采礦工程相似材料及模型試驗研究

王 展

0 引言

采礦工程遇到的巖體由于形成的漫長歷史年代中產(chǎn)生的層理節(jié)理，或在工程開挖影響下，發(fā)生不同程度破裂，采用連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模型不能很好地模擬分析潛在的巖塊滑動、轉(zhuǎn)動，也很難進行覆巖破裂過程變化的模擬;而相似物理模型試驗能較好地再現(xiàn)力學破裂機理等特點，在基本滿足相似原理的條件下，能避開數(shù)學和力學上的困難，較真實、全面、直觀、準確地反映采場巖層的破裂、冒落和移動規(guī)律，以及巖體工程的整體力學特征、變形趨勢及穩(wěn)定性特點，在研究綜放工作面覆巖運動及破壞規(guī)律方面具有顯著的優(yōu)勢[1-4]。因此，本文以煤礦井田工程地質(zhì)條件為背景，進行了相似材料配比實驗;進而建立沿工作面走向的平面模型，從非均質(zhì)巖體角度，探討了覆巖變形破壞運動過程及破壞模式，以期為該礦覆巖離層控制提供指導。

1 井田地質(zhì)狀況

某煤礦一綜放工作面位于21采區(qū)下山西部，該工作面為2-1特厚煤層，工作面標高為-490 m～-520 m，平均埋深為480 m。煤層總厚度為6 m～10 m，平均厚度為8 m。煤層結構簡單，發(fā)育4層～5層夾矸。井田內(nèi)大中型斷層稀少，基本構造形態(tài)為一簡單的單斜構造。工作面以長臂垮落法開采，工作面走向長度為1674 m，傾向長度為231.8 m。地層產(chǎn)狀平緩，走向近東西，傾向南，傾角11°～13°，沿走向略有變化。煤田內(nèi)基本構造形態(tài)為一簡單的單斜構造、斷層稀少。直接頂為深灰～灰黑色泥巖，老頂為礫巖。

2 相似材料的選擇

相似材料主要包括骨料和膠結物。骨料多用河砂、滑石粉等;膠結物主要有石膏、石蠟、碳酸鈣、水泥等[5]。在目前的模型實驗中，以石膏為膠結物的相似材料脆性與巖石比較接近，彈性模量和抗壓強度的調(diào)節(jié)范圍較大，且制作工藝簡單，材料來源方便，是國內(nèi)外應用最為廣泛的一種巖性相似材料[6]。針對煤系地層巖體強度小、容重小、弱膠結特性，本文試驗選用石膏和石灰為主要膠結料，粒徑小于0.05 mm的細砂為主骨料，并用云母粉模擬巖層的節(jié)理和層理。另外，考慮到石膏的膠結速度非常快，實驗時在水中加入一定質(zhì)量的硼砂，配成濃度為1%的硼砂溶液。

3 相似材料的配比實驗研究

在進行相似材料配比實驗時，按一定的配比(337，555，637，773，873五種配比)稱量砂子、石灰和石膏，混合攪拌均勻;加入適量的濃度1%為硼砂水，攪拌后，倒入準備好的模子，做成直徑×高=39.1 mm×70 mm的圓柱體試塊;待模型干燥7 d后，將試塊放于全自動三軸儀進行材料力學特性試驗，得到相似材料物理力學特性如表1所示。

表1 相似材料模型的物理力學參數(shù)

相似材料三軸實驗結果表明:當圍巖較低或圍巖為零時，試塊承受的切向壓力遠大于徑向應力，其破壞形式以剪切破壞為主;當圍壓較大時，試塊近似處于三向等壓狀態(tài)，其破壞裂紋主要分布在試塊表面，試塊破壞的難度加大。此外，不同圍壓下，相似材料砂漿比越小，試塊抗壓強度越高，峰值應力越大，同一種材料，隨圍巖壓力的增加，相似材料抗壓強度和峰值應力同時增加，如圖1，圖2所示。

