軟巖巷道變形破壞相似模擬研究

薛道成

(山西焦煤西山煤電集團公司,山西省太原市,030053)

★煤炭科技·開拓與開采 ★——兗州煤業(yè)股份有限公司協(xié)辦

軟巖巷道變形破壞相似模擬研究

薛道成

(山西焦煤西山煤電集團公司,山西省太原市,030053)

應用相似模擬研究手段,對無支護條件下巷道變形特性及機理進行研究。認為受采動影響,老頂發(fā)生整體下沉、直接頂具有起尖上舉的趨勢。底板總體以上升、隆起為主,最終表現(xiàn)為底鼓。巷幫在采動影響前、中、后期均表現(xiàn)為內移加速、平緩、減速的規(guī)律。頂板受力來源于老頂層間錯動、采動水平擾動應力、老頂來壓等,底板受力來源于頂板上覆巖層重量及采動應力,兩幫受力來源于采動應力條件下的能量釋放和擴容變形應力。

軟巖巷道 沿空巷道 巷道變形 相似模擬 變形機理

AbstractIn this paper,the property and mechanism of deformation of soft rock entries under no-support condition are discussed by the method of resembling simulating experiment.The result of the research shows that under the influence of mining,the main roof as a whole tends to sink while the immediate roof tends to rise vertically.The floor as a whole,tends to heave and floor heave is the final phenomenon.The entry ribs show the rule of accelerating inward moving, inward moving at even speed and then decelerating inward moving in the early,intermediate and later periods of mining-induced influences,respectively.The stress source on roof comes from main roof’s interlayer dislocation,mining-induced horizontal stress and main roof pressure,etc. while stress on floor comes from weight of the overlying strata on the roof and the mining-induced stress energy and the stress on both ribs comes from energy released from mining stress and the volume expanding stress.

Key wordssoft rock entry,entry alongside gob area,entry deformation,similar simulation,deformation mechanism

本文針對軟巖巷道支護研究項目,為了搞清軟巖巷道在開掘過程中的變形破壞機理及特征,設計了二維相似模擬模型,對無支護條件下回采沿空留巷及掘巷開挖過程中的頂底板移近、巖層破斷規(guī)律等作了定量和定性綜合研究。

1 方案設計

1.1 模擬巖層條件

模擬試驗依據古交礦區(qū)復合頂板煤巖層地質條件進行。主采6#煤層平均厚度1.7 m,傾角12°。根據放頂煤軟巖條件下覆巖結構判定的理論分析,試驗范圍內采場基本頂由中砂巖和細砂巖組成。相似試驗煤巖層的巖性及其物理力學參數見表1。

1.2 試驗模型的建立

1.2.1 相似條件的確定

考慮到放頂煤開采條件下覆巖活動范圍較大,且分析基本頂位態(tài)特征與護巷煤柱穩(wěn)定性之間的關系,試驗選用1.6 m平面應力相似材料模擬試驗臺,試驗臺由框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)3部分組成。模型的幾何相似比為1∶70,根據相似原理與量綱分析,容重相似常數為1.56,應力相似常數112.7,時間相似常數8.37。由此可以確定模型的力學強度,進而確定材料的配比。

1.2.2 模型鋪設

相似材料為砂子、CaCO3、石膏和水,按表1確定的配比來模擬煤巖層。模型沿水平方向分層鋪設,分層搗實后,分層間撒上滑石粉、云母粉,模擬巖層的層面和節(jié)理裂隙等弱面。當巖層厚度大時,每層分次鋪設,分次搗實后,撒上滑石粉、云母粉,模擬巖層的層面和節(jié)理裂隙等弱面。模型尺寸 (長×寬×高)為160 cm×14 cm×150 cm。由于煤層埋藏深度為250 m,模型上覆巖層產生的垂直應力一部分由鋪設于模型的94 cm覆巖 (相當于實際厚度65.8 m)自重形成,剩余部分厚度的重量通過外力補償法進行模擬。

表1 試驗模型配比計算表

2 試驗方法與步驟

為了分析采場基本頂的位態(tài)及其對直接頂和區(qū)段保護煤柱穩(wěn)定性影響,在模型的基本頂巖層、下區(qū)段回風平巷頂板以及煤柱巖層上布置位移觀測點,同時在煤柱內、巷道頂板和底板內埋設應變片。模型兩邊各留30 cm的邊界,以消除邊界效應,模型中采高16 cm。模型具體巷道、煤柱位置關系及測點布置如圖1所示。

圖1 模型應力測點布置與開采方式示意圖

根據試驗目的,為避免圖1所示的14 cm煤柱與22 cm煤柱試驗現(xiàn)象相互干擾,開挖過程具體步驟設計如下:

(1)開挖1#巷道 (即1#工作面運輸巷);

(2)以1#巷道周邊應變計數值達到穩(wěn)定時,間隔14 cm煤柱開始開挖2#巷道,以此作為2#工作面的回風巷;

(3)當1#和2#巷道周邊應變計數值穩(wěn)定時,自模型左邊界開挖1#工作面,在保證模型穩(wěn)定的前提下,快速開挖到1#巷道位置;

(4)將2#工作面的回風巷 (2#巷道)視為3#工作面的運輸巷 (即上區(qū)段回風巷留作下區(qū)段運輸巷),當2#巷道周邊應變計數值穩(wěn)定時,間隔22 cm開挖3#工作面的回風巷 (3#巷道)。

