張 璐,李海洲,劉國磊
(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,山東 淄博 255049; 2.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 礦山工程技術(shù)研究所,山東 淄博 255049)
煤層開采中,圍巖變形特征與破壞機(jī)理分析是有效防治煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的理論基礎(chǔ)和依據(jù)[1-2],實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)是研究突出機(jī)理的重要手段。國內(nèi)對煤層開采中頂板變形的研究成果頗豐,并取得了良好的應(yīng)用效果[3-8],但過渡區(qū)開采過程中,由于應(yīng)力的增加,使得工作面圍巖變形加劇,加之我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜,圍巖變形形式與特征不盡相同。因此,通過物理相似實(shí)驗(yàn)開展圍巖變形的研究與分析具有重要意義。本文以新景煤礦蘆南一區(qū)8#煤采掘工作面地質(zhì)條件為背景,建立采掘過程中頂板變形破壞數(shù)值分析模型和煤與瓦斯突出的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,分析在工作面?shí)際地質(zhì)條件下,隨著工作面的推進(jìn),上覆巖層結(jié)構(gòu)的變形、移動與垮落特征與瓦斯突出機(jī)理。
新景礦蘆南一區(qū)8#煤北翼采區(qū)位于新景公司的東北部,東西寬3 197 m、南北長2 228 m,面積為7.1 km2。埋藏深度480~600 m。在回采過程中揭露的地質(zhì)情況主要是陷落柱和斷層。
8#煤直接頂為泥巖,黑色,含植物化石,中部夾1~2層菱鐵礦結(jié)核,局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖。老頂為細(xì)粒砂巖,灰白色,以石英為主,長石次之,夾泥質(zhì)條帶,含云母和黑色礦物硅質(zhì)膠結(jié)。直接底為砂質(zhì)泥巖,灰黑色,富含植物化石和黃鐵礦,頂部常相變?yōu)槟鄮r。
以新景礦8#煤層采掘工作面實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù),主要考慮巖層分布于斷層構(gòu)造,建立采礦相似模擬實(shí)驗(yàn)臺。通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺頂部油缸載荷模擬采場地應(yīng)力變化,通過開挖煤層模擬采動影響,形成模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示,并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上安設(shè)應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變片、攝(錄)像器材等,可監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中頂板圍巖變形的宏觀特征。
圖1 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Physical similarity simulation experiment system
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及本試驗(yàn)所模擬的巖層性質(zhì),決定以細(xì)河砂為骨料,以水泥和石膏為膠結(jié)材料,用四硼酸鈉(硼砂)作為緩凝劑,斷層處采用石英砂作為填充材料進(jìn)行鋪設(shè)。
實(shí)驗(yàn)在2.5 m×0.20 m×1.4 m(長×寬×高)規(guī)格的剛模型架上進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)選定模型架尺寸及其他條件綜合考慮,確定相似系數(shù)如下:
1)模型幾何相似系數(shù)(幾何比):本次模型試驗(yàn)采用平面應(yīng)力模型,長度相似系數(shù)100。
3)容重相似系數(shù):0.6。
4)其它力學(xué)參數(shù)相似系數(shù)。由相似定理及以上個基本參數(shù)的相似系數(shù),可導(dǎo)出如下相似系數(shù):強(qiáng)度比為0.006,外力比為6×10-7,彈模比為 0.006,泊松比為1。
5)初始條件及邊界條件相似??梢越普J(rèn)為是均質(zhì)重力場,所以初始應(yīng)力場是相似的。
參照《礦山壓力的相似模擬試驗(yàn)》中的材料配比,進(jìn)行相似材料配比調(diào)整試驗(yàn),試驗(yàn)步驟如下:(1)將試模內(nèi)刷上機(jī)油備用;(2)按一定比例稱量砂子、石膏和水泥,混和攪拌均勻;(3)加入一定量含有硼砂的水,攪拌后,倒入模子;(4)干燥4 d左右,將做成試件放于伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上測定試件的單軸抗壓強(qiáng)度。
考慮到配比實(shí)驗(yàn)期間誤差,同一配比做三個試件,取三個試件抗壓強(qiáng)度的平均值作為該材料配比號的抗壓強(qiáng)度。
由配比號確定各分層材料的用量,計(jì)算算出模型上各分層的各種材料用量列表,見表1。
為研究煤層開采時上覆巖層應(yīng)力場分布及變形特征,采用的測量系統(tǒng)為:YJZ-16型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀,DYB-1系列土式傳感器。制作模型時在模型中共埋設(shè)12個應(yīng)力應(yīng)變傳感器,壓力計(jì)布置在距煤層上方堅(jiān)硬老頂巖層中,旨在監(jiān)測工作面老頂垮落過程中老頂上方的受力變化情況。上覆巖層移動采用YHD-30,YHD-50電阻式位移計(jì)進(jìn)行測試。
