基于相似模拟的倾斜煤层开挖后的应力分布研究

刘培涛 杨军伟 何成亮 杨迎松

摘 要：贵州省赋存有大量的煤炭资源，其中有相当一部分煤层埋藏较浅，大部分集中埋于150m以内且属于倾斜煤层。而基于相似模拟倾斜煤层开挖后的应力分布研究对贵州地区煤层及倾斜煤层的应力支护和瓦斯抽放有极大研究意义。对试验地点矿压显现进行前期的矿压观测，总结分析已有的相关研究成果，收集掌握和论文内容相关的地质资料、技术信息，为相关研究奠定基础。再主要运用岩石力学、结构力学、弹性力学、矿山压力等理论，在理论上对倾斜煤层开挖后的应力分布规律进行理论分析。最后通过相似模拟辅助理论分析完成倾斜煤层开挖后应力重新变化分布规律研究。本试验以盛远煤矿40803工作面现场地质条件为原型，运用相似模拟试验的方法，研究覆岩裂隙变化和采场围岩应力变化特征，为确定合理的地表变形控制技术提供科学依据。

关键词：倾斜煤层;应力分布;相似模拟;模型开挖

0引言

目前，相似模拟[1-3]试验方法是针对矿山压力的主要研究方法之一，是以相似理论为基础的模型试验技术。该方法可以详细的研究工作面在推进过程中巷道与工作面的岩层中所发生的机理现象，实现使用少量人力物力即可进行各种条件下的模拟工作，且花费时间少，被应用于国内的诸多矿山中。但在相似材料配比的确定过程中，一般很难有效地确定试验配比使配制出来的试验材料达到预想的物理力学性质，需反复试验并调整，并且还需要考虑影响配比过程中的各个因素间的交叉影响，耗费大量的时间，这给相似模拟试验带来一定的困难，同时严重影响试验数据的准确性。

1 工程概况

盛远煤矿试验保护层工作面为40803工作面，位于斜四采区东翼，北邻40801工作面采空区，南为待布置的40805工作面。该面绝大部分已受上覆4#层40403、40405工作面开采所保护。地表标高在+1885～+2122m，试验工作面运巷标高+1692m左右，回风巷标高+1723m左右，距地表垂深162m～399m。工作面走向长平均400m，倾斜长平均118m。

40803工作面主要开采8#煤层，产状较稳定，受断层影响较小，煤层倾角7°～11°，平均9°，煤厚1.64～1.38m，平均2.32m，容重1.5t/m3，其顶板上部为泥岩或粉砂岩，中部多为中厚层状的细砂岩，具波状层理和水平层理，厚0～6m，一般3m;下部为薄层状粉砂岩、泥岩，厚0～12.6m，一般4.58m。底板上部为泥岩，含粘土质，一般厚2.00m。下部多为层状结构的中厚层状细砂岩或粉砂岩，厚0～18.57m，一般9.29m。8#煤层呈单斜构造，埋藏深度大，瓦斯含量高，由于受上保护层4#层的保护，采掘过程中未发生煤与瓦斯动力现象，但掘进期间瓦斯涌出量已达3m3/min以上。40803工作面综合柱状图如下图1所示。

2相似模拟模型方案设计

2.1 相似模型构建

设计的模型为平面应力模型，尺寸为长×宽×高=400cm×30cm×180cm。根据工作面的地质构造条件，从煤层底板开始，首先铺设下部岩层，然后结构面通过撒上云母粉来模拟，之后上部地层模型用同样的方法制作。试验前在距离模型一侧边缘50cm处开挖切眼，切眼宽度2.4cm，高度2.6cm，按1：100的比例设计。模型两边各留50cm边界煤柱，如下图2所示。

在水平和垂直方向上分别每隔40cm、40cm设置一条观测线，在模型表面形成纵向和横向40cm×40cm的方格，地表位移监测点沿地表线布置，间距为40cm，通过工作面开采过程监测上覆岩层的运移变化规律、垮落状况，及地表垂直和水平位移情况。

盛远煤矿40803工作面相似模擬试验开挖过程设计：本次实验中使用的模型架尺寸为长×宽×高=4m×0.3m×2.0m，可模拟断面最高为2.0m，本次实验需在模型上部加载作为应力补偿，以模拟松散层及矿山压力的影响作用，故模型尺寸定为4m×0.3m×1.8m，实际模拟断面高度180m。工作面开切眼采高2.5m。

