低透氣性煤層開采覆巖應力與變形特征實驗分析

張 璐,李海洲,劉國磊

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049； 2.山東理工大學 資源與環境工程學院 礦山工程技術研究所,山東 淄博 255049)

煤層開采中，圍巖變形特征與破壞機理分析是有效防治煤與瓦斯突出等動力災害的理論基礎和依據[1-2]，實驗室實驗是研究突出機理的重要手段。國內對煤層開采中頂板變形的研究成果頗豐，并取得了良好的應用效果[3-8]，但過渡區開采過程中，由于應力的增加，使得工作面圍巖變形加劇，加之我國煤層地質條件復雜，圍巖變形形式與特征不盡相同。因此，通過物理相似實驗開展圍巖變形的研究與分析具有重要意義。本文以新景煤礦蘆南一區8#煤采掘工作面地質條件為背景，建立采掘過程中頂板變形破壞數值分析模型和煤與瓦斯突出的物理相似模擬實驗模型，分析在工作面實際地質條件下，隨著工作面的推進，上覆巖層結構的變形、移動與垮落特征與瓦斯突出機理。

1 工程背景

新景礦蘆南一區8#煤北翼采區位于新景公司的東北部，東西寬3 197 m、南北長2 228 m，面積為7.1 km2。埋藏深度480～600 m。在回采過程中揭露的地質情況主要是陷落柱和斷層。

8#煤直接頂為泥巖，黑色，含植物化石，中部夾1～2層菱鐵礦結核，局部相變為砂質泥巖。老頂為細粒砂巖，灰白色，以石英為主，長石次之，夾泥質條帶，含云母和黑色礦物硅質膠結。直接底為砂質泥巖，灰黑色，富含植物化石和黃鐵礦，頂部常相變為泥巖。

2 物理相似實驗方案

以新景礦8#煤層采掘工作面實際地質條件為依據，主要考慮巖層分布于斷層構造，建立采礦相似模擬實驗臺。通過調節實驗臺頂部油缸載荷模擬采場地應力變化，通過開挖煤層模擬采動影響，形成模擬實驗系統，如圖1所示，并在實驗系統上安設應力計、應變片、攝(錄)像器材等，可監測工作面推進過程中頂板圍巖變形的宏觀特征。

圖1 物理相似模擬實驗系統Fig.1 Physical similarity simulation experiment system

根據經驗及本試驗所模擬的巖層性質，決定以細河砂為骨料，以水泥和石膏為膠結材料，用四硼酸鈉(硼砂)作為緩凝劑，斷層處采用石英砂作為填充材料進行鋪設。

2.1 實驗相似系數的確定

實驗在2.5 m×0.20 m×1.4 m(長×寬×高)規格的剛模型架上進行試驗，根據選定模型架尺寸及其他條件綜合考慮，確定相似系數如下：

1)模型幾何相似系數(幾何比)：本次模型試驗采用平面應力模型，長度相似系數100。

3)容重相似系數：0.6。

4)其它力學參數相似系數。由相似定理及以上個基本參數的相似系數，可導出如下相似系數：強度比為0.006，外力比為6×10-7，彈模比為 0.006，泊松比為1。

5)初始條件及邊界條件相似?？梢越普J為是均質重力場，所以初始應力場是相似的。

2.2 相似材料配比及用量

參照《礦山壓力的相似模擬試驗》中的材料配比，進行相似材料配比調整試驗，試驗步驟如下：(1)將試模內刷上機油備用；(2)按一定比例稱量砂子、石膏和水泥，混和攪拌均勻；(3)加入一定量含有硼砂的水，攪拌后，倒入模子；(4)干燥4 d左右，將做成試件放于伺服壓力試驗機上測定試件的單軸抗壓強度。

考慮到配比實驗期間誤差，同一配比做三個試件，取三個試件抗壓強度的平均值作為該材料配比號的抗壓強度。

由配比號確定各分層材料的用量，計算算出模型上各分層的各種材料用量列表，見表1。

為研究煤層開采時上覆巖層應力場分布及變形特征，采用的測量系統為：YJZ-16型靜態數字應變儀，DYB-1系列土式傳感器。制作模型時在模型中共埋設12個應力應變傳感器，壓力計布置在距煤層上方堅硬老頂巖層中，旨在監測工作面老頂垮落過程中老頂上方的受力變化情況。上覆巖層移動采用YHD-30，YHD-50電阻式位移計進行測試。

