最大壓力值出現(xiàn)在煤壁前方10m處，最大壓力值為41.7MPa，為2.63倍的初始應(yīng)力值。

工作面由遠及近逐漸向測點推進時，測點位置的壓力不斷下降，而且越靠近測點支承壓力下降速度越快，工作面正好位于測點下方時，支承壓力幾乎為零。工作面推過測點后，支承壓力開始回升，此后的壓力不能成為支承壓力，因為其數(shù)值較原巖應(yīng)力有所下降。當(dāng)工作面推過測點40米后，原先的測點完全位于采空區(qū)內(nèi)，其壓力恢復(fù)至原始應(yīng)力的0.8倍左右。工作面推過測點100米后，采空區(qū)內(nèi)原測點的壓力恢復(fù)至原始應(yīng)力的0.995～0.999倍，此后壓力值幾乎不再變化，表明冒落矸石已被重新壓實，上覆巖層活動減弱。

相似模擬驗證了在采煤工作面前后范圍內(nèi)存在著四個分區(qū)，即：

（1）原巖應(yīng)力區(qū)，此區(qū)位于回采工作面前方70m之外，煤巖體內(nèi)壓力與原巖應(yīng)力非常接近，應(yīng)力集中系數(shù)為1，即K=1。

（2）應(yīng)力升高區(qū)，此區(qū)位于回采工作面前方3～70m處，K＞1。

（3）應(yīng)力降低區(qū)，此區(qū)位于回采工作面前方3m到工作面后方采空區(qū)100m處，K＜1。

（4）應(yīng)力不變區(qū)，位于采空區(qū)后100m之外，應(yīng)力恢復(fù)到幾乎為原巖應(yīng)力值，K≈1。

2.3 停采線附近支承壓力分布特征

圖4 停采線處支承壓力分布

由圖4能看出：停采線位置設(shè)置的測點內(nèi)支承壓力變化規(guī)律和工作面前方支承壓力分布規(guī)律幾乎相同：工作面接近測點70m后，支承壓力開始增長；30米后，煤體內(nèi)的壓力增長速度加快；10米后，支承壓力達到最值39.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.47；當(dāng)工作面推到測點時，支承壓力幾乎為零。

3 結(jié)論

本文結(jié)合1116(1)工作面綜合柱狀圖及相應(yīng)的巖石力學(xué)實際測試參數(shù)，建立平面相似實驗?zāi)Ｐ?，對工作面開采過程進行了動態(tài)模擬，初步預(yù)測了11-2煤開采對13-1煤的解放效果。

[1]陳科，柏建彪，胡忠超，朱琪等.超前支承壓力對下山的影響分析及合理停采線位置確定.〔J〕煤礦開采，2010（1）

[2]李沖.極松散“三軟”煤層采場頂板控制技術(shù)研究：[碩士學(xué)位論文].安徽：安徽理工大學(xué)，2007

[3]周鵬舉.受上覆煤層開采影響工作面及巷道礦壓特征研究：[碩士學(xué)位論文].安徽：安徽理工大學(xué)，2010

[4]孫向陽.綜采工作面上覆巖層移動破壞規(guī)律研究.〔J〕科技信息,2011(8)