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摘要通过实验室相似模拟试验,研究了条带开采上覆岩层随留宽减小的变形破坏特征以及侧向支承压力的分布规律。试验结果表明:上覆岩层受采动的影响和最大下沉值随着与煤层距离增加而逐渐减小,且下沉曲线不呈对称分布;各岩层的下沉量与其所处的位置和自身的岩性相关。该结果对于同类条件下的煤柱留设具有一定的参考价值和指导意义。
关键词采矿工程 煤柱 相似模拟试验 稳定性
中图分类号:TD3文献标识码:A
1 试验原型
新庄煤矿二水平有四条暗斜井服务于整个矿井的生产,分别是轨道暗斜井、皮带暗斜井、回风暗斜井和进风暗斜井,四条巷道均布置在同一水平煤层中,四条巷道间距分别为20 m、20 m和40 m。目前四条巷道均有不同程度的破坏,巷道局部有帮顶喷体开裂现象,巷道帮顶位移量大,巷道底鼓明显。
图1巷道群与工作面的位置关系图
2 试验模型设计
2.1 模型尺寸及相似比
根据工作面的实际开采尺寸,以及工作面与巷道群之间的间距(240m),考虑模拟模型的边界效应、实验条件等因素。确定选择模型的相似比为1:200,在2500€?1400€?200模型试验台上进行模拟实验,并安设应力应变传感器与岩层位移观测点。
2.2 模型加载
模型顶部加载是为了补足模拟深度未能包括的那部分岩层重量。本实验中对于模型上未能模拟的煤层厚度,采用液压加载方式来实现。但由于油缸有效行程为140mm,铺设的相似材料高度相对较低,不在油缸的有效行程之内,所以在相似材料上部又布设了两层铁块,铁块下铺设了一层厚度约为5mm的钢板作为介质层。加力方式为:先缓慢加压从0.1MPa到0.2MPa逐步到0.275MPa,然后控制台再保压范围为0.275MPa。
2.3 数据采集
采用YJZ-16型静态数字应变仪和DYB-1系列土式傳感器观测上覆岩层的应力变化。制作模型时在模型中共埋设了37个应力应变传感器,在实验中应力应变传感器的安装采用的是预埋方式,及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。采用经纬仪观测上覆岩层的位移变化。在模型上布置了六组,每组14个,共计84个观测点。
3 试验结果分析
3.1 覆岩垮落特征
模型试验采用的开挖方式为先加载,后开挖。图2 是不同开采时刻上覆岩层破坏情况。从图2可以看出,工作面开采后,靠近采场区域内的上覆岩层开始发生移动。当采宽37.5m时,直接顶出现弯曲下沉,但还未断裂。直接顶发生第一次跨落,其垮落高度为4.8m,垮落的长度在60m左右,此时老顶未发生变化,形成简支梁结构。此时开切眼处煤壁出现应力集中,煤柱遭塑性破坏。
当采宽继续增大到112.5m时,直接顶出现第二次垮落,垮落高度与第一次相同,但垮落的长度减小为36m,其垮落步距明显缩短。此时,老顶发生明显的变形,产生弯曲下沉,并在局部出现裂隙。随着采宽达到150m时,老顶出现第一次垮落,即老顶的初次来压,其垮落高度为6.6m。
随着开采的继续进行,直接顶和老顶发生周期性的破坏垮落,并且裂隙带高不断向上延伸。当开采宽度为187.5m时,裂隙带高度为48m在此之后,尽管工作面采宽继续增大,垮落带最大高度不再向上发展,仅随工作面向前移动。
3.2 上覆岩层的运动规律
上覆岩层垂直位移的变化随着距离煤层距离的增加而逐渐减小,并且不同位置的下沉与开采并完全一致,呈非线性关系。在开切眼附近,由于采动影响煤柱的承载能力降低,且出现应力集中现象,应力随着时间的增加不断增大,造成此处的垂直位移由0.46m增加到2.6m。靠近煤层的上覆岩层由于距离煤层的距离较近,其破坏同步于工作面的推进。随着工作面的推进,顶板发生周期来压,采空区的顶板发生垮落,在自重应力作用下,上覆岩层中的裂隙又发生闭合,顶板的下沉量也逐渐减小并趋于稳定,并且跨落后的岩石在一段时间后具有了一定的承载能力。
