采空區(qū)頂板斷裂物理相似性模擬實驗研究

高聰 于鑫 劉正海 焦東

摘要：無底柱分段崩落法開采過程中上覆巖層中形成規(guī)模較大的空區(qū)與懸頂，其上覆巖層空區(qū)頂板的的崩落與破裂動態(tài)演化是影響采場安全的重要因素。為了掌握上覆巖層中崩落、開裂范圍及發(fā)展趨勢，防止突發(fā)性的大規(guī)模動力地壓災(zāi)害的發(fā)生，根據(jù)相似性理論制作物理模型模擬采空區(qū)的頂板及地表，通過自制加載系統(tǒng)豎向加載模型使之破壞，觀察試件破壞形式，并通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀探究采空區(qū)頂板破裂形式、破裂規(guī)律以及應(yīng)變變化情況，以期為研究實際礦山處理崩落法采空區(qū)頂板破裂垮落及地表沉陷問題提供實驗依據(jù)。

關(guān)鍵詞：崩落法;頂板破裂;相似性物理模擬實驗

中圖分類號：TD851? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

1? ? 背景

無底柱分段崩落法是一種通過崩落圍巖來控制地壓的方法，因其具有安全、機械化程度和生產(chǎn)效率高等特點而在金屬礦山中得到廣泛應(yīng)用，崩落法在礦山中應(yīng)用廣泛相較于其他開采方法有很多優(yōu)勢，但崩落法的缺點也很明顯，無底柱分段崩落采礦法存在三大弊端，分別是礦石損失貧化，回采時造成的獨頭結(jié)構(gòu)不利于井下通風，以及地表沉陷問題。崩落法開采過程中會形成采空區(qū)，一旦頂板破裂塌落裂隙發(fā)展到地表就可能造成地表沉陷問題。采空區(qū)破壞以及地表沉陷，是礦山生產(chǎn)的一項重大安全隱患，也是礦山地質(zhì)災(zāi)害之一[1-2]。崩落法形成地表沉陷是因為采空區(qū)頂板破裂垮落大量圍巖掉落造成的，目前國內(nèi)外專家學(xué)者針對空區(qū)頂板破裂進行了卓有成效的研究，唐曉玲[3]等通過應(yīng)用薄板理論及懸臂梁理論，建立初次來壓及步距計算式，得出頂板應(yīng)力分布和位移狀態(tài)。葉明亮[4]通過應(yīng)用彈性理論及數(shù)值模擬，分析了采空區(qū)頂板應(yīng)力狀態(tài)。王金安[5]通過堅硬頂板建立彈性基礎(chǔ)板力學(xué)模型，研究頂板不同階段的破斷模式與突變失穩(wěn)的力學(xué)過程，得出有效承載面積減小到臨界值時，頂板位移突跳產(chǎn)生極限點失穩(wěn)，煤柱-頂板系統(tǒng)出現(xiàn)突然塌陷失穩(wěn)。賀廣零[6]等基于溫克爾假設(shè)及板殼理論，把堅硬頂板當作彈性板，建立煤柱-頂板系統(tǒng)，得出煤柱-頂板系統(tǒng)失穩(wěn)突變機理及力學(xué)條件和數(shù)學(xué)判定依據(jù)。

本文主要應(yīng)用理論分析，相似材料模擬實驗以及應(yīng)變電測技術(shù)等科學(xué)方法，對采空區(qū)頂板破裂形式、破裂結(jié)構(gòu)以及應(yīng)變變化情況進行分析，更好地指導(dǎo)實際礦山處理崩落法采空區(qū)頂板破裂及地表沉陷問題。

