缓倾斜煤层开采侧向支承压力分布特征模拟研究

司贤让

（河南神火煤电股份有限公司，河南 永城 476600）

缓倾斜煤层开采侧向支承压力分布特征模拟研究

司贤让

（河南神火煤电股份有限公司，河南 永城 476600）

为全面了解缓倾斜煤层开采后围岩应力分布规律，运用相似材料模拟法，以某矿综采工作面的实际工程地质情况为依据，分析了采场两侧向的支承压力分布情况及应力集中程度、应力峰值距煤壁的距离、支承压力的影响范围等因素，为该矿采区巷道的合理位置布置提供参考价值。

缓倾斜煤层；相似模拟；侧向支承压力；分布特征

相似材料模拟实验是以相似理论为基础，采用一定的人工材料代替天然岩体制成模型，去研究实际工程问题的实验方法。用相似材料模型试验可以直接观测到矿山压力的变化过程和内应力的作用情况，能人为地依据矿山压力作用下的围岩条件进行新技术、新方案的试验，可解决目前理论分析中尚不能解决的一些问题。

国内外学者在采动引起的支承压力研究方面，多侧重超前支承压力分布规律的研究。而分析侧向支承压力的分布特征，可以为巷道位置的布置及护巷煤柱的合理尺寸提供依据，从而避开应力峰值区，减少采动压力对巷道的影响。本文以某矿井的实际工程地质资料为依据，采用相似材料模拟方法分析侧向支承压力的分布特点，为今后多煤层采区巷道的布置提供参考价值。

1 相似模拟试验设计与制作

1.1 模拟的地质条件

以某矿15016工作面的地质条件为工程试验背景，采用平面模型研究缓倾斜煤层工作面侧向支承压力变化情况。该工作面煤层厚度基本稳定，结构简单，煤层厚度在3.0m～3.6m之间，平均3.4m；煤层埋深500m，倾角变化不大，在9°～15°之间，平均12°；煤层东西走向起伏较大，由东向西逐渐上坡。煤层顶底板情况：直接顶为砂质泥岩，距煤层顶板0.8m左右有1层0.1m～0.5m的煤线，该层易随采随落。直接底为一薄层泥岩，遇水易膨胀。

1.2 相似参数的确定

模型架的尺寸为2m×0.18m×1.7m（长×宽×高），根据相似原理，依据选定模型架尺寸及其他条件综合考虑，确定主要相似系数：几何相似系数aL=0.01，时间相似系数at=0.071，容重相似系数ar=0.6，应力相似常数aσ=0.006。由相似定理及以上各基本的相似系数，可导出如下相似系数：外力比ap=6.0×10-7,强度比af=0.006，泊松比 au=1。由于无现场应力场资料，可以近似认为是均质重力场，所以初始应力场是相似的。模型两侧由于干燥收缩和开采引起的开裂与实际不符，但留有较宽大的边界，所以边界条件也是近似相似的。

1.3 相似材料配比及用量

根据现场煤层顶底板岩层综合柱状图。利用RMT—150B(岩石材料试验机)测试系统，测得各岩层的岩石力学性质。选取细河沙、石膏和碳酸钙配制不同比例的相似材料。每组3块（10 cm×10 cm×10 cm），自然干燥7 d，进行抗压强度实验，取3个试件抗压强度的平均值作为该材料配比号的抗压强度。各岩层岩石力学性质和相似材料的配比如表l所示。

1.4 模型的制作及加载

模型的制作按以下步骤进行：①在模板内表面涂上机油，并将其安装固定在模型架两侧；②根据上述表格计算出的分层材料用量，分别称量所需砂、碳酸钙、石膏的重量，倒入搅拌机内，混合搅拌；③向混合料中加入一定量的缓凝剂（硼砂）和水，搅拌均匀；④将配制好的材料倒入模型架，用刮刀抹平，并捣固压实；⑤边上模板，边倒入材料，重复步骤①－④，直至设计高度；⑥干燥一周后，拆掉两侧模板，继续干燥两周后便可进行开采和观测。

表1 煤岩体物理力学参数及配比

需要注意的是，在模型制作时，应适当控制分层铺设的间隔时间（2min-5min），并在层与层之间撒入一定量的滑石粉来模拟层理面，在模拟煤层的材料中掺入适量的粉煤灰，以降低材料的容重，整个模型一次铺设完成。

模型顶部加载是为了补足模拟深度未能包括的那部分岩层重量。由于开采形成支承压力，虽然其随着远离煤层而趋向缓和，但由于模拟深度不大，上部边界载荷分布并非均匀，且受到岩性影响，因此需要在加载重物与模型之间安置具有适当刚度的介质层，使介质层和下方岩层的相互作用产生合乎实际的压力重新分布。此次试验采用杠杆加载，以重物块数及支点位置调节加载量。为防止加载偏心或杠杆因模型被开采而下沉变为斜置，故其一端装有调节螺杆以便随时将杠杆调平。为了保证加载的均匀性，载荷是通过杠杆加在矩形钢板（0.18 m×0.3m）上面，每个杠杆上加载块数为5块。杠杆间距为1.5m处。

