间距对上保护层开采保护效果影响的相似模拟实验研究*

施　峰, 王宏图, 舒　才

(重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

0　引言

我国煤炭赋存特点决定了矿井瓦斯突出威胁长期存在[1]。保护层开采是2种主要区域消突措施之一，国内外学者从现场考察、数值模型、理论分析等方面对此进行了大量研究[2-5]。保护层开采效果的影响因素众多，其中层间距是主要影响因素之一。

《防治煤与瓦斯突出规定》中给出了上保护层开采最大保护垂距及卸压角的经验值，但未确切给出上保护层开采保护效果与煤层间距之间确定性关系。目前上保护层开采保护效果与煤层间距之间关系的研究对象多为近水平煤层群或倾斜煤层群的走向保护效果[2-3,5]，部分上保护层开采沿煤层倾向保护效果的研究仅局限于保护角或保护范围的单一保护效果指标效果分析[4]。

本文以南桐矿区同一对保护层与被保护层相同埋深相同倾角不同层间距的上保护层开采为工程背景，以倾斜方向的保护效果为研究对象，进行近距离(25 m)，远距离(45 m)，超远距离(65 m)上保护层开采相似模型实验[6-8]，从被保护层卸压规律、基于膨胀变形的上下边界卸压角和倾向保护范围3方面综合分析上保护开采保护效果随层间距的变化规律。

1　实验方案

1.1　研究对象概况

南桐矿区煤层赋存条件复杂，受地质构造影响煤层间距变化显著，矿区内主采煤层C4,C6层间距变化范围25～70 m。C6煤层埋深平均约为650 m，位于C4上方，煤层平均倾角为45°，平均厚度分别为C4煤层2 m和C6煤层1.5 m。两层煤均具有突出危险性，矿区内矿井多选择突出危险性较低的C6煤层进行上保护层开采，消除下部C4煤层突出危险性。C6保护层开采工作面长度平均约为70 m。

通过对矿区主要煤岩层进行单轴压缩和巴西试验，得到如表1所示岩石力学参数，为制作相似材料试件提供基础。

1.2　实验装置参数

实验装置采用可旋转物理相似模拟实验台。有效尺寸为2 000 mm×2 000 mm×300 mm；倾角可调节模拟0～70°范围内煤层倾角变化；顶部采用杠杆加砝码方式补偿地应力以模拟开采深度。为减小边界效应，将工作面开挖区域布置在模型架对角线附近，并结合原型开采区域几何形状确定几何相似比1∶100。

表1　各煤岩层的物理力学参数

1.3　相似模型设计

1)相似模型保护层间岩性的确定

在上保护层C6与被保护层C4间存在6层物理力学性质不同厚度各异的岩层，改变层间距必须引起层间每一岩层厚度的变化，造成了层间距对上保护层保护效果研究的困难。相关研究表明采用厚度加权平均方法将多层岩层合为一复合介质岩层或引入层间硬岩含量系数构建简化模型[6,9]仍可以体现层间岩层整体力学性质。本文选择采用厚度加权平均方法消除层间岩性因素的影响，即:

(1)

式中：Xi为复合岩层中第i分层的某物理力学参数在该复合岩层的加权平均值;li为复合岩层中第i分层的厚度;n为复合岩层中的自然地质分层数。表2中层间复合岩层综合了表1中C4，C6间各岩层物理力学性质。

2)相似模型保护层间距的选取

矿区内主采煤层C4，C6层间距变化范围25～70 m，根据《防治煤与瓦斯突出规定》确定的最大保护垂距及上保护层开采下伏岩层分区相关研究[6,12]，确定进行25 m近距离、45 m远距离、65 m超远距离上保护层开采保护效果随层间距的变化规律研究。

3)相似材料配比的确定

基于上保护层开采卸压机理，相似模拟实验需保证满足动力相似和变形相似，即保证以下参数相似[10]：

(σ拉)m=Lm/L0×γm/γ0×(σ拉)0

(2)

(σ压)m=Lm/L0×γm/γ0×(σ压)0

(3)

Cm=Lm/L0×γm/γ0×C0

(4)

tan(φm)=tan(φ0)

(5)

Em=Lm/L0×γm/γ0×E0

(6)

νm=ν0

(7)

式中:(σ拉)m和(σ拉)0分别为模型和原型抗拉强度，MPa；γm和γ0分别为模型和原型容重，MN/m3；(σ压)m和(σ压)0分别为模型和原型抗压强度，MPa；Cm和C0分别为模型和原型黏聚力，MPa；φm和φ0分别为模型和原型内摩擦角，(°)；Em和E0分别为模型和原型弹性模量，MPa；νm和ν0分别为模型和原型泊松比。

