大采高采场覆岩顶板应力规律三维相似模拟研究

陈 刚，姜耀东，曾宪涛，殷 磊

(1.中国矿业大学 (北京)资源与安全学院，北京 100083;2.中国矿业大学 (北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083;3.中国矿业大学 (北京)力学与建筑工程学院，北京， 100083)

大采高采场覆岩顶板应力规律三维相似模拟研究

陈 刚1，姜耀东2，曾宪涛3，殷 磊1

(1.中国矿业大学 (北京)资源与安全学院，北京 100083;2.中国矿业大学 (北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083;3.中国矿业大学 (北京)力学与建筑工程学院，北京， 100083)

基于某矿区的地应力分布和大采高的具体条件，开展了采场矿压显现规律和巷道围岩变形规律的相似模拟研究。研究主要以该矿1－2煤层的地质赋存条件为典型背景，模拟开采高度为5m和6m时，工作面和巷道的矿压显现规律。通过大采高相似模拟实验，具体分析并总结了大采高开采过程中工作面的矿压显现规律。

大采高;采场;应力;三维相似模拟

采场上覆岩层的结构对采场围岩具有控制作用，很多学者通过现场实测、实验室模拟、数值分析等方式研究了上覆岩层的运动规律，并提出了相应的围岩控制方案，但是对于多因素影响下的矿山压力，很难通过建立微分方程进行理论分析求解。虽然实测是研究矿压的主要方法，但受人力、物力及客观条件限制不易获得煤岩体内部的规律。

目前，相似材料模拟成为研究岩层结构及岩层移动的最常用的手段。相似模拟能人为控制实验条件，从而可以确定单因素或多因素对矿山压力的影响规律，试验周期短、见效快、效果清晰直观。

1 实验设备

采用中国矿业大学 (北京)采矿实验室的三维模型试验台，模型试验台的尺寸为2m×2m×3m(长×宽×高)。

2 实验参数设定及测点布置

2.1 模型建立

以上湾矿1－2煤层为三维相似模型试验的研究对象，其煤层平均开采深度为139m，煤层厚度平均为6.77m，直接顶一般为砂质泥岩或细砂岩，厚度平均为10.44m，基本顶多为中砂岩或粗砂岩，厚度平均为9.5m。材料参数见表1。

表1 各岩层材料力学性质

模型建立分为2个阶段完成。第1阶段为煤层、直接顶、基本顶和泥岩砂岩互层的铺设和位移测点的布置以及压力盒的安设，然后对模型进行自然干燥，待完全干燥后，进行第2步的冲积砂层的铺设。

模拟实验几何相似比为1∶150，模型尺寸为2m×2m×1.3m(长×宽×高)，模型煤岩层厚度为:煤层70mm，直接顶105mm，基本顶95mm，上层泥岩、砂岩互层共390mm，顶部为冲积砂800mm。试验采用的模拟材料铺设尺寸如图1。

图1 三维模型实验相似材料布置

2.2 应力测量

在泥岩砂岩互层、基本顶和直接顶中埋设压力盒，其中直接顶 (平面III)中安设13个，基本顶(平面II)中安设13个，泥岩砂岩互层 (平面I)中安设9个，在工作面长度方向的两端各预留100mm的煤柱，压力盒的安设平面布置如图2。

开采方式:按日产20kt设计，实际工作面长取240m，割煤机每割一刀煤所用时间为1.6h。按照几何及时间相似比原则，相似模拟工作面长度取1.80m，时间相似常数取 5.5，模拟试验的17.5min进一刀。

3 实验结果分析

整理相似模拟实验数据，得到大采高工作面模拟开采过程中的矿压显现和直接顶垮落规律，表2为开采过程中实验现象描述。

3.1 直接顶和基本顶垮落及形态

(1)直接顶初次垮落 模拟试验开挖过程中，当开挖至36m时，直接顶发生垮落，垮落主要集中在模型左侧区域，呈现出局部垮落特征，垮落主要为第1层顶板，垮落形态如图3(a)所示。垮落后，第1层顶板与第2层顶板之间有明显的离层，如图3(b)所示。

