龙湖煤矿沿空留巷相似材料模拟试验研究

李豫波,马平云

(黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150022)

因岩层赋存状态具有多样性,不同层位的岩层和同一岩层不同区域的应力状态均有差别。同时,地下空间受到采动影响,导致围岩应力出现应力增高区和应力降低区。围岩应力集中是导致围岩发生塑性破坏的主要原因[1-3]。由于现场条件的限制,很难准确监测某一位置的围岩应力变化。相似模拟试验通过相似原理对现场条件进行缩放,可以较好地反映采场围岩的应力状态和破坏形式。

相似材料配比直接影响相似模拟试验的结果,因此许多学者对相似材料配比进行了大量的研究。任大瑞等[4]研究了相似材料的尺寸、含水率、温度和加载速率与试件强度之间的关系。崔宁坤等[5]、王君顺[6]、王鹏等[7]、侯廷凯等[8]、詹志发等[9]通过正交试验法,研究了原料组分对试件强度的影响,并找到了最优的模型材料及配比。李光等[10]用河砂、重晶石粉、铁粉、云母片等配速干水泥,制作出了可以模拟岩体间软弱夹层或结构面的动力学材料。以上学者为相似材料配比及选择提供了重要参考,但已有研究主要集中在静态参数方面,对动、静参数同时讨论的较少。

本文以七台河龙湖煤矿为背景,选取细河砂、石膏、碳酸钙为原料,通过正交试验方法对相似材料的密度、抗压强度、动态弹性模量、静态弹性模量以及动态泊松比进行分析,明确了各因素对相似试件的影响规律。在此基础上,开展了相似模拟试验,揭示了巷旁堆积体的动态演化过程及规律,为控制巷道围岩稳定性提供了参考。

1 相似材料模拟试验

本文相似材料模拟试验以龙湖煤矿63#煤层上方的粉砂岩为参照对象,其力学参数如表1所示。选择龙湖煤矿63#右五工作面作为工程背景,基于相似理论,并结合工作面的实际情况以及实验室实验台的尺寸,确定几何相似比为1100。

表1 粉砂岩力学参数

1.1 试验设计

设计的3个因素分别为砂胶比、碳酸钙石膏比、水占比,每个因素分别设置4个水平(见表2)。L16(43)的正交试验设计如表3所示。

表2 正交试验的因素和水平

表3 正交试验设计

续表

选用塑料双开圆柱体模具,制作φ50 mm×100 mm的圆柱体试件(见图1)。依据表3的配比设计进行相似试件制作。首先,将模具底座以及侧壁均匀涂抹脱模剂,并组装模具;接着,将原料搅拌均匀,加入适量的水,再次搅拌均匀;然后,将搅拌好的混合材料倒入模具,压实、抹平,静置2 min,进行脱模处理;最后,对试件进行自然风干。

图1 相似试件

1.2 试验方法

试件制作完成后,对试验进行密度测定,并利用SonicViewer-SX岩石超声波系统对试件进行波速测定(见图2)。

图2 试件的波速测定

通常认为动态泊松比和静态泊松比是相等的[11],因此本文仅对动态泊松比进行探讨。动态弹性模量Ed和动态泊松比μd的计算公式为

(1)

式中:ρ为相似试件密度;vs为横波波速;vp为纵波波速。

为获得试件的强度和破坏特征,使用黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室的TYJ-500KN试验机进行单轴压缩试验。采用位移控制加载方式,加载速度为0.05 mm/s,直至试件破坏。部分相似试件的应力-应变曲线如图3所示。正交试验结果如表4所示。

图3 部分相似试件的应力-应变曲线

对表4中试验结果进行分析,发现相似试件密度、单轴抗压强度、静态弹性模量、动态弹性模量、动态泊松比的分布范围分别为1.878 0～2.021 9 g·cm-3、0.612 7～1.312 8 MPa、9.562 4～86.277 1 MPa、3.37～6.78 GPa、0.201～0.345。

表4 正交试验结果

2 试验结果与分析

采用极差分析法,对表4中相似试件的密度、单轴抗压强度、动态和静态弹性模量以及动态泊松比数据进行统计,计算出相似试件各力学参数3个因素不同水平的平均值,并进行极差分析,结果如表5所示。

表5 相似试件的各力学参数极差分布表

由表5可知,3个因素对相似试件密度的影响程度为砂胶比>水占比>碳酸钙石膏比;对单轴抗压强度的影响程度为砂胶比>碳酸钙石膏比>水占比;对动态弹性模量的影响程度为砂胶比>碳酸钙石膏比>水占比;对静态弹性模量的影响程度为砂胶比>水占比>碳酸钙石膏比;对动态泊松比的影响程度为砂胶比>水占比>碳酸钙石膏比。即3因素中砂胶比对相似试件的各力学参数起主导作用。

为了更直观地描述3个因素变化对相似试件各力学参数的影响,根据表5绘制折线图如图4～图8所示。

图5 3个因素对单轴抗压强度的影响

图6 3个因素对动态弹性模量的影响

图7 3个因素对静态弹性模量的影响

由图4可知,试件的密度随砂胶比的增加而增大,且变化幅度较大;随水占比的增加而增大,且变化幅度较小;碳酸钙石膏比与试件的密度关系不明显。由图5可知,试件的单轴抗压强度随砂胶比的增加而减小,且变化幅度较大;随碳酸钙石膏比的增加,单轴抗压强度也呈现减小的趋势;随着水占比的增加,

