倾斜煤层开挖后应力分布规律研究的相似模拟试验方案设计

何成亮 刘培涛 苏静 成旺 杨忠宝

摘  要：对矿山开采而言，应力分布是引起采矿工程围岩变形、破坏、产生矿井动力现象的根本作用力。掌握应力分布规律是进行围岩稳定性分析、矿井动力现象区域预测的关键环节。同时，系统分析地应力分布规律影响因素，对于实现采矿决策和设计科学化具有重要的意义。煤层受到上覆岩层压力、最大水平主应力、最小水平主应力和孔隙压力的作用，处于平衡状态，开采后，应力将重新分布，井壁的稳定与否最终都表现在周围的应力分布状态之上，因此，对应力分布规律的研究将决定井巷施工设计和施工过程的正确与否。本项目通过相似模拟辅助理论分析完成对倾斜煤层开挖后应力重新变化分布规律和倾斜煤层应力重新变化后的对巷道支护及瓦斯抽放影响的研究。

关键词：倾斜煤层;应力分布;相似模拟;方案设计

引言

物理模拟试验以相似理论为基础，用相似材料制作模型来反映原型[1-2]，具有操作简单、试验结果直观及试验周期短等优点，作为一种重要的研究手段，自20世纪60年代起已广泛应用于岩体工程领域[3]。近年来，国内学者为研究倾斜煤矿开采覆岩移动和围岩应力变化规律，揭示裂隙带发育和采场应力分布特征，做了大量的模拟实验、理论分析和方法研究[4-6]，形成了许多新理论、新认识和新方法。研究覆岩裂隙带发育高度，需要考虑围岩性质和实测限制，开采过程中围岩所产生的变形、移动和破坏在其岩性及力学性质差异作用下的不同[7-8]。相似材料模拟实验的方法可对实验条件进行人为的控制和改变，可重复分析不同的影响因素，是一种相对有效裂隙带确定方法。

近些年来，众多学者也投入到对采空区覆岩的研究中去，黄昌富[9-11]利用相似材料模拟试验将覆岩的垮落区域分为不稳定区，基本稳定区和稳定区，并发现塌陷区岩体具有闭合现象;方新秋[9-11]通过试验、理论分析、数值模拟和现场实测等多种手段，对采空区上覆岩层的运动规律做出研究，发现采空区上覆“砌体梁”结构的稳定性主要取决于基岩厚度以及其岩层的物理力学性质;本文通过建立物理模型，设计相似材料模拟试验和 flac3d 数值模拟，对采空区覆岩的破坏特征加以描述并总结覆岩的下沉变形规律，以此对采空区覆岩的沉降变形、采场应力变化做出研究。

1 工程概况

贵州省赋存有大量的煤炭资源，其中有相当一部分煤层埋藏较浅，大部分集中埋于150m以内且属于倾斜煤层。而基于相似模擬倾斜煤层开挖后的应力分布研究对贵州地区煤层及倾斜煤层的应力支护和瓦斯抽放有极大研究意义。由于缺乏对应力分布规律的认识，对工作面巷道布置、停采线位置及放煤工艺的合理确定缺少明确的指导，进而造成不必要的煤炭损失，从而对安全生产造成一定的影响并使工作面采出率不稳定且偏低。通过实验室相似材料模拟，采用基于相似模拟倾斜煤层开挖后的应力分布实验研究出应力分布的规律，为工作面停采线、沿空掘巷合理确定煤柱宽度提供科学依据。

对矿山开采而言，应力分布是引起采矿工程围岩变形、破坏、产生矿井动力现象的根本作用力。掌握应力分布规律是进行围岩稳定性分析、矿井动力现象区域预测的关键环节。同时，系统分析地应力分布规律影响因素，对于实现采矿决策和设计科学化具有重要的意义。煤层受到上覆岩层压力、最大水平主应力、最小水平主应力和孔隙压力的作用，处于平衡状态，开采后，应力将重新分布，井壁的稳定与否最终都表现在周围的应力分布状态之上，因此，对应力分布规律的研究将决定井巷施工设计和施工过程的正确与否。

盛远煤矿位于六盘水市钟山区大湾镇和威宁县东风镇境内，盛远煤矿全长约50km;试验保护层工作面为40803工作面，位于斜四采区东翼，北邻40801工作面采空区，南为待布置的40805工作面。该面绝大部分已受上覆4#层40403、40405工作面开采所保护。保护层开采试验工作面相邻位置关系详见图2-3所示。地表标高在+1885～+2122m，试验工作面运巷标高+1692m左右，回风巷标高+1723m左右，距地表垂深162m～399m。工作面走向长平均400m，倾斜长平均118m。煤层倾角7°～11°，平均9°，煤厚1.64～3.38m，平均2.32m，容重1.5t/m³。

