龍湖煤礦沿空留巷相似材料模擬試驗研究

李豫波,馬平云

(黑龍江科技大學 黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150022)

因巖層賦存狀態具有多樣性,不同層位的巖層和同一巖層不同區域的應力狀態均有差別。同時,地下空間受到采動影響,導致圍巖應力出現應力增高區和應力降低區。圍巖應力集中是導致圍巖發生塑性破壞的主要原因[1-3]。由于現場條件的限制,很難準確監測某一位置的圍巖應力變化。相似模擬試驗通過相似原理對現場條件進行縮放,可以較好地反映采場圍巖的應力狀態和破壞形式。

相似材料配比直接影響相似模擬試驗的結果,因此許多學者對相似材料配比進行了大量的研究。任大瑞等[4]研究了相似材料的尺寸、含水率、溫度和加載速率與試件強度之間的關系。崔寧坤等[5]、王君順[6]、王鵬等[7]、侯廷凱等[8]、詹志發等[9]通過正交試驗法,研究了原料組分對試件強度的影響,并找到了最優的模型材料及配比。李光等[10]用河砂、重晶石粉、鐵粉、云母片等配速干水泥,制作出了可以模擬巖體間軟弱夾層或結構面的動力學材料。以上學者為相似材料配比及選擇提供了重要參考,但已有研究主要集中在靜態參數方面,對動、靜參數同時討論的較少。

本文以七臺河龍湖煤礦為背景,選取細河砂、石膏、碳酸鈣為原料,通過正交試驗方法對相似材料的密度、抗壓強度、動態彈性模量、靜態彈性模量以及動態泊松比進行分析,明確了各因素對相似試件的影響規律。在此基礎上,開展了相似模擬試驗,揭示了巷旁堆積體的動態演化過程及規律,為控制巷道圍巖穩定性提供了參考。

1 相似材料模擬試驗

本文相似材料模擬試驗以龍湖煤礦63#煤層上方的粉砂巖為參照對象,其力學參數如表1所示。選擇龍湖煤礦63#右五工作面作為工程背景,基于相似理論,并結合工作面的實際情況以及實驗室實驗臺的尺寸,確定幾何相似比為1100。

表1 粉砂巖力學參數

1.1 試驗設計

設計的3個因素分別為砂膠比、碳酸鈣石膏比、水占比,每個因素分別設置4個水平(見表2)。L16(43)的正交試驗設計如表3所示。

表2 正交試驗的因素和水平

表3 正交試驗設計

續表

選用塑料雙開圓柱體模具,制作φ50 mm×100 mm的圓柱體試件(見圖1)。依據表3的配比設計進行相似試件制作。首先,將模具底座以及側壁均勻涂抹脫模劑,并組裝模具;接著,將原料攪拌均勻,加入適量的水,再次攪拌均勻;然后,將攪拌好的混合材料倒入模具,壓實、抹平,靜置2 min,進行脫模處理;最后,對試件進行自然風干。

圖1 相似試件

1.2 試驗方法

試件制作完成后,對試驗進行密度測定,并利用SonicViewer-SX巖石超聲波系統對試件進行波速測定(見圖2)。

圖2 試件的波速測定

通常認為動態泊松比和靜態泊松比是相等的[11],因此本文僅對動態泊松比進行探討。動態彈性模量Ed和動態泊松比μd的計算公式為

(1)

式中:ρ為相似試件密度;vs為橫波波速;vp為縱波波速。

為獲得試件的強度和破壞特征,使用黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室的TYJ-500KN試驗機進行單軸壓縮試驗。采用位移控制加載方式,加載速度為0.05 mm/s,直至試件破壞。部分相似試件的應力-應變曲線如圖3所示。正交試驗結果如表4所示。

圖3 部分相似試件的應力-應變曲線

對表4中試驗結果進行分析,發現相似試件密度、單軸抗壓強度、靜態彈性模量、動態彈性模量、動態泊松比的分布范圍分別為1.878 0～2.021 9 g·cm-3、0.612 7～1.312 8 MPa、9.562 4～86.277 1 MPa、3.37～6.78 GPa、0.201～0.345。

表4 正交試驗結果

2 試驗結果與分析

采用極差分析法,對表4中相似試件的密度、單軸抗壓強度、動態和靜態彈性模量以及動態泊松比數據進行統計,計算出相似試件各力學參數3個因素不同水平的平均值,并進行極差分析,結果如表5所示。

表5 相似試件的各力學參數極差分布表

由表5可知,3個因素對相似試件密度的影響程度為砂膠比>水占比>碳酸鈣石膏比;對單軸抗壓強度的影響程度為砂膠比>碳酸鈣石膏比>水占比;對動態彈性模量的影響程度為砂膠比>碳酸鈣石膏比>水占比;對靜態彈性模量的影響程度為砂膠比>水占比>碳酸鈣石膏比;對動態泊松比的影響程度為砂膠比>水占比>碳酸鈣石膏比。即3因素中砂膠比對相似試件的各力學參數起主導作用。

為了更直觀地描述3個因素變化對相似試件各力學參數的影響,根據表5繪制折線圖如圖4～圖8所示。

圖5 3個因素對單軸抗壓強度的影響

圖6 3個因素對動態彈性模量的影響

圖7 3個因素對靜態彈性模量的影響

由圖4可知,試件的密度隨砂膠比的增加而增大,且變化幅度較大;隨水占比的增加而增大,且變化幅度較小;碳酸鈣石膏比與試件的密度關系不明顯。由圖5可知,試件的單軸抗壓強度隨砂膠比的增加而減小,且變化幅度較大;隨碳酸鈣石膏比的增加,單軸抗壓強度也呈現減小的趨勢;隨著水占比的增加,