单轴抗压强度呈现出增大的趋势,但这种增加的程度较小,这说明水量的增加可以增强碳酸钙和石膏的黏结作用,从而提高试件的强度,但增加的程度较小。

由图6～图8可知:试件的动态弹性模量随砂胶比的增加而减小,且变化幅度较大,碳酸钙石膏比、水占比与动态弹性模量的关系并不明显;试件的静态弹性模量随砂胶比的增加而减小,这是因为胶料的减少降低了相似试件的刚度,静态弹性模量随碳酸钙石膏比的增加而减小,水占比与静态弹性模量的关系并不明显;试件的动态泊松比随砂胶比的增加而减小,且变化幅度较大,随碳酸钙石膏比的增加而减小,且变化幅度较小,水占比与动态泊松比的关系不明显。

图8 3个因素对动态泊松比的影响

3 多元线性回归分析

通过对16组相似试件进行密度、单轴抗压强度、静态弹性模量、动态弹性模量和动态泊松比的研究,找出了3个因素对各参数的影响规律。

设因变量为y、自变量为xj(j=1,2,3),则回归方程为

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3

(2)

式中ai(i=0,1,2,3)为回归参数。

对正交试验结果进行拟合,得到经验方程

(3)

式中:y1为密度;y2为单轴抗压强度;y3为静态弹性模量;y4为动态弹性模量;y5为动态泊松比;x1为砂胶比;x2为碳酸钙石膏比;x3为水占比。

由式(3)可知,3个因素和5个参数之间存在线性关系。在实际的物理相似模拟试验过程中,将相似材料的3个影响因素代入式(3)中,能够快速找到适合的相似材料配比方案,进而提高物理相似模拟试验的效率。

4 相似模拟试验应用

七台河龙湖煤矿63#煤层右五工作面的走向长度为538 m、平均倾斜长度为137 m、倾角为20°、平均煤厚为1.4 m。直接顶为3 m厚的粉砂岩,基本顶为8 m厚的中砂岩,直接底为14 m厚的粉砂岩。工作面采用走向长壁后退式布置,综合机械化采煤,并采用全部垮落法处理采空区。工作面的下巷采用切顶卸压沿空留巷技术,留巷的巷道宽度为2.8 m。

试验台尺寸为100 cm×20 cm×100 cm(长×宽×高)。模型几何相似比为1100,容重相似比为11.25,时间相似比为110。模型中巷道采用梯形巷道设计,巷道顶板沿煤层倾角布置。由于顶板切缝在模型铺设过程中提前预留,故开挖时不需要考虑顶板切缝的问题。在模型左右两侧分别留设15 cm的边界煤柱。

通过本次物理相似模拟试验,进行煤层倾斜方向的开挖,在一定程度上反映沿空留巷侧向顶板演化对围岩的影响。在模型开挖初期,由于开采扰动以及岩层自身力学属性的影响,煤层上方的岩层发生了离层、破断和垮落现象。破断的岩层沿着切缝面滑落到采空区,并在巷旁侧堆积形成了巷旁堆积体(见图9(a))。由于切缝面的存在,减弱了巷道顶板与煤体上方顶板之间的应力联系。在该阶段,巷道受应力变化影响较小,巷道围岩的应力环境较好。随着煤层的不断开挖,煤层上覆岩层发生周期性垮落,并填满了采空区(见图9(b))。

(a)模型开挖初期

(b)模型开挖完成

在沿空留巷期间,巷旁堆积体受到上覆岩层运动的持续影响,始终处于动态变化之中。在巷旁堆积体形成初期,岩块之间空隙较多,导致巷旁堆积体难以保持稳定,处于“自组织调整”状态[12],虽然无法对上覆岩层起到有效的支撑作用,但仍然对巷道起到了一定的挡矸作用。随着上覆岩层的不断垮落,尺寸较小的岩块逐渐填满了岩块间的空隙。在岩块之间作用力、上覆岩层和堆积体之间作用力的共同作用下,巷旁堆积体逐渐形成稳定结构,并对上覆岩层起到了支撑作用。

上覆岩层的运动是长期且持续的。从图9(b)可以看出,在巷旁堆积体承载上覆岩层期间,受到上覆岩层运动的影响,其整体变形较大,导致了挤压巷道的现象。因此,在进行实际的沿空巷道工程时,应采取有效的措施防止巷旁堆积体挤压巷道,以减小巷道的空间变形。

5 结论

(1)通过对正交试验结果进行多元线性回归分析,拟合了相似材料动、静态参数的经验方程,可为物理相似模拟试验选取合适的相似材料配比方案提供参考。

(2)通过对相似试件的动、静态力学参数进行极差分析发现:砂胶比对相似试件的密度、单轴抗压强度、动态弹性模量、静态弹性模量以及动态泊松比具有显著的影响;随着砂胶比的增加,试件的各力学参数除密度外均呈现减小的趋势;随着碳酸钙石膏比的增加,试件的抗压强度、静态弹性模量以及动态泊松比均减小;随水占比的增加,试件的密度和单轴抗压强度均呈现增大的趋势。

(3)在沿空留巷相似模拟试验中,采用了本文提出的相似配比方案。结果表明在沿空留巷期间,巷旁堆积体受上覆岩层运动的持续影响,始终处于动态变化之中。在巷旁堆积体的形成初期,由于其结构尚未稳定,一直处于“自组织调整”状态;当巷旁堆积体形成稳定结构后,受上覆岩层运动的影响,巷旁堆积体会发生挤压巷道的现象。