低透气性煤层开采覆岩应力与变形特征实验分析

2020-03-30李海洲刘国磊

山东理工大学学报（自然科学版） 2020年3期

张璐,李海洲,刘国磊

(1.山东理工大学建筑工程学院，山东淄博 255049； 2.山东理工大学资源与环境工程学院矿山工程技术研究所,山东淄博 255049)

煤层开采中，围岩变形特征与破坏机理分析是有效防治煤与瓦斯突出等动力灾害的理论基础和依据[1-2]，实验室实验是研究突出机理的重要手段。国内对煤层开采中顶板变形的研究成果颇丰，并取得了良好的应用效果[3-8]，但过渡区开采过程中，由于应力的增加，使得工作面围岩变形加剧，加之我国煤层地质条件复杂，围岩变形形式与特征不尽相同。因此，通过物理相似实验开展围岩变形的研究与分析具有重要意义。本文以新景煤矿芦南一区8#煤采掘工作面地质条件为背景，建立采掘过程中顶板变形破坏数值分析模型和煤与瓦斯突出的物理相似模拟实验模型，分析在工作面实际地质条件下，随着工作面的推进，上覆岩层结构的变形、移动与垮落特征与瓦斯突出机理。

1 工程背景

新景矿芦南一区8#煤北翼采区位于新景公司的东北部，东西宽3 197 m、南北长2 228 m，面积为7.1 km2。埋藏深度480～600 m。在回采过程中揭露的地质情况主要是陷落柱和断层。

8#煤直接顶为泥岩，黑色，含植物化石，中部夹1～2层菱铁矿结核，局部相变为砂质泥岩。老顶为细粒砂岩，灰白色，以石英为主，长石次之，夹泥质条带，含云母和黑色矿物硅质胶结。直接底为砂质泥岩，灰黑色，富含植物化石和黄铁矿，顶部常相变为泥岩。

2 物理相似实验方案

以新景矿8#煤层采掘工作面实际地质条件为依据，主要考虑岩层分布于断层构造，建立采矿相似模拟实验台。通过调节实验台顶部油缸载荷模拟采场地应力变化，通过开挖煤层模拟采动影响，形成模拟实验系统，如图1所示，并在实验系统上安设应力计、应变片、摄(录)像器材等，可监测工作面推进过程中顶板围岩变形的宏观特征。

图1 物理相似模拟实验系统Fig.1 Physical similarity simulation experiment system

根据经验及本试验所模拟的岩层性质，决定以细河砂为骨料，以水泥和石膏为胶结材料，用四硼酸钠(硼砂)作为缓凝剂，断层处采用石英砂作为填充材料进行铺设。

2.1 实验相似系数的确定

实验在2.5 m×0.20 m×1.4 m(长×宽×高)规格的刚模型架上进行试验，根据选定模型架尺寸及其他条件综合考虑，确定相似系数如下：

1)模型几何相似系数(几何比)：本次模型试验采用平面应力模型，长度相似系数100。

3)容重相似系数：0.6。

4)其它力学参数相似系数。由相似定理及以上个基本参数的相似系数，可导出如下相似系数：强度比为0.006，外力比为6×10-7，弹模比为 0.006，泊松比为1。

5)初始条件及边界条件相似。可以近似认为是均质重力场，所以初始应力场是相似的。

2.2 相似材料配比及用量

参照《矿山压力的相似模拟试验》中的材料配比，进行相似材料配比调整试验，试验步骤如下：(1)将试模内刷上机油备用；(2)按一定比例称量砂子、石膏和水泥，混和搅拌均匀；(3)加入一定量含有硼砂的水，搅拌后，倒入模子；(4)干燥4 d左右，将做成试件放于伺服压力试验机上测定试件的单轴抗压强度。

考虑到配比实验期间误差，同一配比做三个试件，取三个试件抗压强度的平均值作为该材料配比号的抗压强度。

由配比号确定各分层材料的用量，计算算出模型上各分层的各种材料用量列表，见表1。

为研究煤层开采时上覆岩层应力场分布及变形特征，采用的测量系统为：YJZ-16型静态数字应变仪，DYB-1系列土式传感器。制作模型时在模型中共埋设12个应力应变传感器，压力计布置在距煤层上方坚硬老顶岩层中，旨在监测工作面老顶垮落过程中老顶上方的受力变化情况。上覆岩层移动采用YHD-30，YHD-50电阻式位移计进行测试。

在实验中应力应变传感器的安装采用的是预埋方式，即模型铺设到应力应变传感器的设计高度时，将应力应变传感器正确放置，并保证传感器数据线能正常引出。

3 推进过程中覆岩垮落过程及特征分析

1)在距右侧16 m处切眼，向左进行开挖，开挖第一步15 m。当工作面推进到45 m(断层附近)时，出现初次来压，可以清楚的看到来压时岩梁破断的形式，直接顶出现明显裂隙跨落，随后老顶跨落，垮落高度约22 m,如图2所示。随后，随着工作面的推进，顶板随采随落。同时顶板上的岩层也随着工作面的推进出现纵向和横向裂隙，且裂隙随工作面推进越来越大。

表1 模型相似材料配比表
Tab.1 Model similar material ratio

岩性序号原型模型厚度/m抗压强度/MPa厚度/cm抗压强度/kPa配比号材料用量各层总重/kg砂/kg石灰/kg石膏/kg水/kg硼砂/g老顶老顶5-23.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.395-13.2966.003.2939631924.6518.490.625.552.7427.39直接顶49.11122.679.1173621968.3345.552.2820.507.5975.928#煤359.8355968238.0930.313.470.843.4334.5直接底2539.17523545541.7230.003.763.764.1641.66老底老底1-23.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.041-13.1339.173.1323545523.4418.752.342.342.6026.04

2)当工作面推进到53 m时，巷道出现第一次周期来压，老顶第一次周期来压步距8 m。垮落高度约24 m。裂隙发育，出现明显的离层，离层的最大高度为44 m,如图3所示。

3)当工作面推进到61 m时，直接顶随采随垮，巷道出现第二次周期来压，老顶第二次周期来压步距8 m。垮落高度约48 m。裂隙发育，出现明显的离层，离层的最大高度为48 m，如图4所示。

图2 工作面推进45 mFig.2 Work surface advancement of 45 m

图3 工作面推进53 mFig.3 Work surface advancement of 53 m

4)当工作面推进到70 m时，顶板随采随垮，巷道出现第三次周期来压，来压步距约9 m，离层裂隙发育十分明显，裂隙继续向上发展，如图5所示。

5)随后每推进8～10 m出现一次周期来压上覆岩层的裂隙也不断向上发展，当工作面推进到100 m时，顶板出现明显下沉的范围为62 m，卸压角为63°。

图4 工作面推进61 mFig.4 Work surface advancement of 61 m

图5 工作面推进70 mFig.5 Work surface advancement of 70 m

4 典型水平观测线垂直应力、位移监测分析

分别从工作面顶板开始向上取观测线，观测随工作面的推进，覆岩垂直应力、最大下沉量。通过数据读取，得到以下覆岩应力与最大垂直下沉量分布曲线图，如图6、图7所示。

由覆岩应力与垂直位移监测曲线可知，煤层开采过程中，采掘初期，煤层覆岩一定范围内垂直变形近似呈“倒V”型分布，随着工作面的推进，覆岩垂直变形由“倒V”型分布发展为“倒U”型分布；同时，在开切眼上方一定范围(约5～15 m)和工作面前方(约5～20 m)形成集中应力区，此范围内煤体应力增大，煤层透气性进一步降低，煤与瓦斯突出危险性增大。