3.3 采动覆岩层应力分布规律
图3~图6为两条测线在不同采宽时的应力增量曲线。从图可以看出:工随着工作面的推进,上覆岩层中出现垂直应力集中区,且应力集中系数随着与煤层距离的增加而减小;工作面产生的侧向支承压力范围随着煤柱留设宽度的减小而增加,同时侧向支承压力对巷道群的影响也随着煤柱留设宽度的减小而逐渐增大,开采宽度从70m增加到295m时,支承压力的影响范围也由65m增加到90m左右;上覆岩层出现离层现象,离层主要发生在应力卸压区。
4 结论
本文采用相似材料模拟试验方法,研究了条带开采上覆岩层随留宽的减小的变形破坏特征以及侧向支承压力的分布规律,得到以下结论:
(1)煤层开采后,采空区周围岩层发生破坏变形,上覆岩层自下而上依次出现冒落、裂隙、离层、弯曲等变化,并形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。
(2)上覆岩层受采动的影响和最大下沉值随着与煤层距离增加而逐渐减小,且下沉曲线不呈对称分布。
(3)在采场推进过程中,开采煤层上覆岩层及工作面前方垂直应力是不断变化的,其主要特点是出现垂直应力集中区,应力集中系数随着岩层高度的增大而减小。
(4)随着煤柱留设宽度的减小,工作面由于开采产生的侧向支承压力范围不断增大,侧向支承压力对巷道群的影响也逐渐增大。
参考文献
[1]苏仲杰,范学理,刘文生.新型单向岩体应力、应变匹配系列传感器的研制.煤炭学报,1996.3.
[2]苏仲杰,隋惠全,刘文生.岩土应力应变匹配传感器的研制及应用.岩土工程学报,1997.3.
[3]顾大钊.相似材料和相似模型[M].徐州:中国矿业大学出版社,1995.铁道部科学研究院铁道建筑研究院.电阻应变式压力传感器.北京:人民铁道出版社,1979.
[4]康建荣,王金庄,胡海峰.相似材料模拟试验经纬仪观测方法分析.矿山测量,1999.2(1):43-46.
关键词采矿工程 煤柱 相似模拟试验 稳定性
中图分类号:TD3文献标识码:A
1 试验原型
新庄煤矿二水平有四条暗斜井服务于整个矿井的生产,分别是轨道暗斜井、皮带暗斜井、回风暗斜井和进风暗斜井,四条巷道均布置在同一水平煤层中,四条巷道间距分别为20 m、20 m和40 m。目前四条巷道均有不同程度的破坏,巷道局部有帮顶喷体开裂现象,巷道帮顶位移量大,巷道底鼓明显。
图1巷道群与工作面的位置关系图
2 试验模型设计
2.1 模型尺寸及相似比
根据工作面的实际开采尺寸,以及工作面与巷道群之间的间距(240m),考虑模拟模型的边界效应、实验条件等因素。确定选择模型的相似比为1:200,在2500€?1400€?200模型试验台上进行模拟实验,并安设应力应变传感器与岩层位移观测点。
2.2 模型加载
模型顶部加载是为了补足模拟深度未能包括的那部分岩层重量。本实验中对于模型上未能模拟的煤层厚度,采用液压加载方式来实现。但由于油缸有效行程为140mm,铺设的相似材料高度相对较低,不在油缸的有效行程之内,所以在相似材料上部又布设了两层铁块,铁块下铺设了一层厚度约为5mm的钢板作为介质层。加力方式为:先缓慢加压从0.1MPa到0.2MPa逐步到0.275MPa,然后控制台再保压范围为0.275MPa。
2.3 数据采集
采用YJZ-16型静态数字应变仪和DYB-1系列土式傳感器观测上覆岩层的应力变化。制作模型时在模型中共埋设了37个应力应变传感器,在实验中应力应变传感器的安装采用的是预埋方式,及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。采用经纬仪观测上覆岩层的位移变化。在模型上布置了六组,每组14个,共计84个观测点。
