緩傾斜煤層開采側向支承壓力分布特征模擬研究

司賢讓

（河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600）

緩傾斜煤層開采側向支承壓力分布特征模擬研究

司賢讓

（河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600）

為全面了解緩傾斜煤層開采后圍巖應力分布規律，運用相似材料模擬法，以某礦綜采工作面的實際工程地質情況為依據，分析了采場兩側向的支承壓力分布情況及應力集中程度、應力峰值距煤壁的距離、支承壓力的影響范圍等因素，為該礦采區巷道的合理位置布置提供參考價值。

緩傾斜煤層；相似模擬；側向支承壓力；分布特征

相似材料模擬實驗是以相似理論為基礎，采用一定的人工材料代替天然巖體制成模型，去研究實際工程問題的實驗方法。用相似材料模型試驗可以直接觀測到礦山壓力的變化過程和內應力的作用情況，能人為地依據礦山壓力作用下的圍巖條件進行新技術、新方案的試驗，可解決目前理論分析中尚不能解決的一些問題。

國內外學者在采動引起的支承壓力研究方面，多側重超前支承壓力分布規律的研究。而分析側向支承壓力的分布特征，可以為巷道位置的布置及護巷煤柱的合理尺寸提供依據，從而避開應力峰值區，減少采動壓力對巷道的影響。本文以某礦井的實際工程地質資料為依據，采用相似材料模擬方法分析側向支承壓力的分布特點，為今后多煤層采區巷道的布置提供參考價值。

1 相似模擬試驗設計與制作

1.1 模擬的地質條件

以某礦15016工作面的地質條件為工程試驗背景，采用平面模型研究緩傾斜煤層工作面側向支承壓力變化情況。該工作面煤層厚度基本穩定，結構簡單，煤層厚度在3.0m～3.6m之間，平均3.4m；煤層埋深500m，傾角變化不大，在9°～15°之間，平均12°；煤層東西走向起伏較大，由東向西逐漸上坡。煤層頂底板情況：直接頂為砂質泥巖，距煤層頂板0.8m左右有1層0.1m～0.5m的煤線，該層易隨采隨落。直接底為一薄層泥巖，遇水易膨脹。

1.2 相似參數的確定

模型架的尺寸為2m×0.18m×1.7m（長×寬×高），根據相似原理，依據選定模型架尺寸及其他條件綜合考慮，確定主要相似系數：幾何相似系數aL=0.01，時間相似系數at=0.071，容重相似系數ar=0.6，應力相似常數aσ=0.006。由相似定理及以上各基本的相似系數，可導出如下相似系數：外力比ap=6.0×10-7,強度比af=0.006，泊松比 au=1。由于無現場應力場資料，可以近似認為是均質重力場，所以初始應力場是相似的。模型兩側由于干燥收縮和開采引起的開裂與實際不符，但留有較寬大的邊界，所以邊界條件也是近似相似的。

1.3 相似材料配比及用量

根據現場煤層頂底板巖層綜合柱狀圖。利用RMT—150B(巖石材料試驗機)測試系統，測得各巖層的巖石力學性質。選取細河沙、石膏和碳酸鈣配制不同比例的相似材料。每組3塊（10 cm×10 cm×10 cm），自然干燥7 d，進行抗壓強度實驗，取3個試件抗壓強度的平均值作為該材料配比號的抗壓強度。各巖層巖石力學性質和相似材料的配比如表l所示。

1.4 模型的制作及加載

模型的制作按以下步驟進行：①在模板內表面涂上機油，并將其安裝固定在模型架兩側；②根據上述表格計算出的分層材料用量，分別稱量所需砂、碳酸鈣、石膏的重量，倒入攪拌機內，混合攪拌；③向混合料中加入一定量的緩凝劑（硼砂）和水，攪拌均勻；④將配制好的材料倒入模型架，用刮刀抹平，并搗固壓實；⑤邊上模板，邊倒入材料，重復步驟①－④，直至設計高度；⑥干燥一周后，拆掉兩側模板，繼續干燥兩周后便可進行開采和觀測。

表1 煤巖體物理力學參數及配比

需要注意的是，在模型制作時，應適當控制分層鋪設的間隔時間（2min-5min），并在層與層之間撒入一定量的滑石粉來模擬層理面，在模擬煤層的材料中摻入適量的粉煤灰，以降低材料的容重，整個模型一次鋪設完成。

模型頂部加載是為了補足模擬深度未能包括的那部分巖層重量。由于開采形成支承壓力，雖然其隨著遠離煤層而趨向緩和，但由于模擬深度不大，上部邊界載荷分布并非均勻，且受到巖性影響，因此需要在加載重物與模型之間安置具有適當剛度的介質層，使介質層和下方巖層的相互作用產生合乎實際的壓力重新分布。此次試驗采用杠桿加載，以重物塊數及支點位置調節加載量。為防止加載偏心或杠桿因模型被開采而下沉變為斜置，故其一端裝有調節螺桿以便隨時將杠桿調平。為了保證加載的均勻性，載荷是通過杠桿加在矩形鋼板（0.18 m×0.3m）上面，每個杠桿上加載塊數為5塊。杠桿間距為1.5m處。