單軸抗壓強度呈現出增大的趨勢,但這種增加的程度較小,這說明水量的增加可以增強碳酸鈣和石膏的黏結作用,從而提高試件的強度,但增加的程度較小。

由圖6～圖8可知:試件的動態彈性模量隨砂膠比的增加而減小,且變化幅度較大,碳酸鈣石膏比、水占比與動態彈性模量的關系并不明顯;試件的靜態彈性模量隨砂膠比的增加而減小,這是因為膠料的減少降低了相似試件的剛度,靜態彈性模量隨碳酸鈣石膏比的增加而減小,水占比與靜態彈性模量的關系并不明顯;試件的動態泊松比隨砂膠比的增加而減小,且變化幅度較大,隨碳酸鈣石膏比的增加而減小,且變化幅度較小,水占比與動態泊松比的關系不明顯。

圖8 3個因素對動態泊松比的影響

3 多元線性回歸分析

通過對16組相似試件進行密度、單軸抗壓強度、靜態彈性模量、動態彈性模量和動態泊松比的研究,找出了3個因素對各參數的影響規律。

設因變量為y、自變量為xj(j=1,2,3),則回歸方程為

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3

(2)

式中ai(i=0,1,2,3)為回歸參數。

對正交試驗結果進行擬合,得到經驗方程

(3)

式中:y1為密度;y2為單軸抗壓強度;y3為靜態彈性模量;y4為動態彈性模量;y5為動態泊松比;x1為砂膠比;x2為碳酸鈣石膏比;x3為水占比。

由式(3)可知,3個因素和5個參數之間存在線性關系。在實際的物理相似模擬試驗過程中,將相似材料的3個影響因素代入式(3)中,能夠快速找到適合的相似材料配比方案,進而提高物理相似模擬試驗的效率。

4 相似模擬試驗應用

七臺河龍湖煤礦63#煤層右五工作面的走向長度為538 m、平均傾斜長度為137 m、傾角為20°、平均煤厚為1.4 m。直接頂為3 m厚的粉砂巖,基本頂為8 m厚的中砂巖,直接底為14 m厚的粉砂巖。工作面采用走向長壁后退式布置,綜合機械化采煤,并采用全部垮落法處理采空區。工作面的下巷采用切頂卸壓沿空留巷技術,留巷的巷道寬度為2.8 m。

試驗臺尺寸為100 cm×20 cm×100 cm(長×寬×高)。模型幾何相似比為1100,容重相似比為11.25,時間相似比為110。模型中巷道采用梯形巷道設計,巷道頂板沿煤層傾角布置。由于頂板切縫在模型鋪設過程中提前預留,故開挖時不需要考慮頂板切縫的問題。在模型左右兩側分別留設15 cm的邊界煤柱。

通過本次物理相似模擬試驗,進行煤層傾斜方向的開挖,在一定程度上反映沿空留巷側向頂板演化對圍巖的影響。在模型開挖初期,由于開采擾動以及巖層自身力學屬性的影響,煤層上方的巖層發生了離層、破斷和垮落現象。破斷的巖層沿著切縫面滑落到采空區,并在巷旁側堆積形成了巷旁堆積體(見圖9(a))。由于切縫面的存在,減弱了巷道頂板與煤體上方頂板之間的應力聯系。在該階段,巷道受應力變化影響較小,巷道圍巖的應力環境較好。隨著煤層的不斷開挖,煤層上覆巖層發生周期性垮落,并填滿了采空區(見圖9(b))。

(a)模型開挖初期

(b)模型開挖完成

在沿空留巷期間,巷旁堆積體受到上覆巖層運動的持續影響,始終處于動態變化之中。在巷旁堆積體形成初期,巖塊之間空隙較多,導致巷旁堆積體難以保持穩定,處于“自組織調整”狀態[12],雖然無法對上覆巖層起到有效的支撐作用,但仍然對巷道起到了一定的擋矸作用。隨著上覆巖層的不斷垮落,尺寸較小的巖塊逐漸填滿了巖塊間的空隙。在巖塊之間作用力、上覆巖層和堆積體之間作用力的共同作用下,巷旁堆積體逐漸形成穩定結構,并對上覆巖層起到了支撐作用。

上覆巖層的運動是長期且持續的。從圖9(b)可以看出,在巷旁堆積體承載上覆巖層期間,受到上覆巖層運動的影響,其整體變形較大,導致了擠壓巷道的現象。因此,在進行實際的沿空巷道工程時,應采取有效的措施防止巷旁堆積體擠壓巷道,以減小巷道的空間變形。

5 結論

(1)通過對正交試驗結果進行多元線性回歸分析,擬合了相似材料動、靜態參數的經驗方程,可為物理相似模擬試驗選取合適的相似材料配比方案提供參考。

(2)通過對相似試件的動、靜態力學參數進行極差分析發現:砂膠比對相似試件的密度、單軸抗壓強度、動態彈性模量、靜態彈性模量以及動態泊松比具有顯著的影響;隨著砂膠比的增加,試件的各力學參數除密度外均呈現減小的趨勢;隨著碳酸鈣石膏比的增加,試件的抗壓強度、靜態彈性模量以及動態泊松比均減小;隨水占比的增加,試件的密度和單軸抗壓強度均呈現增大的趨勢。

(3)在沿空留巷相似模擬試驗中,采用了本文提出的相似配比方案。結果表明在沿空留巷期間,巷旁堆積體受上覆巖層運動的持續影響,始終處于動態變化之中。在巷旁堆積體的形成初期,由于其結構尚未穩定,一直處于“自組織調整”狀態;當巷旁堆積體形成穩定結構后,受上覆巖層運動的影響,巷旁堆積體會發生擠壓巷道的現象。