2 试验模型的开采与观测

为研究煤层开采时侧支承压力分布特征，采用的测量系统为：JS-14型静态数字应变仪，DYB-1系列土式传感器。在己1煤层顶板左右两侧各埋设了9个传感器，与煤壁的距离分别为0.05m、0.10 m、0.15m、0.20m、0.25m、0.30m、0.35m、0.40m和0.50m。

试验中采用摄影测量法对模型进行拍照，照片能够直观反映了模型的变形和破坏过程。素描法能够弥补摄影法不能对模型所表现的现象进行确切的描述的不足。因此，试验中采用摄影测量及素描法相结合的方法研究上覆岩层的几何形态。

3 试验结果分析

模拟工作面回采时每4 h监测数据一次，并根据每个传感器标定方程，求出垂直应力，并换算成应力集中系数。为描述侧支承压力分布特征，将监测结果绘制成如图1所示的曲线。

根据图1可将煤体边缘分为3个区段：

I．小于原岩应力的应力降低区：靠边缘附近的煤体，可视为处于单向受力状态，其抗压强度较小，在高应力作用下，煤体已发生破坏。如果按压力特征分区，则塑性区处于压力下降区内，该区的垂直应力比原岩应力小。

II．塑性区：从应力降低区往煤体深处，由于层面之间的摩擦力作用，致使煤体在水平方向的挤压力增加，由单向受力状态逐步过渡到双向乃至三向受力状态。其抗压强度也逐渐加大，直至支承压力高峰。在该区段煤体中的应力已超过其弹性极限，煤体处于塑性变形状态。

III．弹性变形区段：从塑性再深入煤体，支承压力随远离煤壁而逐渐递减，直至恢复到原岩应力状态。结果表明此区域范围大于40m。

图1 己1煤层应力集中系数分布特征

根据图1煤层侧向应力集中系数变化所示。工作面侧向10m范围内，煤体的应力变化不明显；工作面侧向10m～30m，测点处煤体应力逐渐升高。这说明测点处煤体受到采动的影响，工作面侧向的15 m～25m区间，应力急剧上升，应力曲线斜率很大，应力峰值出现在此范围内，最大集中应力出现在煤壁前方的0～12m区段。工作面侧向30m～40m区段，煤体内应力急剧下降。相似模拟结果表明煤层开采后应力降低区范围为5m左右，最大应力应力集中系数达到3.4，峰值距煤壁25m左右。

4 结论

⑴采用相似模拟实验的方法，通过建立平面开采模型，成功地研究了缓倾斜煤层开采侧向支承压力的分布特点；但相似模拟模拟得到的变化曲线仅能反映侧向支承压力变化趋势，并不能精确预测其变化量，只有与现场实际观测数值相结合，才能有效的指导生产。

⑵根据工作面侧向顶板结构和顶板支撑结构的应力特点，将侧向分为如下区域：侧向小支撑结构保护区(塑性流动区)；侧向小支撑结构承载区(塑性流动区外边界)；大结构承载区(塑性软化区和塑性硬化区)；原始结构应力区。

⑶通过相似模拟实验发现，煤层开采时，在煤层采场两侧的支承压力集中系数平均达到2.9，峰值距煤壁距离约25m左右，侧向支承压力影响范围约40m。区段巷道的布置应避开应力高峰区，如采用沿空掘巷技术，巷道位置最好布置在侧向小支撑结构保护区(塑性流动区)即0～4m范围较合理。

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[3]黄乃斌，张向阳.近距离采空区下开采覆岩移动规律相似模拟研究[J].煤炭技术，2006，25(6):118.

[4]康全玉，刘明举，李化敏.采区岩层移动相似材料的模拟研究[J].焦作工学院学报，1999，18（2）：119-121.

[5]苏承东，勾攀峰，邓广涛.采矿平面应力相似模拟试验装置的研制[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2007，26(2):141-145.

Simulation Study of Abutment Pressure Distribution in Gently Inclined Coal Seam M ining

SIXian-rang

(Shenhuo Coal and Electricity Co.,Yongcheng Henan,476600)

To thoroughly understand the surrounding rock pressure distribution in gently inclined coal seam after themining,similarmaterial simulation was used to analyze the supporting stress distribution in both sides,stress concentration,distance between peak stress and walls,and influential range of abutment pressure on the basis of engineering geology condition,which is valuable for the rational roadway layout.

gently inclined coal seam;similar simulation;abutment pressure;distribution characteristics

TD315+.3

A

1672-5050（2011）10-0031-03

2011-08-21

司贤让（1980—），男，河南永城人，大学本科，助理工程师，从事煤矿现场安全管理和技术管理工作。

徐树文