2 試驗模型的開采與觀測

為研究煤層開采時側支承壓力分布特征，采用的測量系統為：JS-14型靜態數字應變儀，DYB-1系列土式傳感器。在己1煤層頂板左右兩側各埋設了9個傳感器，與煤壁的距離分別為0.05m、0.10 m、0.15m、0.20m、0.25m、0.30m、0.35m、0.40m和0.50m。

試驗中采用攝影測量法對模型進行拍照，照片能夠直觀反映了模型的變形和破壞過程。素描法能夠彌補攝影法不能對模型所表現的現象進行確切的描述的不足。因此，試驗中采用攝影測量及素描法相結合的方法研究上覆巖層的幾何形態。

3 試驗結果分析

模擬工作面回采時每4 h監測數據一次，并根據每個傳感器標定方程，求出垂直應力，并換算成應力集中系數。為描述側支承壓力分布特征，將監測結果繪制成如圖1所示的曲線。

根據圖1可將煤體邊緣分為3個區段：

I．小于原巖應力的應力降低區：靠邊緣附近的煤體，可視為處于單向受力狀態，其抗壓強度較小，在高應力作用下，煤體已發生破壞。如果按壓力特征分區，則塑性區處于壓力下降區內，該區的垂直應力比原巖應力小。

II．塑性區：從應力降低區往煤體深處，由于層面之間的摩擦力作用，致使煤體在水平方向的擠壓力增加，由單向受力狀態逐步過渡到雙向乃至三向受力狀態。其抗壓強度也逐漸加大，直至支承壓力高峰。在該區段煤體中的應力已超過其彈性極限，煤體處于塑性變形狀態。

III．彈性變形區段：從塑性再深入煤體，支承壓力隨遠離煤壁而逐漸遞減，直至恢復到原巖應力狀態。結果表明此區域范圍大于40m。

圖1 己1煤層應力集中系數分布特征

根據圖1煤層側向應力集中系數變化所示。工作面側向10m范圍內，煤體的應力變化不明顯；工作面側向10m～30m，測點處煤體應力逐漸升高。這說明測點處煤體受到采動的影響，工作面側向的15 m～25m區間，應力急劇上升，應力曲線斜率很大，應力峰值出現在此范圍內，最大集中應力出現在煤壁前方的0～12m區段。工作面側向30m～40m區段，煤體內應力急劇下降。相似模擬結果表明煤層開采后應力降低區范圍為5m左右，最大應力應力集中系數達到3.4，峰值距煤壁25m左右。

4 結論

⑴采用相似模擬實驗的方法，通過建立平面開采模型，成功地研究了緩傾斜煤層開采側向支承壓力的分布特點；但相似模擬模擬得到的變化曲線僅能反映側向支承壓力變化趨勢，并不能精確預測其變化量，只有與現場實際觀測數值相結合，才能有效的指導生產。

⑵根據工作面側向頂板結構和頂板支撐結構的應力特點，將側向分為如下區域：側向小支撐結構保護區(塑性流動區)；側向小支撐結構承載區(塑性流動區外邊界)；大結構承載區(塑性軟化區和塑性硬化區)；原始結構應力區。

⑶通過相似模擬實驗發現，煤層開采時，在煤層采場兩側的支承壓力集中系數平均達到2.9，峰值距煤壁距離約25m左右，側向支承壓力影響范圍約40m。區段巷道的布置應避開應力高峰區，如采用沿空掘巷技術，巷道位置最好布置在側向小支撐結構保護區(塑性流動區)即0～4m范圍較合理。

[1]李鴻昌.礦山壓力的相似模擬試驗[M].徐州：中國礦業大學出版社，1988.

[2]顧大釗.相似材料和形似模型[M].徐州：中國礦業大學出版社，1995.

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Simulation Study of Abutment Pressure Distribution in Gently Inclined Coal Seam M ining

SIXian-rang

(Shenhuo Coal and Electricity Co.,Yongcheng Henan,476600)

To thoroughly understand the surrounding rock pressure distribution in gently inclined coal seam after themining,similarmaterial simulation was used to analyze the supporting stress distribution in both sides,stress concentration,distance between peak stress and walls,and influential range of abutment pressure on the basis of engineering geology condition,which is valuable for the rational roadway layout.

gently inclined coal seam;similar simulation;abutment pressure;distribution characteristics

TD315+.3

A

1672-5050（2011）10-0031-03

2011-08-21

司賢讓（1980—），男，河南永城人，大學本科，助理工程師，從事煤礦現場安全管理和技術管理工作。

徐樹文