薄煤層保護層開采相似模擬分析

王社新 王磊

摘 要：相似模擬實驗示意相似理論為基礎的室內實驗室實驗的一種模型實驗技術，是利用事物或者現象間所處在的一些相似特征規律來研究自然規律的一種科學手段，適用于難以用理論分析方法獲取結果的研究領域。本次采用相似模擬實驗主要研究深部薄煤層保護層開采之后觀察被保護層的應力場的變化以及被保護層的卸壓情況。

0前言

本次采用相似模擬實驗主要研究深部薄煤層保護層開采之后觀察被保護層的應力場的變化以及被保護層的卸壓情況。本文以64#煤層五采區左二片為基礎研究對象，根據相似原理進行調整有關地質條件以及力學參數。使其符合一般煤層開采規律。主要研究以下內容：保護層開采的保護范圍;保護層開采后被保護層的應力應變情況。

1相似模型設計

相似模型設計根據煤礦的實際工作面條件確定實驗的幾何相似比（原型幾何尺寸Lp與模型幾何尺寸Lm之比）選擇為。動力相似，根據實驗中選用的相似材料，以及我國煤礦巖石的密度，動力比例系數為。應力相似，從理論得知。由于泊松比為無量綱的參數，因此，相似材料的泊松比要與巖石的相同。模型材料選用石膏混凝土，其主要成分為砂子、石膏、石灰等，改變膠結劑和骨料的組分，可以模擬不同類型的巖層。砂子粒度以0.15mm～0.5mm為宜，石灰宜采用新鮮燒透的灰塊，石膏為熟石膏。

⑴ 試驗加載值計算

對于模型上未能模擬的上覆巖層厚度，需用加載的方法來模擬，模型上需要施加的重力載荷為：

式中——上覆巖層容重，其平均值約為25KN/m3（泥巖容重），。

其中：在相似材料模擬試驗參數取值為：

H從地表至煤層的上覆巖層厚度，650m

H1—— 煤層上面模型模擬的巖層厚度，44m

即：=113.63KN

為彌補模型與槽鋼檔板之間的摩擦力引起的載荷損失，需補償摩擦力載荷qm2以減小摩擦損失，要求將模型每邊的槽鋼置于同一豎直面內，且模型材料與槽鋼之間鋪一層有機玻璃紙或塑料薄膜夾黃油。取四周摩擦阻力系數f=0.2，以極限應力狀況估計摩擦補償載荷，單位長度（cm）上的摩擦力可按下式計算：

式中：

沿傾斜方向的相似材料模擬模型共需補償載荷為：

=113.630.21+0.751=23.48KN。（ 泥巖容重 ）

根據以上公式計算得：

相似模型所需補償載荷約為：Pm=23.48KN。

⑵加載方式

相似模型試驗采用施加配重進行配置。

2相似模擬實驗過程

（1）模型的開采

根據現場的開采的實際情況，計算模擬開采距離，每次開開采2cm間隔一小時之后進行觀測。

（2）監測點的布置方式

在模型上每隔5cm就布置一個監測點，一共布置19條監測線每個監測線上每隔5cm布置一個監測點，從上至下均勻分布。

（3）壓力傳感器的布置

實驗用BX-1型壓力傳感器來測定應力的分布情況。

（4）觀測方法

①位移觀測方法。測點位移采用水準儀進行位移觀測;

②應力觀測方法。應力觀測采用的應力觀測為BX系列傳感器。

3被保護層應力場變化分析

在被保護層開采過程中，應力隨著保護層的推進也發生著變化。隨著保護層工作面的推進，這個實驗模型應力也經歷了原始應力、應力集中、卸壓、應力恢復幾個階段。保護層開采過程中，單個測點應力變化如圖2所示。開挖過程中多個測點應力變化如圖3所示。開挖后應力整體變化如圖4所示。

如圖4、5所示，在距離測點30-20m處，應力基本未發生變化，此時測得的應力為原巖應力，約為10.1MPa左右。在工作面距離測點10-15m處，，應力迅速增大，出現應力集中，應力集中一直持續到工作面超前測點10-15m處。此處應力集中區。在工作面超前測點10-15m處，應力急劇下降最低應力降到了3.8MPa。在工作面超前測點30m左右出現了最大卸壓。開挖后應力整體變化如圖4-10所示，在距切眼后20-65m處為卸壓區;在80m處為應力集中區，此處應力大于原始應力。

4結論

在相似模擬理論和新興煤礦地質條件的基礎上確定了相似模擬方案和相似模擬參數，通過保護層的開采相似模擬實驗對保護層開采的過程中被保護層的變形場、應力場變化進行了考察。在距測點20cm處應力迅速增大，出現應力集中現象;在距測點20cm處發生卸壓，應力急劇下降到9.5MPa左右，小于原巖應力。

參考文獻

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作者簡介：第一作者：王社新（ 1969-） ，男，吉林榆樹人。1994年畢業于黑龍江科技學院采礦工程專業，高級工程師，現任龍煤雙鴨山公司生產技術部部長，長期從事煤礦安全、生產、經營管理工作。