在實驗中應力應變傳感器的安裝采用的是預埋方式，即模型鋪設到應力應變傳感器的設計高度時，將應力應變傳感器正確放置，并保證傳感器數據線能正常引出。

3 推進過程中覆巖垮落過程及特征分析

1)在距右側16 m處切眼，向左進行開挖，開挖第一步15 m。當工作面推進到45 m(斷層附近)時，出現初次來壓，可以清楚的看到來壓時巖梁破斷的形式，直接頂出現明顯裂隙跨落，隨后老頂跨落，垮落高度約22 m,如圖2所示。隨后，隨著工作面的推進，頂板隨采隨落。同時頂板上的巖層也隨著工作面的推進出現縱向和橫向裂隙，且裂隙隨工作面推進越來越大。

表1 模型相似材料配比表
Tab.1 Model similar material ratio

巖性序號原型模型厚度/m抗壓強度/MPa厚度/cm抗壓強度/kPa配比號材料用量各層總重/kg砂/kg石灰/kg石膏/kg水/kg硼砂/g老頂老頂5-23.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.395-13.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.39直接頂49.11122.679.1173621968.3345.552.2820.507.5975.928#煤359.8355968238.0930.313.470.843.4334.5直接底2539.17523545541.7230.003.763.764.1641.66老底老底1-23.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.041-13.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.04

2)當工作面推進到53 m時，巷道出現第一次周期來壓，老頂第一次周期來壓步距8 m。垮落高度約24 m。裂隙發育，出現明顯的離層，離層的最大高度為44 m,如圖3所示。

3)當工作面推進到61 m時，直接頂隨采隨垮，巷道出現第二次周期來壓，老頂第二次周期來壓步距8 m。垮落高度約48 m。裂隙發育，出現明顯的離層，離層的最大高度為48 m，如圖4所示。

圖2 工作面推進45 mFig.2 Work surface advancement of 45 m

圖3 工作面推進53 mFig.3 Work surface advancement of 53 m

4)當工作面推進到70 m時，頂板隨采隨垮，巷道出現第三次周期來壓，來壓步距約9 m，離層裂隙發育十分明顯，裂隙繼續向上發展，如圖5所示。

5)隨后每推進8～10 m出現一次周期來壓上覆巖層的裂隙也不斷向上發展，當工作面推進到100 m時，頂板出現明顯下沉的范圍為62 m，卸壓角為63°。

圖4 工作面推進61 mFig.4 Work surface advancement of 61 m

圖5 工作面推進70 mFig.5 Work surface advancement of 70 m

4 典型水平觀測線垂直應力、位移監測分析

分別從工作面頂板開始向上取觀測線，觀測隨工作面的推進，覆巖垂直應力、最大下沉量。通過數據讀取，得到以下覆巖應力與最大垂直下沉量分布曲線圖，如圖6、圖7所示。

由覆巖應力與垂直位移監測曲線可知，煤層開采過程中，采掘初期，煤層覆巖一定范圍內垂直變形近似呈“倒V”型分布，隨著工作面的推進，覆巖垂直變形由“倒V”型分布發展為“倒U”型分布；同時，在開切眼上方一定范圍(約5～15 m)和工作面前方(約5～20 m)形成集中應力區，此范圍內煤體應力增大，煤層透氣性進一步降低，煤與瓦斯突出危險性增大。

圖6 覆巖應力監測曲線Fig.6 Overburden stress monitoring curve

5 結論

以新景礦8#煤層開采資料為依據,通過建立相似模擬物理模型，開展煤層開采過程中覆巖應力和變形情況，通過相似模擬分析可以得出:

1)當工作面推進到45 m(斷層附近)時，出現初次來壓，來壓時巖梁破斷的形式，直接頂出現明顯裂隙跨落，隨后老頂跨落，垮落高度約22 m。

2)每推進8～10 m出現一次周期來壓，當工作面推進到100 m時，頂板出現明顯下沉的范圍為62 m，卸壓角為63°。

3)隨著工作面的推進，覆巖垂直變形由“倒V”型分布發展為“倒U”型分布；同時，在開切眼上方一定范圍(約5～15 m)和工作面前方(約5～20 m)形成集中應力區，煤與瓦斯突出危險性增大。