采場圍巖變形及上覆巖層變形破壞特征試驗(yàn)研究

摘要通過實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)，研究了條帶開采上覆巖層隨留寬減小的變形破壞特征以及側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:上覆巖層受采動的影響和最大下沉值隨著與煤層距離增加而逐漸減小，且下沉曲線不呈對稱分布;各巖層的下沉量與其所處的位置和自身的巖性相關(guān)。該結(jié)果對于同類條件下的煤柱留設(shè)具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞采礦工程 煤柱 相似模擬試驗(yàn) 穩(wěn)定性

中圖分類號:TD3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1 試驗(yàn)原型

新莊煤礦二水平有四條暗斜井服務(wù)于整個礦井的生產(chǎn)，分別是軌道暗斜井、皮帶暗斜井、回風(fēng)暗斜井和進(jìn)風(fēng)暗斜井，四條巷道均布置在同一水平煤層中，四條巷道間距分別為20 m、20 m和40 m。目前四條巷道均有不同程度的破壞，巷道局部有幫頂噴體開裂現(xiàn)象，巷道幫頂位移量大，巷道底鼓明顯。

圖1巷道群與工作面的位置關(guān)系圖

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 模型尺寸及相似比

根據(jù)工作面的實(shí)際開采尺寸，以及工作面與巷道群之間的間距(240m)，考慮模擬模型的邊界效應(yīng)、實(shí)驗(yàn)條件等因素。確定選擇模型的相似比為1:200，在2500€?1400€?200模型試驗(yàn)臺上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并安設(shè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器與巖層位移觀測點(diǎn)。

2.2 模型加載

模型頂部加載是為了補(bǔ)足模擬深度未能包括的那部分巖層重量。本實(shí)驗(yàn)中對于模型上未能模擬的煤層厚度，采用液壓加載方式來實(shí)現(xiàn)。但由于油缸有效行程為140mm，鋪設(shè)的相似材料高度相對較低，不在油缸的有效行程之內(nèi)，所以在相似材料上部又布設(shè)了兩層鐵塊，鐵塊下鋪設(shè)了一層厚度約為5mm的鋼板作為介質(zhì)層。加力方式為:先緩慢加壓從0.1MPa到0.2MPa逐步到0.275MPa，然后控制臺再保壓范圍為0.275MPa。

2.3 數(shù)據(jù)采集

采用YJZ-16型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀和DYB-1系列土式傳感器觀測上覆巖層的應(yīng)力變化。制作模型時在模型中共埋設(shè)了37個應(yīng)力應(yīng)變傳感器，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，及模型鋪設(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。采用經(jīng)緯儀觀測上覆巖層的位移變化。在模型上布置了六組，每組14個，共計(jì)84個觀測點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 覆巖垮落特征

模型試驗(yàn)采用的開挖方式為先加載，后開挖。圖2 是不同開采時刻上覆巖層破壞情況。從圖2可以看出，工作面開采后，靠近采場區(qū)域內(nèi)的上覆巖層開始發(fā)生移動。當(dāng)采寬37.5m時，直接頂出現(xiàn)彎曲下沉，但還未斷裂。直接頂發(fā)生第一次跨落，其垮落高度為4.8m，垮落的長度在60m左右，此時老頂未發(fā)生變化，形成簡支梁結(jié)構(gòu)。此時開切眼處煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，煤柱遭塑性破壞。

當(dāng)采寬繼續(xù)增大到112.5m時，直接頂出現(xiàn)第二次垮落，垮落高度與第一次相同，但垮落的長度減小為36m，其垮落步距明顯縮短。此時，老頂發(fā)生明顯的變形，產(chǎn)生彎曲下沉，并在局部出現(xiàn)裂隙。隨著采寬達(dá)到150m時，老頂出現(xiàn)第一次垮落，即老頂?shù)某醮蝸韷海淇迓涓叨葹?.6m。

隨著開采的繼續(xù)進(jìn)行，直接頂和老頂發(fā)生周期性的破壞垮落，并且裂隙帶高不斷向上延伸。當(dāng)開采寬度為187.5m時，裂隙帶高度為48m在此之后，盡管工作面采寬繼續(xù)增大，垮落帶最大高度不再向上發(fā)展，僅隨工作面向前移動。

3.2 上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律

上覆巖層垂直位移的變化隨著距離煤層距離的增加而逐漸減小，并且不同位置的下沉與開采并完全一致，呈非線性關(guān)系。在開切眼附近，由于采動影響煤柱的承載能力降低，且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力隨著時間的增加不斷增大，造成此處的垂直位移由0.46m增加到2.6m。靠近煤層的上覆巖層由于距離煤層的距離較近，其破壞同步于工作面的推進(jìn)。隨著工作面的推進(jìn)，頂板發(fā)生周期來壓，采空區(qū)的頂板發(fā)生垮落，在自重應(yīng)力作用下，上覆巖層中的裂隙又發(fā)生閉合，頂板的下沉量也逐漸減小并趨于穩(wěn)定，并且跨落后的巖石在一段時間后具有了一定的承載能力。

3.3 采動覆巖層應(yīng)力分布規(guī)律

圖3~圖6為兩條測線在不同采寬時的應(yīng)力增量曲線。從圖可以看出:工隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層中出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)，且應(yīng)力集中系數(shù)隨著與煤層距離的增加而減小;工作面產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力范圍隨著煤柱留設(shè)寬度的減小而增加，同時側(cè)向支承壓力對巷道群的影響也隨著煤柱留設(shè)寬度的減小而逐漸增大，開采寬度從70m增加到295m時，支承壓力的影響范圍也由65m增加到90m左右;上覆巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，離層主要發(fā)生在應(yīng)力卸壓區(qū)。

4 結(jié)論

本文采用相似材料模擬試驗(yàn)方法，研究了條帶開采上覆巖層隨留寬的減小的變形破壞特征以及側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律，得到以下結(jié)論:

(1)煤層開采后，采空區(qū)周圍巖層發(fā)生破壞變形，上覆巖層自下而上依次出現(xiàn)冒落、裂隙、離層、彎曲等變化，并形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

(2)上覆巖層受采動的影響和最大下沉值隨著與煤層距離增加而逐漸減小，且下沉曲線不呈對稱分布。

(3)在采場推進(jìn)過程中，開采煤層上覆巖層及工作面前方垂直應(yīng)力是不斷變化的，其主要特點(diǎn)是出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)隨著巖層高度的增大而減小。

(4)隨著煤柱留設(shè)寬度的減小，工作面由于開采產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力范圍不斷增大，側(cè)向支承壓力對巷道群的影響也逐漸增大。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇仲杰，范學(xué)理，劉文生.新型單向巖體應(yīng)力、應(yīng)變匹配系列傳感器的研制.煤炭學(xué)報，1996.3.

[2]蘇仲杰，隋惠全，劉文生.巖土應(yīng)力應(yīng)變匹配傳感器的研制及應(yīng)用.巖土工程學(xué)報，1997.3.

[3]顧大釗.相似材料和相似模型[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.鐵道部科學(xué)研究院鐵道建筑研究院.電阻應(yīng)變式壓力傳感器.北京:人民鐵道出版社，1979.

[4]康建榮，王金莊，胡海峰.相似材料模擬試驗(yàn)經(jīng)緯儀觀測方法分析.礦山測量，1999.2(1):43-46.