采矿工程相似材料及模型试验研究

王 展

0 引言

采矿工程遇到的岩体由于形成的漫长历史年代中产生的层理节理，或在工程开挖影响下，发生不同程度破裂，采用连续介质数值模型不能很好地模拟分析潜在的岩块滑动、转动，也很难进行覆岩破裂过程变化的模拟;而相似物理模型试验能较好地再现力学破裂机理等特点，在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，较真实、全面、直观、准确地反映采场岩层的破裂、冒落和移动规律，以及岩体工程的整体力学特征、变形趋势及稳定性特点，在研究综放工作面覆岩运动及破坏规律方面具有显著的优势[1-4]。因此，本文以煤矿井田工程地质条件为背景，进行了相似材料配比实验;进而建立沿工作面走向的平面模型，从非均质岩体角度，探讨了覆岩变形破坏运动过程及破坏模式，以期为该矿覆岩离层控制提供指导。

1 井田地质状况

某煤矿一综放工作面位于21采区下山西部，该工作面为2-1特厚煤层，工作面标高为-490 m～-520 m，平均埋深为480 m。煤层总厚度为6 m～10 m，平均厚度为8 m。煤层结构简单，发育4层～5层夹矸。井田内大中型断层稀少，基本构造形态为一简单的单斜构造。工作面以长臂垮落法开采，工作面走向长度为1674 m，倾向长度为231.8 m。地层产状平缓，走向近东西，倾向南，倾角11°～13°，沿走向略有变化。煤田内基本构造形态为一简单的单斜构造、断层稀少。直接顶为深灰～灰黑色泥岩，老顶为砾岩。

2 相似材料的选择

相似材料主要包括骨料和胶结物。骨料多用河砂、滑石粉等;胶结物主要有石膏、石蜡、碳酸钙、水泥等[5]。在目前的模型实验中，以石膏为胶结物的相似材料脆性与岩石比较接近，弹性模量和抗压强度的调节范围较大，且制作工艺简单，材料来源方便，是国内外应用最为广泛的一种岩性相似材料[6]。针对煤系地层岩体强度小、容重小、弱胶结特性，本文试验选用石膏和石灰为主要胶结料，粒径小于0.05 mm的细砂为主骨料，并用云母粉模拟岩层的节理和层理。另外，考虑到石膏的胶结速度非常快，实验时在水中加入一定质量的硼砂，配成浓度为1%的硼砂溶液。

3 相似材料的配比实验研究

在进行相似材料配比实验时，按一定的配比(337，555，637，773，873五种配比)称量砂子、石灰和石膏，混合搅拌均匀;加入适量的浓度1%为硼砂水，搅拌后，倒入准备好的模子，做成直径×高=39.1 mm×70 mm的圆柱体试块;待模型干燥7 d后，将试块放于全自动三轴仪进行材料力学特性试验，得到相似材料物理力学特性如表1所示。

表1 相似材料模型的物理力学参数

相似材料三轴实验结果表明:当围岩较低或围岩为零时，试块承受的切向压力远大于径向应力，其破坏形式以剪切破坏为主;当围压较大时，试块近似处于三向等压状态，其破坏裂纹主要分布在试块表面，试块破坏的难度加大。此外，不同围压下，相似材料砂浆比越小，试块抗压强度越高，峰值应力越大，同一种材料，随围岩压力的增加，相似材料抗压强度和峰值应力同时增加，如图1，图2所示。

图1 同围岩下的相似材料应力—应变曲线

图2 不同围岩下的相似材料应力—应变曲线

相似材料配比实验表明:砂、石灰和石膏的胶结物强度变化范围较大，能使相似材料的强度性能、变形性能与原岩相似，且试验过程中材料性能稳定，满足物理模型试验的要求。

4 平面模型试验研究

平面模型实验能够真实、客观地反映采场岩层的破裂、冒落和移动规律，在上覆岩层运动和发展规律研究中具有显著的优势，为此本实验简化为沿煤层走向的平面模型，模拟采场宽度为200 m，模拟覆岩高度为150 m，其上未能模拟部分的岩层重力以重物加载的形式来体现。模型的几何相似比为1∶200，模拟实验在1000×250×1000(mm3)试验台上进行。采用配比号分别为555，637，773和337材料模拟上层覆岩、泥岩、煤层和底板，待模型干燥后在其上部施加重物荷载。由于煤层强度较低，工作面开挖以人工开钻的方式进行，假定采场实际开挖速度为10 m/d，则根据运动相似定律，求得模型开挖速度为每1.7 h推进5 cm。

工作面开挖后，在上覆岩层自重应力的作用下，泥岩层开始弯曲;离层由开切眼处向工作面推进向延伸，离层值增大。工作面岩层开始工作面推进80 m时，形成宽约为0.5 m，长约为50 m的离层。当岩层弯曲沉降发展到一定限度后，岩层端部率开裂、中部随后拉断，从而形成“假塑性岩梁”并垮落，形成非对称状、高约3 m的冒落拱。工作面继续向前推进85 m的过程中，中位岩梁瞬间垮落，形成更大的冒落拱;因碎落岩体基本充满采空区，从而相对有效地阻止了上覆岩层的变形、破坏和移动。当工作面推进120 m时，伴随上覆岩层离层、断裂，上覆岩层垮落，导致冒落拱沿工作面方向出现周期破坏。

实验室相似模拟实验的结果表明，在采场上覆岩层中形成一个冒落拱，其拱迹线由岩梁折断线和离层边界线构成。随着工作面的继续推进，拱内被裸露的岩层不断向上位岩层中发展、传递，离层亦即不断向上位岩层中传播，进而形成冒落拱的周期破坏过程。

5 结语

1)砂、石灰和石膏的胶结物强度变化范围较大，能使相似材料的强度性能、变形性能与原岩相似，且试验过程中材料性能稳定，满足物理模型试验的要求。

2)相似模拟试验再现了21121综放工作面覆岩运动和破坏的情景，覆岩冒落与工程实际相符，冒落的宏观成拱效应明显，表明试验结果真实可信。

[1]李海梅，关英斌，杨大兵.邯邢地区煤层底板应力分布的相似材料模拟分析[J].矿业安全与环保，2007，34(6):24-25，28.

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