3 试验结果分析
3.1 覆岩垮落特征
模型试验采用的开挖方式为先加载,后开挖。图2 是不同开采时刻上覆岩层破坏情况。从图2可以看出,工作面开采后,靠近采场区域内的上覆岩层开始发生移动。当采宽37.5m时,直接顶出现弯曲下沉,但还未断裂。直接顶发生第一次跨落,其垮落高度为4.8m,垮落的长度在60m左右,此时老顶未发生变化,形成简支梁结构。此时开切眼处煤壁出现应力集中,煤柱遭塑性破坏。
当采宽继续增大到112.5m时,直接顶出现第二次垮落,垮落高度与第一次相同,但垮落的长度减小为36m,其垮落步距明显缩短。此时,老顶发生明显的变形,产生弯曲下沉,并在局部出现裂隙。随着采宽达到150m时,老顶出现第一次垮落,即老顶的初次来压,其垮落高度为6.6m。
随着开采的继续进行,直接顶和老顶发生周期性的破坏垮落,并且裂隙带高不断向上延伸。当开采宽度为187.5m时,裂隙带高度为48m在此之后,尽管工作面采宽继续增大,垮落带最大高度不再向上发展,仅随工作面向前移动。
3.2 上覆岩层的运动规律
上覆岩层垂直位移的变化随着距离煤层距离的增加而逐渐减小,并且不同位置的下沉与开采并完全一致,呈非线性关系。在开切眼附近,由于采动影响煤柱的承载能力降低,且出现应力集中现象,应力随着时间的增加不断增大,造成此处的垂直位移由0.46m增加到2.6m。靠近煤层的上覆岩层由于距离煤层的距离较近,其破坏同步于工作面的推进。随着工作面的推进,顶板发生周期来压,采空区的顶板发生垮落,在自重应力作用下,上覆岩层中的裂隙又发生闭合,顶板的下沉量也逐渐减小并趋于稳定,并且跨落后的岩石在一段时间后具有了一定的承载能力。
3.3 采动覆岩层应力分布规律
图3~图6为两条测线在不同采宽时的应力增量曲线。从图可以看出:工随着工作面的推进,上覆岩层中出现垂直应力集中区,且应力集中系数随着与煤层距离的增加而减小;工作面产生的侧向支承压力范围随着煤柱留设宽度的减小而增加,同时侧向支承压力对巷道群的影响也随着煤柱留设宽度的减小而逐渐增大,开采宽度从70m增加到295m时,支承压力的影响范围也由65m增加到90m左右;上覆岩层出现离层现象,离层主要发生在应力卸压区。
4 结论
本文采用相似材料模拟试验方法,研究了条带开采上覆岩层随留宽的减小的变形破坏特征以及侧向支承压力的分布规律,得到以下结论:
(1)煤层开采后,采空区周围岩层发生破坏变形,上覆岩层自下而上依次出现冒落、裂隙、离层、弯曲等变化,并形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。
(2)上覆岩层受采动的影响和最大下沉值随着与煤层距离增加而逐渐减小,且下沉曲线不呈对称分布。
(3)在采场推进过程中,开采煤层上覆岩层及工作面前方垂直应力是不断变化的,其主要特点是出现垂直应力集中区,应力集中系数随着岩层高度的增大而减小。
(4)随着煤柱留设宽度的减小,工作面由于开采产生的侧向支承压力范围不断增大,侧向支承压力对巷道群的影响也逐渐增大。
参考文献
[1]苏仲杰,范学理,刘文生.新型单向岩体应力、应变匹配系列传感器的研制.煤炭学报,1996.3.
[2]苏仲杰,隋惠全,刘文生.岩土应力应变匹配传感器的研制及应用.岩土工程学报,1997.3.
[3]顾大钊.相似材料和相似模型[M].徐州:中国矿业大学出版社,1995.铁道部科学研究院铁道建筑研究院.电阻应变式压力传感器.北京:人民铁道出版社,1979.
[4]康建荣,王金庄,胡海峰.相似材料模拟试验经纬仪观测方法分析.矿山测量,1999.2(1):43-46.