根据动力相似和变形相似要求、模型架尺寸确定的1∶100几何相似比和表1中原始煤岩层物理力学参数可确定相似材料及配比。

本次实验选择河沙、石膏和石灰作为相似模拟材料，通过制作不同配比的标准试件并进行单轴压缩实验[11]。最终确定相似材料配比、力学参数见表2。

表2　模型相似材料配比及物理力学参数

注：*3次实验分别取250，450，650 mm。

1.4　测试装置布置及相似模型制作

在保护层开挖的同时对模型变形进行观测，并采集被保护层应力的变化数据[13-15]。应力测试系统由电阻应变仪和预埋设已砂标的BX-1型高精度压力盒组成，用来测定保护层工作面开挖前后被保护层内的压力变化情况；应变测试采用网格法，数据采集装置为1台Sigmar公司ASMD3-16电阻应变仪；并将被保护层膨胀变形量作为保护层开采保护效果的考察参数[7,9,13,16]。

相似模型铺设每次上架厚度不超过20 mm，充分压实，并在层间撒适量云母粉作为分层弱面。因在模型开挖阶段，C6煤层开挖区域上下边界在C4煤层中的对应位置附近是C4煤层变形膨胀的极小值区，是确定倾向保护角和划定保护范围的关键区域。在这2处按图1所示等间距安装压力盒。

模型铺设完成后在模型上方用砝码杠杆施加预定压力，模拟设计开采深度。根据原型埋深确定施加质量为10 kg的砝码57个。

图1　相似模拟压力盒安装示意Fig.1　Schematic diagram of installment of pressure transducers

2　实验步骤

模型养护达到预定时间(20～30 d左右)，模型强度达到设计要求即进行模型开挖。开挖位置为模型中C6煤层中部，开挖长度为700 mm，如图1所示。在工作面开挖前检查并确保数据采集系统正常工作后记录清零并开始数据采集。在实验过程中利用2 848×4 288像素的高精度数码相机记录上保护层开采过程中模型表面宏观变形情况。数据采集直至工作面开挖完成上覆岩层变形稳定，并保存实验过程的所有数据和照片。

3　实验结果分析

3.1　不同层间距被保护层卸压规律

将层间距为250，450，650 mm的上保护层开采模型实验的被保护层压力盒卸压数据在图2中叠加，得到不同层间距的被保护层卸压曲线。图2中纵轴表示卸压值，横轴表示距保护层开挖区域中心线的层面距离；横轴位置被保护层卸压值为0，即原始地应力；卸压值大于0表示地应力小于原始地应力；卸压值小于0表示该位置地应力大于原始地应力，即发生应力集中。

图2　不同层间距下被保护层卸压曲线Fig.2　Unload pressure along the protected layers of physical similar simulation test with varying stratum distances

1)被保护层应力卸压曲线特征

从图2中可知不同层间距被保护层卸压曲线均呈“凸形”：曲线两侧斜率较大，即开挖区域上山及下山方向卸压程度变化较大；曲线中心线附近相对平坦，即开挖区域中心卸压值趋于平缓；在卸压曲线两翼边缘接近原始地应力位置不同层间距的卸压曲线与横轴的交点位置存在错动，此处不同层间距卸压曲线的规律性不显著。

随着层间距增大，卸压曲线整体高度降低，说明层间距增大导致整体卸压程度降低；卸压曲线两侧斜率降低，说明层间距增大导致应变变化程度下降；被保护层卸压范围上下边界应力集中程度下降；卸压曲线右侧降幅大于左侧、卸压极值位置偏于纵轴左侧，与下保护层开采上被保护层卸压极值位置偏向开挖区域上山方向的特征相反[16-18]。

2)被保护层卸压范围

①被保护层小于原岩应力的卸压范围

图2中不同层间距卸压曲线在横轴上的截距即为被保护层倾向上小于原岩压力的卸压范围，卸压曲线在横轴上的截距中心与保护层工作面中心线沿层面距离为距保护层开挖工作面中心线偏移距离。不同层间距被保护层中小于原岩应力的卸压范围见表3。

表3　不同层间距小于原岩应力卸压范围特征

从表3可以看出，随着层间距增加，小于原岩应力的卸压范围从669 mm减小为504 mm，呈单调减小趋势；距保护层开挖工作面中心线偏移距离从-50 mm增大为-46 mm，说明卸压中心随层间距增大总体向保护层开挖工作面中心线方向靠近。

②卸压曲线顶部最大卸压值和应力释放率

不同层间距条件下得到的卸压曲线顶部最大卸压值、最大应力释放率列于表4。

表4　不同层间距卸压曲线顶部最大卸压值

表4说明随着层间距增大，最大应力卸压值与最大应力释放率均呈下降趋势，说明上保护层开采对下被保护层最大的卸压影响程度逐渐减小。

③被保护层上下山方向应力集中系数

由于层间距0.45 m的上保护层开采相似模拟实验中压力盒主要布置于被保护层的卸压范围内，未能观测到被保护层上下山方向的应力集中情况，表5仅列出层间距为250，650 mm上保护层开采相似模拟实验的保护层开挖区域中心线左侧427.6 mm，右侧377.5 mm处的应力集中系数。表5中随着层间距增加被保护层卸压范围上下边界应力集中程度均呈下降趋势。