圖1 同圍巖下的相似材料應力—應變曲線

圖2 不同圍巖下的相似材料應力—應變曲線

相似材料配比實驗表明:砂、石灰和石膏的膠結物強度變化范圍較大，能使相似材料的強度性能、變形性能與原巖相似，且試驗過程中材料性能穩(wěn)定，滿足物理模型試驗的要求。

4 平面模型試驗研究

平面模型實驗能夠真實、客觀地反映采場巖層的破裂、冒落和移動規(guī)律，在上覆巖層運動和發(fā)展規(guī)律研究中具有顯著的優(yōu)勢，為此本實驗簡化為沿煤層走向的平面模型，模擬采場寬度為200 m，模擬覆巖高度為150 m，其上未能模擬部分的巖層重力以重物加載的形式來體現(xiàn)。模型的幾何相似比為1∶200，模擬實驗在1000×250×1000(mm3)試驗臺上進行。采用配比號分別為555，637，773和337材料模擬上層覆巖、泥巖、煤層和底板，待模型干燥后在其上部施加重物荷載。由于煤層強度較低，工作面開挖以人工開鉆的方式進行，假定采場實際開挖速度為10 m/d，則根據(jù)運動相似定律，求得模型開挖速度為每1.7 h推進5 cm。

工作面開挖后，在上覆巖層自重應力的作用下，泥巖層開始彎曲;離層由開切眼處向工作面推進向延伸，離層值增大。工作面巖層開始工作面推進80 m時，形成寬約為0.5 m，長約為50 m的離層。當巖層彎曲沉降發(fā)展到一定限度后，巖層端部率開裂、中部隨后拉斷，從而形成“假塑性巖梁”并垮落，形成非對稱狀、高約3 m的冒落拱。工作面繼續(xù)向前推進85 m的過程中，中位巖梁瞬間垮落，形成更大的冒落拱;因碎落巖體基本充滿采空區(qū)，從而相對有效地阻止了上覆巖層的變形、破壞和移動。當工作面推進120 m時，伴隨上覆巖層離層、斷裂，上覆巖層垮落，導致冒落拱沿工作面方向出現(xiàn)周期破壞。

實驗室相似模擬實驗的結果表明，在采場上覆巖層中形成一個冒落拱，其拱跡線由巖梁折斷線和離層邊界線構成。隨著工作面的繼續(xù)推進，拱內(nèi)被裸露的巖層不斷向上位巖層中發(fā)展、傳遞，離層亦即不斷向上位巖層中傳播，進而形成冒落拱的周期破壞過程。

5 結語

1)砂、石灰和石膏的膠結物強度變化范圍較大，能使相似材料的強度性能、變形性能與原巖相似，且試驗過程中材料性能穩(wěn)定，滿足物理模型試驗的要求。

2)相似模擬試驗再現(xiàn)了21121綜放工作面覆巖運動和破壞的情景，覆巖冒落與工程實際相符，冒落的宏觀成拱效應明顯，表明試驗結果真實可信。

[1]李海梅，關英斌，楊大兵.邯邢地區(qū)煤層底板應力分布的相似材料模擬分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(6):24-25，28.

[2]楊 科，謝廣祥.綜放開采煤層應力分布規(guī)律的相似模擬研究[J].礦山壓力與頂板管理，2004(2):26-27，30.

[3]張健全，戴華陽.采動覆巖應力發(fā)展規(guī)律的相似模擬實驗研究[J].礦山測量，2003(4):49-51.

[4]李 純，馬俊楓，劉全明.綜放采場圍巖壓力分布規(guī)律相似材料模擬實驗研究[J].煤礦開采，2007，12(6):64-67.

[5]蘇承東，勾攀峰，鄧廣濤.采礦平面應力相似模擬試驗裝置的研制[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2007，26(2):141-144.

[6]蘇 偉，冷伍明，雷金山.巖體相似材料試驗研究[J].土工基礎，2008，22(5):73-75.