2? ? 相似材料模擬實驗

相似材料模擬實驗是一種重要的實驗室科學(xué)研究技術(shù)手段，通過在實驗室中按照原型制作相似模型，力學(xué)測試儀器或儀表等觀測測量模型表面或者內(nèi)部力學(xué)參數(shù)分布規(guī)律，獲得力學(xué)數(shù)據(jù)，進行分析得出結(jié)論，并利用到原型中，推斷原型中多種力學(xué)變化問題以及產(chǎn)生的原型變化規(guī)律，進而更好地解決實際問題。對于崩落法采空區(qū)頂板及地表而言，原型試驗研究時間長，研究經(jīng)費高昂，安全性不能保證，礦山地質(zhì)情況各不相同，結(jié)果不利于推廣。而模擬試驗方法相對方便許多，這種方法條件易控制、破壞方式易于觀察、試驗周期相對縮短很多、模型可以多組制作且具有可復(fù)制性。

2.1 實驗材料選取及模型制作

相似材料的選擇是相似模擬實驗的重要一環(huán)，相似材料的要求有以下幾點：（1）材料獲取方便，價格低廉，制作簡單，成型快;（2）材料的變形和力學(xué)強度變化均勻，易于做測量工作，而且材料無毒無害，不影響人類的健康;（3）材料的物理力學(xué)的性能可靠穩(wěn)定，不會因為空氣的濕度、溫度或者氣壓等條件的變化從而發(fā)生較大的改變;（4）改變配比時方便，因為材料的配比發(fā)生變化時，材料的物理力學(xué)指標會發(fā)生較大幅度的變化;（5）破壞特征及變形特征要與原材料相符。

本次相似材料模擬實驗材料選擇水泥為膠結(jié)材料，選擇河沙和碎石子為骨料，材料配比如表1所示。模型試件如圖1所示。

2.2 加載平臺模型制作

本次相似模擬實驗加載模擬設(shè)備選擇用自制設(shè)備，本設(shè)備具有創(chuàng)新性，針對本次實驗設(shè)計，實驗臺分為承壓設(shè)備和加載裝置兩部分。承壓設(shè)備選擇采用角鋼外圍架、承裝模擬地表的四塊鋼板組合成的鋼板組合框和一塊鋼板，角鋼的優(yōu)點在于抗壓和抗拉強度極高，能承受很大的力，而且易于組合成型，通過切割焊接工藝即可完成組合制作過程。選取等邊角鋼，角鋼型號選取5#角鋼50 mm×50 mm×5 mm。角鋼架按照長×寬×高=620 mm×340 mm×720 mm，鋼板組合框按照長×寬×高=585 mm×260 mm×70 mm，鋼板按照長×寬×厚=580 mm×260 mm×8 mm進行切割，焊接。角鋼外圍架見圖2。

2.3 實驗過程

將混凝土試件平穩(wěn)放入角鋼架內(nèi)，注意不要損壞擠壓到導(dǎo)線，然后將模擬地表鋼框放在混凝土試件上，并倒入砂石，鋪上鐵板，放置千斤頂和鐵塊頂在角鋼架上固定，連接應(yīng)變片導(dǎo)線到儀器的通道接口上去，打開儀器電源，預(yù)熱約20分鐘，打開操作軟件記錄實驗數(shù)據(jù)，使用千斤頂加載混凝土試件直到試件破壞，試驗結(jié)果如圖3所示。

3? ? 采空區(qū)頂板破裂規(guī)律分析

對模型各處破壞進行研究，其破壞結(jié)果如圖4、圖5所示，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