表5　上下山方向应力集中系数变化

④上下山方向卸压曲线斜率

表6中横轴以上卸压曲线两侧斜率均随层间距增大而减小，右侧斜率减小速度大于左侧斜率减小速度，即随层间距增大被保护层卸压区域内上山方向卸压程度变化大于下山方向卸压程度变化。

表6　卸压曲线横轴以上部分的平均斜率

3.2　不同层间距保护角、保护范围变化规律

按《防治煤与瓦斯突出规定》要求，在保护层与被保护层的层间距离、岩性及保护层开采厚度等变化不大情况下被保护层膨胀变形量3‰作为同一保护层和被保护层的保护范围边界准则。将模型中被保护层垂直层面方向的表面膨胀变形量大于3‰区域划定为被保护范围，膨胀变形量的观测位置及观测值在图3中叠加。

图3　不同层间距膨胀变形曲线及保护角保护范围计算Fig.3　Swelling deformation curve with varying stratum distances & calculation chart of protective angle and protected scope

1)被保护层上下边界保护角与层间距关系

根据图3，仿照《《防治煤与瓦斯突出规定》中卸压角概念定义下边界膨胀变形保护角δ3(简称下边界保护角)由膨胀变形曲线在保护层开挖区域下边界附近3‰的点与保护层开挖区域下山方向边界的距离及层间距确定：

(8)

式中：u3为膨胀变形量为3‰的点距保护层开挖区域下边界的距离；h为上保护层开采层间距。

上边界膨胀变形保护角的计算与下边界类似。根据式(8)得到上保护层开采上下边界的卸压角，如表7所示。

表7　保护角及与《防治煤与瓦斯突出规定》划定卸压角对比

从表7可以看出，下边界保护角大于上边界保护角；随着上保护层开采层间距的增大，保护层工作面上下边界保护角发生变化，但变化幅度不大；下边界保护角平均为77°，上边界保护角平均为67°，均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中以45°煤层倾角确定的上保护层开采上下边界卸压角，说明了上保护层开采过程中将下被保护层膨胀变形量大于3‰作为保护准则相对《防治煤与瓦斯突出规定》中按煤层倾角划定的上保护层开采保护范围偏于安全。

2)被保护层倾向保护范围与层间距关系

根据上保护层开采上下边界保护角确定被保护层倾向保护范围；以保护层工作面倾向中心点为参考，定义被保护范围倾向中心与保护层工作面中心点的倾向距离为倾向中心偏移距，用来确定保护范围的整体位置。倾向中心偏移距以偏向上山方向为正，偏向下山方向为负。被保护层倾向保护范围及倾向中心偏移距如表8所示。

表8　保护范围大小与倾向中心偏移距随煤层间距变化

由表8可知，随着层间距增大保护范围呈加速减小趋势，如图4所示，且保护范围倾向中心随着层间距增大向下山偏移。表8中对于不同的层间距，以膨胀变形量3‰确定的保护范围均小于按《防治煤与瓦斯突出规定》中基于煤层倾角划定的保护范围，因此以膨胀变形量大于3‰划定的保护范围偏于安全。

图4　保护范围随层间距变化Fig.4　Protected scope variation with inter coal seam distance

4　结论

1)上保护层开采被保护层卸压曲线呈“凸形”，“凸形”中心线偏向下山方向。“凸形”底部被保护层小于原岩应力的卸压范围与“凸形”顶部卸压曲线顶部较大卸压的范围均呈减小趋势。两者中心位置均向下山方向转移，且后者速度快于前者。

2)随着层间距增大，被保护层卸压曲线中低于原岩应力的卸压范围的卸压程度及高于原岩应力的应力集中范围的应力集中程度均呈减弱趋势，低于原岩应力的卸压范围内卸压程度在上山方向比下山方向上变化大。

3)以垂直层面方向膨胀变形量3‰确定的上下边界膨胀变形保护角均小于《防治煤与瓦斯突出规定》按煤层倾角确定的上下边界卸压角，因此以下被保护层垂直层面方向膨胀变形量大于3‰作为保护准则相对按《防治煤与瓦斯突出规定》中按煤层倾角划定的保护范围偏于安全。

4)不同层间距上保护层开采的保护范围均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中按煤层倾角得到的保护范围，且随着层间距的增加以垂直层面方向膨胀变形量确定的保护范围呈加速减小趋势。

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