(5)開挖14 cm煤柱,用來模擬2#工作面的開挖 (以此模擬沿空留巷采動破壞情況),當22 cm煤巖柱上應變數值穩(wěn)定時,停止試驗。

3 巷道圍巖變形分析

3.1 巷道圍巖變形破壞分析

巷道變形破壞形式如圖2～圖4所示。圖2為沿空巷道 (2#巷道)頂板和兩幫破壞情況,表現(xiàn)為沿著巷道上角基本垂直向上貫穿頂板的裂隙,采空側 (2#工作面已采空)裂隙延伸的深度和寬度較實體煤側大。采空區(qū)側煤幫表現(xiàn)為豎直方向剝落破壞,實體煤幫上部表現(xiàn)為剛性剪切斷裂破壞,實體煤幫下部表現(xiàn)為緩慢塑性剝落破壞。圖3為沿空巷道 (2#巷道)底板破壞情況,表現(xiàn)為底板向上鼓起,靠近采空側底鼓量較實體煤側大。圖4為沿空留巷采空側人工砌體破壞情況,表現(xiàn)為砌體墻在移動支承壓力作用下,由穩(wěn)定緩慢壓縮塑性變形到受壓張拉鼓幫劈裂破壞。

3.2 巷道圍巖變形特性及機理分析

3.2.1 沿空留巷頂底板變形規(guī)律

頂板變形特性如圖5所示。在采動影響作用下,老頂發(fā)生整體下沉,直接頂在水平應力的擠壓作用下具有起尖上舉的趨勢。老頂巖層下沉之和大于直接頂上舉量。所以,總體表現(xiàn)為采動影響期間頂板下沉特性,而且采動影響前下沉不明顯,原因是前期為老頂應力調整、結構調整過程,自承及承他能力基本存在;采動影響中、后期頂板下沉明顯,自承及承他能力大部分喪失。此結果與現(xiàn)場觀測結果吻合。在整個采動影響期間直接頂1均表現(xiàn)為抑制頂板下沉作用,采動影響的3個階段表現(xiàn)為前期抑制作用增長較快,中、后期屈服讓壓,頂板受力來源于老頂層間錯動、采動水平擾動應力、老頂來壓等,前期來自老頂的壓力較小,中后期較大。直接頂2、直接頂3、老頂總體趨勢是,采動影響期間基本表現(xiàn)為壓力逐漸增大,影響后期表現(xiàn)為壓力減小,頂板壓力來源于老頂斷裂所造成的直接或間接作用、采動垂直擾動應力作用,后期壓力減小的原因是老頂下沉與冒落的直接頂再次接觸形成簡支梁結構,承擔了一部分頂板壓力。

圖5 沿空留巷頂底板變形規(guī)律曲線

底板變形的總體趨勢。在采動影響前期緩慢鼓起,中期出現(xiàn)下沉趨勢,后期表現(xiàn)為底鼓量和速度同時增大,最后又表現(xiàn)為底板下沉。底板總體以上升、隆起為主,最終表現(xiàn)為底鼓。

底板應力調整過程。前期底板受到來自通過兩幫傳遞的頂板壓力;中期采動影響及老頂應力通過自身調整消化;后期老頂斷裂形成以采空側巷幫為支點的簡支梁;最后老頂在采空區(qū)矸石的共同支撐作用下,減輕了兩幫的壓力。

3.2.2 沿空留巷兩幫變形破壞規(guī)律

沿空留巷兩幫變形曲線如圖6所示,除采空區(qū)側淺基點 (2#巷道左側第一測點)外,巷幫在采動影響前、中、后期均表現(xiàn)為內移加速、平緩和減速的規(guī)律;巷幫深部比淺部基點變形大,采空區(qū)側比實體側巷幫變形速度快、變形量大;采空區(qū)側巷道幫部淺基點表現(xiàn)為開采擾動造成的X型剝落破壞,深基點表現(xiàn)為變形速度快、變形量大的特點。圖中正值表示向巷內變形,負值表示向巷外變形。

力學機理。巷道兩幫深基點煤體存儲了大量的彈性能和部分塑性變形能,采動引起煤體能量的釋放,離巷道兩幫表面越遠,存儲的能量越大,采動擾動釋放的能量就越大,并間接地以巷道內移變形的形式傳遞到巷道兩幫的表面。采空區(qū)側淺基點受到的各種擾動多,產生能量釋放引起的變形頻繁,最終導致巷道兩幫表面的疲勞損傷剝落破壞。

圖6 沿空留巷兩幫變形規(guī)律曲線

4 結論

(1)對試驗巷道所在的地質層位情況進行了模擬,模擬了回采過程對巷道周圍應力分布和破壞的真實過程,雖是二維模型,但從整個試驗效果與現(xiàn)場實際對比分析,其對巷道破壞現(xiàn)象反映真實,有助于分析巷道周圍應力分布和破壞機理,對設計支護方案具有重要的參考價值。

(2)試驗是在無支護條件下進行的,直觀反映了巷道的破壞范圍、破壞形態(tài)等特性,還原了巷道破壞的真實過程,揭示了巷道破壞的內在誘因及機理,對支護材料的選擇、支護工藝在時間和空間上的協(xié)調提供參考依據。

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(責任編輯 張毅玲)

A research on similarity simulation of soft rock entry deformation and destruction

Xue Daocheng

(Xishan Coal&Electricity Group Co,Shanxi Coking Coal Group Corp,Taiyuan,Shanxi province 030053,China)

TD322.4

B

薛道成 (1962-),男,1981年畢業(yè)于大同煤校綜采專業(yè),高級工程師,長期從事采煤、掘進的技術管理工作,現(xiàn)任山西焦煤西山煤電集團公司總經理。