软岩巷道变形破坏相似模拟研究

2010-09-09薛道成

中国煤炭 2010年7期

关键词：老顶采动煤柱

薛道成

(山西焦煤西山煤电集团公司,山西省太原市,030053)

★煤炭科技·开拓与开采 ★——兖州煤业股份有限公司协办

软岩巷道变形破坏相似模拟研究

薛道成

(山西焦煤西山煤电集团公司,山西省太原市,030053)

应用相似模拟研究手段,对无支护条件下巷道变形特性及机理进行研究。认为受采动影响,老顶发生整体下沉、直接顶具有起尖上举的趋势。底板总体以上升、隆起为主,最终表现为底鼓。巷帮在采动影响前、中、后期均表现为内移加速、平缓、减速的规律。顶板受力来源于老顶层间错动、采动水平扰动应力、老顶来压等,底板受力来源于顶板上覆岩层重量及采动应力,两帮受力来源于采动应力条件下的能量释放和扩容变形应力。

软岩巷道沿空巷道巷道变形相似模拟变形机理

AbstractIn this paper,the property and mechanism of deformation of soft rock entries under no-support condition are discussed by the method of resembling simulating experiment.The result of the research shows that under the influence of mining,the main roof as a whole tends to sink while the immediate roof tends to rise vertically.The floor as a whole,tends to heave and floor heave is the final phenomenon.The entry ribs show the rule of accelerating inward moving, inward moving at even speed and then decelerating inward moving in the early,intermediate and later periods of mining-induced influences,respectively.The stress source on roof comes from main roof’s interlayer dislocation,mining-induced horizontal stress and main roof pressure,etc. while stress on floor comes from weight of the overlying strata on the roof and the mining-induced stress energy and the stress on both ribs comes from energy released from mining stress and the volume expanding stress.

Key wordssoft rock entry,entry alongside gob area,entry deformation,similar simulation,deformation mechanism

本文针对软岩巷道支护研究项目,为了搞清软岩巷道在开掘过程中的变形破坏机理及特征,设计了二维相似模拟模型,对无支护条件下回采沿空留巷及掘巷开挖过程中的顶底板移近、岩层破断规律等作了定量和定性综合研究。

1 方案设计

1.1 模拟岩层条件

模拟试验依据古交矿区复合顶板煤岩层地质条件进行。主采6#煤层平均厚度1.7 m,倾角12°。根据放顶煤软岩条件下覆岩结构判定的理论分析,试验范围内采场基本顶由中砂岩和细砂岩组成。相似试验煤岩层的岩性及其物理力学参数见表1。

1.2 试验模型的建立

1.2.1 相似条件的确定

考虑到放顶煤开采条件下覆岩活动范围较大,且分析基本顶位态特征与护巷煤柱稳定性之间的关系,试验选用1.6 m平面应力相似材料模拟试验台,试验台由框架系统、加载系统和测试系统3部分组成。模型的几何相似比为1∶70,根据相似原理与量纲分析,容重相似常数为1.56,应力相似常数112.7,时间相似常数8.37。由此可以确定模型的力学强度,进而确定材料的配比。

1.2.2 模型铺设

相似材料为砂子、CaCO3、石膏和水,按表1确定的配比来模拟煤岩层。模型沿水平方向分层铺设,分层捣实后,分层间撒上滑石粉、云母粉,模拟岩层的层面和节理裂隙等弱面。当岩层厚度大时,每层分次铺设,分次捣实后,撒上滑石粉、云母粉,模拟岩层的层面和节理裂隙等弱面。模型尺寸 (长×宽×高)为160 cm×14 cm×150 cm。由于煤层埋藏深度为250 m,模型上覆岩层产生的垂直应力一部分由铺设于模型的94 cm覆岩 (相当于实际厚度65.8 m)自重形成,剩余部分厚度的重量通过外力补偿法进行模拟。

表1 试验模型配比计算表

2 试验方法与步骤

为了分析采场基本顶的位态及其对直接顶和区段保护煤柱稳定性影响,在模型的基本顶岩层、下区段回风平巷顶板以及煤柱岩层上布置位移观测点,同时在煤柱内、巷道顶板和底板内埋设应变片。模型两边各留30 cm的边界,以消除边界效应,模型中采高16 cm。模型具体巷道、煤柱位置关系及测点布置如图1所示。

图1 模型应力测点布置与开采方式示意图

根据试验目的,为避免图1所示的14 cm煤柱与22 cm煤柱试验现象相互干扰,开挖过程具体步骤设计如下:

(1)开挖1#巷道 (即1#工作面运输巷);

(2)以1#巷道周边应变计数值达到稳定时,间隔14 cm煤柱开始开挖2#巷道,以此作为2#工作面的回风巷;

(3)当1#和2#巷道周边应变计数值稳定时,自模型左边界开挖1#工作面,在保证模型稳定的前提下,快速开挖到1#巷道位置;

(4)将2#工作面的回风巷 (2#巷道)视为3#工作面的运输巷 (即上区段回风巷留作下区段运输巷),当2#巷道周边应变计数值稳定时,间隔22 cm开挖3#工作面的回风巷 (3#巷道)。

(5)开挖14 cm煤柱,用来模拟2#工作面的开挖 (以此模拟沿空留巷采动破坏情况),当22 cm煤岩柱上应变数值稳定时,停止试验。

3 巷道围岩变形分析

3.1 巷道围岩变形破坏分析

巷道变形破坏形式如图2～图4所示。图2为沿空巷道 (2#巷道)顶板和两帮破坏情况,表现为沿着巷道上角基本垂直向上贯穿顶板的裂隙,采空侧 (2#工作面已采空)裂隙延伸的深度和宽度较实体煤侧大。采空区侧煤帮表现为竖直方向剥落破坏,实体煤帮上部表现为刚性剪切断裂破坏,实体煤帮下部表现为缓慢塑性剥落破坏。图3为沿空巷道 (2#巷道)底板破坏情况,表现为底板向上鼓起,靠近采空侧底鼓量较实体煤侧大。图4为沿空留巷采空侧人工砌体破坏情况,表现为砌体墙在移动支承压力作用下,由稳定缓慢压缩塑性变形到受压张拉鼓帮劈裂破坏。

3.2 巷道围岩变形特性及机理分析

3.2.1 沿空留巷顶底板变形规律

顶板变形特性如图5所示。在采动影响作用下,老顶发生整体下沉,直接顶在水平应力的挤压作用下具有起尖上举的趋势。老顶岩层下沉之和大于直接顶上举量。所以,总体表现为采动影响期间顶板下沉特性,而且采动影响前下沉不明显,原因是前期为老顶应力调整、结构调整过程,自承及承他能力基本存在;采动影响中、后期顶板下沉明显,自承及承他能力大部分丧失。此结果与现场观测结果吻合。在整个采动影响期间直接顶1均表现为抑制顶板下沉作用,采动影响的3个阶段表现为前期抑制作用增长较快,中、后期屈服让压,顶板受力来源于老顶层间错动、采动水平扰动应力、老顶来压等,前期来自老顶的压力较小,中后期较大。直接顶2、直接顶3、老顶总体趋势是,采动影响期间基本表现为压力逐渐增大,影响后期表现为压力减小,顶板压力来源于老顶断裂所造成的直接或间接作用、采动垂直扰动应力作用,后期压力减小的原因是老顶下沉与冒落的直接顶再次接触形成简支梁结构,承担了一部分顶板压力。

图5 沿空留巷顶底板变形规律曲线

底板变形的总体趋势。在采动影响前期缓慢鼓起,中期出现下沉趋势,后期表现为底鼓量和速度同时增大,最后又表现为底板下沉。底板总体以上升、隆起为主,最终表现为底鼓。

底板应力调整过程。前期底板受到来自通过两帮传递的顶板压力;中期采动影响及老顶应力通过自身调整消化;后期老顶断裂形成以采空侧巷帮为支点的简支梁;最后老顶在采空区矸石的共同支撑作用下,减轻了两帮的压力。

3.2.2 沿空留巷两帮变形破坏规律

沿空留巷两帮变形曲线如图6所示,除采空区侧浅基点 (2#巷道左侧第一测点)外,巷帮在采动影响前、中、后期均表现为内移加速、平缓和减速的规律;巷帮深部比浅部基点变形大,采空区侧比实体侧巷帮变形速度快、变形量大;采空区侧巷道帮部浅基点表现为开采扰动造成的X型剥落破坏,深基点表现为变形速度快、变形量大的特点。图中正值表示向巷内变形,负值表示向巷外变形。

力学机理。巷道两帮深基点煤体存储了大量的弹性能和部分塑性变形能,采动引起煤体能量的释放,离巷道两帮表面越远,存储的能量越大,采动扰动释放的能量就越大,并间接地以巷道内移变形的形式传递到巷道两帮的表面。采空区侧浅基点受到的各种扰动多,产生能量释放引起的变形频繁,最终导致巷道两帮表面的疲劳损伤剥落破坏。