傾斜俯偽斜下保護層開采保護范圍劃定相似模擬實驗研究

趙文杰，王宏圖,2，舒 才，施 峰

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044；2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶 400044)

傾斜俯偽斜下保護層開采保護范圍劃定相似模擬實驗研究

趙文杰1，王宏圖1,2，舒 才1，施 峰1

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044；2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶 400044)

為了研究傾斜俯偽斜下保護層開采的有效保護范圍，以興隆煤礦1601工作面為研究對象，采用相似模擬實驗方法，研究了保護層頂板垮落特征，被保護層的應(yīng)力和位移的分布規(guī)律以及煤層膨脹變形量，并以此為依據(jù)，確定下保護層開采的有效保護范圍。該實驗研究對現(xiàn)場下保護層開采被保護層卸壓范圍的劃定，具有重要的工程實踐意義。

傾斜俯偽斜；下保護層；保護范圍；相似模擬

0 引 言

近年來，我國煤與瓦斯突出事故頻繁發(fā)生，儼然已成為我國煤礦重要災(zāi)害之一，而保護層開采是被認為最經(jīng)濟、有效的區(qū)域性防突措施之一[1]，很多學(xué)者[2-3]已經(jīng)對其進行了深入的研究。但是對于傾斜俯偽斜下保護層開采保護范圍劃定規(guī)律的研究并不是十分深入。因此，在傾斜俯偽斜下保護層開采后，深入研究礦山壓力的重新分布規(guī)律、位移變化規(guī)律、采動裂隙特征和卸壓保護范圍，對實現(xiàn)煤與瓦斯共采具有重要意義。

1 相似模擬實驗

1.1 試驗礦井原型

試驗以興隆煤礦1601工作面為原型。該工作面的4#煤層和6#煤層均具有突出危險性，選擇突出危險性較小的6#煤層作為保護層，4#煤層作為被保護層；1601工作面，風(fēng)巷標(biāo)高為+300 m，機巷標(biāo)高為+250 m，工作面斜長86 m，走向長度為400 m，工作面采用偽斜角為30°俯偽斜布置方式。具體模擬條件見表1。

表1 模擬煤層特征表

1.2 相似常數(shù)及相似材料配比的確定

依據(jù)相似三定理[4]，模擬材料的視密度取為1.5 g/cm3，模擬范圍為200 m×200 m×30 m，根據(jù)各巖層強度取得相似常數(shù)(見表2)。然后不斷調(diào)整相似材料配比，并制作成多個圓柱體模型，進行單軸壓縮試驗。各模型相似材料配比見表3。

表2 相似常數(shù)

表3 相似材料配比

1.3 模型的加載

模型的加載是為了模擬上覆巖層的自重。通過原型條件計算，控制臺需加壓6.875 MPa。本實驗采用杠桿原理，動力臂∶阻力臂=10∶1，模型上部有5塊加壓板，每塊加壓板上放5塊鋼板，每塊鋼板10 kg，符合試驗要求。

1.4 模型開采

(1) 安裝標(biāo)志紙片。待模型達到保養(yǎng)期后，在需要觀測位移的模型區(qū)域安裝紙片；將紙片剪1 cm×1 cm大小，并進行編號，用大頭針從紙片中央穿到模型上，紙片間距10 cm×10 cm，并確保同一行的紙片中心在同一條直線上；其中I測線位置大約位于被保護層底板，II測線位置大約位于保護層頂板。

(2) 安裝高清照相機。在距離模型試驗臺3 m左右的地方固定照相機，并設(shè)定自動拍照功能，以1～3 min為間距自動對模型安裝有紙片的一面進行拍照。

(3) 安裝應(yīng)變儀。將壓力盒接到16通靜態(tài)應(yīng)變儀上，根據(jù)補償方式，連接應(yīng)變儀；檢查應(yīng)變儀并進行調(diào)試，調(diào)試正常后準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)，采集時間在模型開挖時開始。

(4) 開挖模型。模型采用一次工作面傾斜全長開采，模擬走向長壁綜采全部垮落法開采。模型采用人工開挖，從設(shè)計開挖區(qū)域開始進行，沿傾向從上到下開挖，直到全部開挖為止。開采完畢之后等待保護層上部巖層在上覆壓力作用下慢慢垮落。大約在3～4 h之后，模型形成的垮落形態(tài)如圖1所示。

圖1 上覆巖層垮落形態(tài)

由圖1可以看出，上覆巖層形成了垮落帶，裂隙帶和彎曲下沉帶[5]，與煤層現(xiàn)場開采過程中形成的“豎三帶”特征相吻合。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 上覆巖層位移變化規(guī)律

通過Matlab編程對所提取的數(shù)據(jù)進行處理[6]，得到了開挖后垮落上部巖層的位移場變化規(guī)律(見圖2)。由圖2可以看出，保護層開采過后上部巖層發(fā)生了充分移動，這樣使得被保護層充分卸壓。

2.2 頂板變化規(guī)律

開采過程中通過照相機記錄安裝在煤層頂板的標(biāo)志的位置變化，并利用Matlab編程追蹤開采過程中保護層頂板各點的位移量，如圖3所示。由圖3可以看出，隨著工作面的向前推進，頂板下沉量不斷增大，大致呈“W”形態(tài)。

圖2 開挖后上覆巖層位移場云圖

圖3 開采過程中頂板下沉量

2.3 卸壓保護范圍

將開挖過程中采集應(yīng)力換算為應(yīng)變；并根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變與彈性模量的關(guān)系，其中彈性模量為10 MPa，繪制出開挖后被保護層的卸壓變形曲線，如圖4所示。然后根據(jù)3‰的卸壓變形膨脹量劃定保護范圍[7]，得出保護范圍為上邊界卸壓角95°，下邊界卸壓角75°，在現(xiàn)場考察的保護層范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 論

(1) 在相似模擬開采過程中，下保護層形成了“豎三帶”的垮落形態(tài)，與現(xiàn)場開采吻合。

(2) 相似模擬實驗開采后，下保護層的上覆巖層位移場發(fā)生較大變化，這使得被保護層充分卸壓。

(3) 相似模擬實驗開采過程中，下保護層頂板下沉規(guī)律呈“W”形態(tài)，在留設(shè)煤柱的地方形成應(yīng)力集中。

(4) 根據(jù)相似模擬實驗，下保護層劃定的保護范圍和現(xiàn)場考察十分吻合，說明相似模擬方法劃定的保護范圍也是可靠的。

[1]俞啟香.礦井災(zāi)害防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[2]王宏圖,黃光利,胡國忠,等.急傾斜上保護層開采瓦斯越流固-氣耦合模型及保護范圍[J].巖土力學(xué),2014,35(5):1377-1382.

[3]涂 敏,繆協(xié)興,黃乃斌.遠程下保護層開采被保護煤層變形規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2006,23(3):253-257.

[4]張正林.覆巖采動裂隙帶瓦斯運移規(guī)律及其抽取與利用研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2001.

[5]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[6]紅菱煤礦保護層開采裂隙演化規(guī)律的相似模擬實驗[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2012,31(2)186-188.

白 帆，劉 明.煤礦瓦斯防治技術(shù)[M].北京：中國經(jīng)濟出版社，1987.(

2016-02-17)

趙文杰(1988-)，男，河南魯山人，碩士研究生，主要研究方向為礦井災(zāi)害與防治，Email：1219456174@qq.com。