寺河矿大断面巷道围岩变形特征的相似材料模拟试验研究

张广太

(潞安集团左权五里堠煤业有限公司,山西 左权 032600)

寺河矿大断面巷道围岩变形特征的相似材料模拟试验研究

张广太

(潞安集团左权五里堠煤业有限公司,山西 左权 032600)

通过相似材料模型试验,分析了寺河矿3号煤层大断面回采巷道在不同地应力环境下围岩的变形规律。试验结果表明:埋深600 m和800 m时的巷表面收敛率分别是400 m时的2.2倍和3.0倍。随距巷中心线距离增大,顶板水平和垂直位移分别增大和减小;随距帮距离增大,帮水平和垂直位移分别先减小后增大和减小;随顶板层位增高,顶板水平位移大幅减小,顶板垂直位移小幅增大;随帮层位增高,帮水平和垂直位移都增大,并且上述位移分布曲线的变化率均随埋深的增加而增大。

大断面巷道;相似材料模型;变形特征

当前我国厚煤层综放开采和中厚煤层一次采全厚开采得到广范应用[1],这就要求回采巷道的断面随之扩大。同时,随着开采深度的增加,岩体应力随之增大,回采巷道出现工程软岩巷道的大变形特点[2-3]。因此,关注大断面软岩巷道围岩变形规律已成为必须面对的现实问题[4]。目前,晋城寺河矿在生产煤层中开掘的巷道断面较大,巷道在使用过程中始终变形量很大,呈现出软岩巷道的特征[5],巷道反复维修,成本很高。因此,文章采用相似材料模拟试验研究此地质环境下的巷道变形特征,以获得在不同地应力状态下大断面巷道围岩的变形规律,为该矿的巷道围岩控制提供参考。

1 工程背景

寺河矿3#煤层为开采煤层。该煤层属于二叠系下统山西组,煤层埋深约400 m,平均厚度6 m倾角≤5°,平均单轴抗压强度22 MPa,单轴抗拉强度17 MPa;直接顶为灰色砂岩与泥岩互层,厚度16 m,平均单轴抗压强度60.2 MPa,单轴抗拉强度3.8 MPa;煤层直接底为黑灰色或褐色砂质岩,薄到中厚层状,平均单轴抗压强度42.0 MPa,单轴抗拉强度3.3 MPa。3#煤层地质综合柱状示意图,见图1。

图1 3#煤层地质综合柱状图Fig. 1 Geological integrated column map in No.3 seam

2 相似材料模型试验设备及方案

依据现场实践和相关工程经验,确定模拟巷道断面形状为矩形,宽度5.0 m、高度4.0 m。模拟巷道的顶压分别为400 m、600 m、800 m的垂直应力;侧压分别取侧压力系数为0.5、1.0、1.5的水平应力[10]。

2.1模拟试验设备

试验设备包括试验架、试验加载构件及试验量测仪器。试验架是一个长方形架体,由方钢拼接成型,为主要承载构件,架体前后用钢板用来封闭、约束材料模型体。试验加载构件由油泵、蓄能器和施载油缸组成,在架体的顶部及侧部安装油缸为模型施加荷载,载荷的稳压通过蓄能器实现。试验量测仪器为数字照相器材,围岩变形数据通过数字照相技术采集[6]。

2.2相似材料配比及用量

材料配比是参照了黑龙江科技大学、东北工程学院和安徽理工大学所出版的相似材料配比表综合选取的[7]。最终确定模拟材料组份是:河砂、白石灰及石膏。根据所选材料配比和岩层物理力学参数,确定每层材料用量[8-9],详见表1。

表1 相似材料模拟试验配比及用量表

2.3试验测点布置

巷道变形位移的测点采用油漆染红的大头针,并按纵横交叉的网状节点位置插入到模型表面。测点横向为排、纵为列,排从下往上顺序编号,排距1 m;列从巷中心向巷两侧分别顺序编号,列距1.5 m。

3 巷道围岩变形特征分析

3.1巷表面位移特征

巷顶底板移近量与两帮移近量的观测数据,如表2所示。从中可知: 1)同一埋深下,顶底板和两帮移近量都随侧应力系数的增大而增加。当侧应力系数大于1时,顶底板移近增量显著增大、两帮移近增量细微增大。2)在埋深400 m、600 m和800 m时巷表面收敛率分别为7.8%～15.6%、20.8%～27.7%和31.2%～38.6%,表明埋深是决定巷表面收敛量大小的主导因素,且埋深越大巷表面收敛速率受侧应力系数的影响越小。

表2 巷道表面位移

3.2巷围岩内部位移特征

3.2.1顶板位移分布规律

1)顶板位移横向分布特征,见图2,可以看出:a.由巷顶板中部向顶板两侧,顶板水平位移逐渐增大,并且埋深越大水平位移越大,即顶板被水平挤压的程度越深。b.从巷顶板中部至顶板两侧,顶板垂直位移减小,但位移在巷宽内呈缓慢减小,巷宽外开始明显减小,因而在巷顶角处易出现纵向剪切破坏,同时,随埋深的增加,顶板垂直位移的衰减率增大,表明巷埋深越大顶板下沉的不均匀性越大,由此产生的垂直剪切错动趋势也越大。