根據(jù)應(yīng)變隨時間變化圖6發(fā)現(xiàn)，試件受力到破壞全過程應(yīng)變片變化分為3組：

第一組為拱肩CH11和CH12應(yīng)變片，受力開始斜率即為最大，增長最快，整體應(yīng)變受壓，0～6 s時CH11為受拉，CH12受壓，分析可能加載初期加載力分布不均勻造成。其中6～8 s時增長為最快，CH11應(yīng)變發(fā)生轉(zhuǎn)折，由受拉轉(zhuǎn)為受壓，分析原因可能為CH11粘貼位置為拱肩偏下，且豎直略傾斜粘貼，破壞位置恰好在應(yīng)變片偏上部，該處位置為頂板和側(cè)幫連接處，應(yīng)變變化最為復(fù)雜。而之后應(yīng)變一路猛增直到在22 s時試件破壞，CH11、CH12都造成破壞且最大應(yīng)變分別為252.3 με與176.7 με。破壞裂隙為由外側(cè)圍巖向內(nèi)傾斜破壞恰好發(fā)育到拱肩位置，分析原因為頂板跨中破壞后在極短的時間后試件分為兩個懸臂梁，拱肩位置外側(cè)受拉內(nèi)側(cè)受壓造成破壞形成由外向內(nèi)的裂隙，而CH11與CH12應(yīng)變最大值不同是因為粘貼測量位置不同，CH11粘貼在靠近拱肩外側(cè)應(yīng)變值更大。分析CH11與CH12應(yīng)變變化最大的原因為豎直方向均勻受力，頂板向下微彎曲，變形最大的位置即為拱肩（頂板與側(cè)幫連接處）。

第二組為頂板下粘貼的CH1～CH4應(yīng)變片，整體應(yīng)變受拉，0～4 s時應(yīng)變微增長變化很小。4～12 s時應(yīng)變開始加速增長且增長速度基本相同。12～16 s時增長速度繼續(xù)加快但各點增長斜率開始變化CH3=CH4>CH2>CH1，且在14～16 s時出現(xiàn)應(yīng)變平直期，分析靠近跨中即千斤頂下部位置應(yīng)力最大，出現(xiàn)平直期說明試件具有抵抗載荷的能力。16～22 s時應(yīng)變增長速率加快CH3>CH4>CH2>CH1，其中CH1、CH2、CH4應(yīng)變增長速率基本相同且低于CH3，而CH3應(yīng)變呈現(xiàn)突增趨勢一路猛增，最大值應(yīng)變峰值達到-285.4 με，分析頂板跨中應(yīng)力最大，且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值大于附近應(yīng)力值很多，受拉最為明顯，而另外3個應(yīng)變片應(yīng)變變化穩(wěn)定，應(yīng)變排序固定。

第三組為頂板側(cè)面粘貼的CH5～CH10（無CH8）應(yīng)變片，第三組應(yīng)變變化速率整體均小于前兩組變化速率，呈現(xiàn)相對低速率增長趨勢，整體變化趨勢基本趨于一致且均為受壓，只有CH5全過程為拉伸狀態(tài)，應(yīng)變大小排序CH6>CH10>CH7>CH9>CH5，且破壞裂縫為曲折狀，分析跨中位置CH6應(yīng)變依然為最大。而應(yīng)變第二位的CH10粘貼在靠近頂板上部且靠近拱肩，這兩個部位應(yīng)力值大。CH7與CH5粘貼位置距離CH6相等，但CH7粘貼位置靠頂板上部，所以CH7應(yīng)力值大于CH5。CH5為拉應(yīng)變原因未知，猜想為試件該位置內(nèi)部微裂隙造成。造成此應(yīng)變排序的原因為頂板側(cè)面上部受力大于下部受力且跨中受力最大向兩側(cè)遞減，且頂板上部受力程度大于跨中附近受力程度。

4? ? 結(jié)論

通過崩落法采空區(qū)頂板物理模擬加載實驗以及應(yīng)變電測技術(shù)，得出采空區(qū)頂板受上部載荷作用下應(yīng)力變化為：頂板跨中應(yīng)力最大并且向兩側(cè)拐角位置遞減;破壞形式為：頂板跨中上受壓剪切破壞，頂板跨中下受拉拉伸破壞，拐角剪切拉伸破壞;破壞順序為：頂板跨中先破壞，拐角位置成懸臂梁狀態(tài)后破壞，內(nèi)側(cè)受壓外側(cè)受拉，符合采空區(qū)堅硬頂板破裂機理理論。

參考文獻

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