2 试验模型设计

2.1测试所需仪器设备

本模拟试验采用相似材料二维加载模拟试验台（相似材料尺寸长×宽×高为4m×0.3m×2m）进行实验，并通过安装在上面的位移传感器、压力传感器和电阻应变片来进行实验的数据采集，运用伺服控制系统、LENOVO系统控制微机、TS3890型静态应变测量处理仪等进行数据的处理。

（一）相关物理学力学参数

依据现场钻孔和实验测试资料，1～18号岩层岩石的物理力学参数分别为：粉砂质泥岩原岩的厚度为13.7m，密度为2500kg/m³，抗压强度为15.3MPa;泥岩的厚度为3.8m，密度为2460kg/m³，抗压强度为13.9MPa;11号煤厚度为2.8m，密度为1620kg/m³，抗压强度为3.1MPa;砂质泥岩厚度为7.6m，密度为2460kg/m³，抗压强度为13.9MPa;细砂岩厚度为13.5m，密度为2500kg/m³，抗压强度为38.2MPa;9号煤岩厚度为0.6m，密度为1620kg/m³，抗压强度为3.1MPa;粉砂岩厚度为9.3m，密度为2500kg/m³，抗压强度为15.3MPa;泥岩厚度为2.0m，密度为2460kg/m³，抗压强度为13.9MPa;石英砂岩厚度为80.2m，密度为2600kg/m³，抗压强度为38.2MPa.

（二）选取试验相似常数

通过运用相似理论并结合实际试验模型可确定相似常数如下：

（1）几何相似常数：本次试验中使用的模型架尺寸为长×宽×高=4m×0.3m×2.0m，本次试验通过在模型上部加载作为应力补偿，设计模型尺寸为4m×0.3m×1.8m，断面实际模拟高度180m，其几何相似常数取100。

（2）容重相似常数：原型中的岩层多为泥岩、粉粉砂岩和砂质泥岩，由以往经验容重相似常数取为1.5。

（3）应力相似常数：模拟方案定比例为1：100，模型铺设高度为 180cm，模拟岩层断面高度为180m，上覆岩层直达地表，故无覆岩荷载。

（4）时间相似常数：按现场正规工作，实验开挖进度为1.8cm/h（一天开挖43.2cm，400cm长的模型共开挖7d），模拟实际进度为1d进尺3.6m。

（三）相似材料配比及分层用量

本试验根据模型的特点和相似材料的性质选取河砂、石灰、石膏、云母粉和水做为原材料，再结合实验室掌握的相似材料配比实验资料来确定相应岩层的相似材料配比及材料用量。其中材料用量的计算以模型分层为条件，每一个模拟地层为一个计算单元，通过相似常数的利用，分别计算出各层原材料用量，材料配比基本计算公式如下：

（1）

式中：G_i——模型第 i 层的用料总量;

A_i——模型第 i 层的侧面积;

γ_i——原型第 i 层的容重;

m——模型厚度。

2.2模型监测点布置

观测线在水平和垂直方向上每隔40cm设置一条，以此可在模型表面形成纵向和横向为40cm×40cm的方格。铺设过程中分三层布置埋设压力传感器，分别布置在4号煤层底板砂质泥岩、开采煤层和4号煤层以上第2层石英砂岩中。

3相似模拟模型方案设计

设计的模型几何尺寸如图1所示。模型为平面应力模型，尺寸为长×宽×高=400cm×30cm×180cm。根据工作面的地质构造条件，从煤层底板开始，首先铺设下部岩层，然后结构面通过撒上云母粉来模拟，之后上部地层模型用同样的方法制作。试验前在距离模型一侧边緣50cm处开挖切眼，切眼宽度2.4cm，高度2.6cm，按1：100的比例设计。模型两边各留50cm边界煤柱。

本试验以盛远煤矿40803工作面现场地质条件为原型，运用相似模拟试验的方法，研究采场矿压显现规律与围岩活动机理，及应力分布规律，为确定合理的采场围岩控制技术提供科学依据。具体包括：（1）模拟分析贵州省典型矿区山区倾斜煤层煤层开采工作面直接顶垮落特征和基本顶破断特征，并计算出工作面初次、周期来压步距;（2）模拟分析倾斜煤层开采工作面超前支承压力随工作面推进的变化规律;（3）模拟分析倾斜煤层开采工作面应力分布规律;（4）模拟分析倾斜煤层开采工作面上覆岩层运动规律及“三带”发育特征。

参考文献

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[3]  吴基文，童红树.断层带岩体采动效应的相似材料模拟研究[J].岩 石 力 学 与 工 程 学 报，2007;26（增刊2）：2346-2351.

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[11]  刘秀英，张永波.采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究[J].太原理工大学学报.2004，35（1）：29-31.

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作者简介：何成亮（2001.03-），男，汉族，贵州省毕业市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

基金项目：贵州省大学生创新创业训练计划项目（2018521022）