(2)基本顶初次垮落 当模型试验开挖至60m时，基本顶出现初次垮落，在直接顶初次垮落至基本顶初次垮落过程中，直接顶基本处于随采随冒状态。由表2实验现象描述可知，顶板初次来压步距约60m左右，周期来压步距约20m左右，试验结果与二维模拟试验及现场实测结果较吻合。

图2 压力盒布置

表2 开采过程中的实验现象描述

图3 开挖过程中直接顶局部垮落形态

3.2 平面II压力盒监测试验数据分析

监测点1～4，5～9，10～13的应力变化曲线如图4(a)，(b)，(c)所示，通过实验曲线可知，沿工作面走向方向的测点应力变化值随着开挖距离的增加而增加，并与工作面开挖距离呈非线性分布。

图4(d)给出了监测点应力变化与开挖距离的关系曲线，其拟合方程可以用指数函数表示为:

式中，y为应力变化最大值;x为开挖距离;其中拟合曲线的相关系数R2=0.9571。

图4 监测点的应力变化曲线

图5为沿工作面倾向布置的监测点1，5，10的应力变化观测数据，由图可知，由于测点位于切眼附近，整个开挖过程中其应力变化幅值较小，整体体现应力值不断增大的特征。

3.3 平面Ⅲ压力盒监测试验数据分析

图6给出开挖过程中各监测位置的应力变化特征，通过实验曲线可知，沿工作面走向方向的测点应力变化值随着开挖距离的增加而增加，应力的增加与工作面开挖距离呈非线性分布。与平面II压力盒监测数据相比，其应力变化幅值较小，表明整个开挖及顶板垮落对Ⅲ层压力盒的影响随层高的增加而减弱。

3.4 不同平面压力盒监测试验数据对比分析

根据不同平面压力盒监测数据，选取对应点的试验结果进行分析，图7分别给出了不同平面上的观察点1，3，5和13四个测点位置的数据结果。由图可知，在采动过程中，总体上平面III的应力变化曲线比平面II的应力变化曲线平缓，表明了平面II所受采动影响大于平面III所受采动影响。在开挖距离小于测点所在位置时 (未开挖到测点)，各测点应力基本上保持增加的趋势，并且达到最大值，当开挖距离大于测点所在位置时 (开挖过测点)，各测点的应力发生了减小的变化。

图5 监测点1，5，10应力变化曲线

图6 监测点的应力变化曲线

图7 不同平面测点应力变化对比

4 结论

(1)以相似模拟得出大采高开采工作面顶板初次跨落步距约为60m，周期跨落步距约为20m;初次垮落步距和周期来压步距均较大，垮落容易造成动力冲击，应采取措施控制初次跨落距离。

(2)工作面前方形成支承压力，其随着工作面推进而不断推移，最大值发生在工作面中部前方，峰值可达原岩压力的2～4倍，支承压力峰值可深入煤体2～10m。由于顶板较坚硬，在悬顶时工作面前方支承压力较高，而采空区较低，当顶板切落时，则前方压力降低而采空区有所增加。

(3)对于坚硬直接顶板，其破坏形式主要是拉断和剪断。

(4)大采高与同厚度煤层分层开采相比，大采高开采采场矿压显现及控制、覆岩运动、地表沉陷都有其新的特点，应用关键层理论深入研究大采高条件下覆岩运动是解决上述问题的可行途径。

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3-d Analogue Simulation of Roof Stress Rule in Large-mining-height Mining Field

CHEN Gang1，JIANG Yao-dong2，ZENG Xian-tao3，YIN Lei1
(1.Resources＆ Safety School，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100013，China;
2.State Key Laboratory of Coal Resource＆ Safe Mining，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100013，China;3.Mechanics＆ Architecture School，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100013，China)

Based on geo-stress distribution，geological condition and mining condition of 1-2 coal-seam in a mine，underground pressure behavior of mining face and deformation rule of roadway＇s surrounding rock under the condition of 5m and 6m mining height was researched with analogue simulation in this paper.

large-mining-height;mining field;stress;3-d analogue simulation

TD322

A

1006-6225(2012)03-0005-04

2012－02－23

国家重点基础研究发展规划 (973)资助项目 (2010CB226801)

陈 刚 (1963－)，男，陕西安康人，博士研究生，教授级高级工程师。

［责任编辑李宏艳］