在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力應(yīng)變傳感器的安裝采用的是預(yù)埋方式,即模型鋪設(shè)到應(yīng)力應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)高度時,將應(yīng)力應(yīng)變傳感器正確放置,并保證傳感器數(shù)據(jù)線能正常引出。
1)在距右側(cè)16 m處切眼,向左進(jìn)行開挖,開挖第一步15 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到45 m(斷層附近)時,出現(xiàn)初次來壓,可以清楚的看到來壓時巖梁破斷的形式,直接頂出現(xiàn)明顯裂隙跨落,隨后老頂跨落,垮落高度約22 m,如圖2所示。隨后,隨著工作面的推進(jìn),頂板隨采隨落。同時頂板上的巖層也隨著工作面的推進(jìn)出現(xiàn)縱向和橫向裂隙,且裂隙隨工作面推進(jìn)越來越大。
表1 模型相似材料配比表
Tab.1 Model similar material ratio
巖性序號原型模型厚度/m抗壓強(qiáng)度/MPa厚度/cm抗壓強(qiáng)度/kPa配比號材料用量各層總重/kg砂/kg石灰/kg石膏/kg水/kg硼砂/g老頂老頂5-23.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.395-13.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.39直接頂49.11122.679.1173621968.3345.552.2820.507.5975.928#煤359.8355968238.0930.313.470.843.4334.5直接底2539.17523545541.7230.003.763.764.1641.66老底老底1-23.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.041-13.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.04
2)當(dāng)工作面推進(jìn)到53 m時,巷道出現(xiàn)第一次周期來壓,老頂?shù)谝淮沃芷趤韷翰骄? m??迓涓叨燃s24 m。裂隙發(fā)育,出現(xiàn)明顯的離層,離層的最大高度為44 m,如圖3所示。
3)當(dāng)工作面推進(jìn)到61 m時,直接頂隨采隨垮,巷道出現(xiàn)第二次周期來壓,老頂?shù)诙沃芷趤韷翰骄? m??迓涓叨燃s48 m。裂隙發(fā)育,出現(xiàn)明顯的離層,離層的最大高度為48 m,如圖4所示。
圖2 工作面推進(jìn)45 mFig.2 Work surface advancement of 45 m
圖3 工作面推進(jìn)53 mFig.3 Work surface advancement of 53 m
4)當(dāng)工作面推進(jìn)到70 m時,頂板隨采隨垮,巷道出現(xiàn)第三次周期來壓,來壓步距約9 m,離層裂隙發(fā)育十分明顯,裂隙繼續(xù)向上發(fā)展,如圖5所示。
5)隨后每推進(jìn)8~10 m出現(xiàn)一次周期來壓上覆巖層的裂隙也不斷向上發(fā)展,當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時,頂板出現(xiàn)明顯下沉的范圍為62 m,卸壓角為63°。
圖4 工作面推進(jìn)61 mFig.4 Work surface advancement of 61 m
圖5 工作面推進(jìn)70 mFig.5 Work surface advancement of 70 m
分別從工作面頂板開始向上取觀測線,觀測隨工作面的推進(jìn),覆巖垂直應(yīng)力、最大下沉量。通過數(shù)據(jù)讀取,得到以下覆巖應(yīng)力與最大垂直下沉量分布曲線圖,如圖6、圖7所示。
由覆巖應(yīng)力與垂直位移監(jiān)測曲線可知,煤層開采過程中,采掘初期,煤層覆巖一定范圍內(nèi)垂直變形近似呈“倒V”型分布,隨著工作面的推進(jìn),覆巖垂直變形由“倒V”型分布發(fā)展為“倒U”型分布;同時,在開切眼上方一定范圍(約5~15 m)和工作面前方(約5~20 m)形成集中應(yīng)力區(qū),此范圍內(nèi)煤體應(yīng)力增大,煤層透氣性進(jìn)一步降低,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增大。
圖6 覆巖應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.6 Overburden stress monitoring curve
以新景礦8#煤層開采資料為依據(jù),通過建立相似模擬物理模型,開展煤層開采過程中覆巖應(yīng)力和變形情況,通過相似模擬分析可以得出:
1)當(dāng)工作面推進(jìn)到45 m(斷層附近)時,出現(xiàn)初次來壓,來壓時巖梁破斷的形式,直接頂出現(xiàn)明顯裂隙跨落,隨后老頂跨落,垮落高度約22 m。
2)每推進(jìn)8~10 m出現(xiàn)一次周期來壓,當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時,頂板出現(xiàn)明顯下沉的范圍為62 m,卸壓角為63°。
3)隨著工作面的推進(jìn),覆巖垂直變形由“倒V”型分布發(fā)展為“倒U”型分布;同時,在開切眼上方一定范圍(約5~15 m)和工作面前方(約5~20 m)形成集中應(yīng)力區(qū),煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增大。