2.2相似常数的选取

依据相似理论并结合实际实验模型现确定相似常数如下：

（1）几何相似常数：

本次实验中使用的模型架尺寸为长×宽×高=4m×0.3m×2.0m，可模拟断面最高为2.0m，本次实验需在模型上部加载作为应力补偿，以模拟松散层及矿山压力的影响作用，故模型尺寸定为4m×0.3m×1.8m，实际模拟断面高度180m，几何相似常数取 =100。

（2）容重相似常数：

原型中的岩层多为粉砂质泥岩、泥岩和粉砂岩，根据以往经验，容重相似常数取为 =1.5。

（3）应力相似常数：

应力相似常数为：  =1. 5×100=150，实际工作面距地表的高度平均为89.3m，制作模型时需模拟煤层底板下部岩层90.7m，共计180m。

模拟方案定为 1：100，模型铺设高度为180cm，模拟岩层断面高度为180m。上覆岩层容重按25KN/m3计算，本次试验主要研究工作面开采地表的变形情况，模型顶板达到地表，即不需要施加覆岩荷载。

（4）时间相似常数：

按现场正规工作，实验开挖一天开挖42cm，400cm长的模型共开挖7d。

（5）相似材料配比及分层用量

根据相似材料的性质及模型的特点，本实验选取河砂、石灰、石膏、云母粉和水做为原材料。由实验室掌握的相似材料配比实验资料，确定相应岩层的相似材料配比及材料用量，见表1-2。其中材料用量的计算以模型分层为条件，每一个模拟地层为一个计算单元，通过相似常数的利用，分别计算出各层原材料用量，材料配比基本计算公式如下：

2.3模型位移监测点布置

在水平和垂直方向上分别每隔40cm、40cm设置一条观测线，在模型表面形成纵向和横向40cm×40cm的方格，地表位移监测点沿地表线布置，间距为40cm，通过工作面开采过程监测上覆岩层的运移变化规律、垮落状况，及地表垂直和水平位移情况。

3相似模拟结果分析

3.1覆岩“三带”范围划分

通过覆岩下沉规律分析，并结合覆岩破坏结构理论中长壁工作面开采后在采空区形成的“三带”（即垮落带，裂隙带和弯曲下沉带）计算特征，预测现场工作面覆岩“三带”划分范围为：垮落带范围为主采15#煤层上方第一层黑色泥岩到第六层石灰岩，高度为10～13m;裂隙带范围为煤层上方第七层黑色泥岩到第十六层煤岩互层，高度为15～54m;弯曲下沉带范围为裂隙带以上直至地表层。如图4所示。

3.2 采场应力分布规律分析

在制作相似模型的过程中按设计方案将应力传感器预埋布置在相应设计位置，在相似模拟模型煤层开采时，应力应变数据采集仪将应力传感器采集数据进行收集转换并将实时应力变化数据存储到电脑，直至模拟最终开挖结束。根据相似模拟事业结果处理得到煤层未开挖、初次来压、第一次周期来压、第二次周期来压数据曲线图如下图5所示。

由图5可以看出，随着煤层不断向前开采的过程中，在工作面前方约5～15cm范围出现应力增大现象，而且，随着工作面不断向前推进，该应力集中也随着工作面的推进而不断向前移动，且底板应力最大值也不断变大。在采空区中部下方煤岩层的应力呈现降低现象，在采空区后方100m外煤岩层应力逐渐开始趋于稳定。 由图5可以看出，随着工作面的推进，上覆岩层不断发生破断、垮落，然后应力变化通过煤层传至底板的应力传感器，由于采空区岩体散乱，应力释放，而两侧要支撑起原有应力，还会产生应力集中现象，因此导致开切眼附近以及工作面前方的应力大于原本的应力值，而采空区应力大大减小。并且，随着推进的渐渐深入，采空区面积增大，应力最大值也越变越大。

参考文献：

[1]程远平，俞启香，袁亮.上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽采技术[J].辽宁工程技术大学学报，2003，22（4）：483-486.

[2]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

作者简介：

刘培涛（1996.03-）男，汉族，贵州省瓮安县，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究

项目基金：贵州省大学生创新创业训练计划项目（2018521022）

（六盘水师范学院 礦业与土木工程学院   贵州 六盘水 553004）