2-a 水平位移

2-b 垂直位移图2 顶板位移横向分布曲线Fig. 2 Horizontal distribution of roof displacement

2)顶板位移纵向分布特征,见图3,可知:a.巷顶板层位越低,顶板水平位移越大,层间产生水平错动的趋势越大,在巷顶板表面最易发生横向剪切破坏;随巷埋深增加,顶板层间水平位移衰减率增大: 800 m埋深时的位移衰减率分别是400 m和600 m时的3.5倍和1.5倍,显示埋深越大层间出现水平错动的趋势也越大。b.不论埋深如何,顶板垂直位移均随顶板层位增高而微小增大,说明顶板层间在垂直方向上总是相互挤压,呈现整体下沉,在锚固支护范围内发生离层的可能性较小。

3-a 水平位移

3-b 垂直位移图3 顶板位移纵向分布曲线Fig.3 Vertical distribution of roof displacement

3.2.2巷帮位移分布规律

4-a 水平位移

4-b 垂直位移图4 帮位移横向分布曲线Fig.4 Horizontal distribution of wall displacement

1)巷帮位移横向分布特征,见图4。可知:a.从巷帮表面到帮深部,帮水平位移先减小后增大,并在距帮3 m处达到最小。这显示因相对位移的不同步性,在帮3 m范围内,围岩呈现拉伸状态,从而出现裂隙,在帮3 m范围外,围岩呈挤压状态,稳定性较好,因此帮3 m范围内的围岩应为重点支护区域。另外,随巷道埋深增加,水平位移横向分布曲线的变化率变大,即位移的协调性变差。b.由巷帮表面到帮深部,帮垂直位移减小,说明在帮的浅部,围岩垂直位移的不同步程度剧烈、产生的竖直剪切破坏或剪切趋势明显,且剪切破坏程度随埋深的增大而增加。c.帮水平和垂直位移在巷埋深从400 m增加到600 m时分别增大了151%和92%,在巷埋深从600 m增加到800 m时分别增大了58%和71%,表明帮部位移与巷埋深不构成正比例关系,而是在埋深超过600 m时,其增量出现显著的回落。

2)巷帮位移纵向分布特征,见图5,可知:a.帮水平与垂直位移都随帮层位的增高而增大。具体看,帮中、上部位移明显大于帮下部位移,巷帮显著地朝巷内倾斜,同时,帮上部出现加剧下沉,这提示对于大断面巷道应着重加强上部帮的支护强度,以克服巷帮的大变形。b.帮不同层位的位移增大率随埋深增加而不同。埋深从400 m至800 m,从帮下部至帮中部,水平和垂直位移增大率分别增加395%和138%;从帮中部至帮上部,水平和垂直位移增大率分别增加188%和14%,可见,埋深增加时要重点控制中下部帮的变形。

5-a 水平位移

5-b 垂直位移图5 帮位移纵向分布曲线Fig.5 Vertical distribution of wall displacement

4 主要结论

通过相似材料模拟试验获得了寺河矿大断面回采巷道围岩的变形特征规律:

1)随侧压力系数的增加,巷表面收敛率在埋深400 m时由7.8%增至15.6%;埋深600 m时由20.8%增至27.7%;埋深800 m时由31.2%增至38.6%。

2)巷顶板变形的主要特征有:a.随距巷中心线距离增大,顶板水平和垂直位移分别增大和减小。b.低层位顶板层间水平错动趋势明显,易发生横向剪切破坏,层间竖向挤压,呈整体下沉。c.随埋深增加顶板位移的不均匀性增大。

3)巷帮变形的主要特征有:a.随帮层位的增高,帮上部内倾及下沉的程度均有所加剧,巷顶角出现圆钝化;b.当埋深增加,帮下部位移开始显著增大,帮整体出现内移;c.围岩在帮3 m范围内呈拉剪状态、3 m范围外呈挤压状态。

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SimilarMaterialSimulationonDeformationFeaturesofSurroundingRockinLarge-sectionalRoadwayinSiheMine

ZHANGGuangtai

(WulihouCoalCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Zuoquan032600,China)

Similar material simulation was used to study the deformation law of surrounding rock in the large-sectional roadways on No.3 coal seam under different geostress. The results show that, when buried depth is 660 meters and 800 meters, the surface convergence rate is 2.2 and 3.0 times as many as that at 400 meters deep, respectively. With the increase of the distance from the center line, roof horizontal displacement increases, but roof vertical displacement decreases. With the increase of the distance from the two walls, wall horizontal displacement goes down first, and then goes up and its vertical displacement decreases. With the increase of roof height, roof horizontal displacement decreases sharply and vertical displacement increases slightly. With the increase of the height of wall layer, both horizontal and vertical displacement increase. In addition, the all displacements mentioned above increase with the buried depth.

large-sectional roadway;similar material model;deformation features

1672-5050(2017)02-0016-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.005

2017-02-26

张广太(1979-),男,河南虞城人,硕士,工程师,从事煤矿技术管理工作。

TD353

A

(编辑:武晓平)