高聰 于鑫 劉正海 焦東

摘要：無底柱分段崩落法開采過程中上覆巖層中形成規(guī)模較大的空區(qū)與懸頂，其上覆巖層空區(qū)頂板的的崩落與破裂動態(tài)演化是影響采場安全的重要因素。為了掌握上覆巖層中崩落、開裂范圍及發(fā)展趨勢，防止突發(fā)性的大規(guī)模動力地壓災害的發(fā)生，根據(jù)相似性理論制作物理模型模擬采空區(qū)的頂板及地表，通過自制加載系統(tǒng)豎向加載模型使之破壞，觀察試件破壞形式，并通過靜態(tài)電阻應變儀探究采空區(qū)頂板破裂形式、破裂規(guī)律以及應變變化情況，以期為研究實際礦山處理崩落法采空區(qū)頂板破裂垮落及地表沉陷問題提供實驗依據(jù)。

關鍵詞：崩落法;頂板破裂;相似性物理模擬實驗

中圖分類號：TD851? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

1? ? 背景

無底柱分段崩落法是一種通過崩落圍巖來控制地壓的方法，因其具有安全、機械化程度和生產(chǎn)效率高等特點而在金屬礦山中得到廣泛應用，崩落法在礦山中應用廣泛相較于其他開采方法有很多優(yōu)勢，但崩落法的缺點也很明顯，無底柱分段崩落采礦法存在三大弊端，分別是礦石損失貧化，回采時造成的獨頭結構不利于井下通風，以及地表沉陷問題。崩落法開采過程中會形成采空區(qū)，一旦頂板破裂塌落裂隙發(fā)展到地表就可能造成地表沉陷問題。采空區(qū)破壞以及地表沉陷，是礦山生產(chǎn)的一項重大安全隱患，也是礦山地質災害之一[1-2]。崩落法形成地表沉陷是因為采空區(qū)頂板破裂垮落大量圍巖掉落造成的，目前國內外專家學者針對空區(qū)頂板破裂進行了卓有成效的研究，唐曉玲[3]等通過應用薄板理論及懸臂梁理論，建立初次來壓及步距計算式，得出頂板應力分布和位移狀態(tài)。葉明亮[4]通過應用彈性理論及數(shù)值模擬，分析了采空區(qū)頂板應力狀態(tài)。王金安[5]通過堅硬頂板建立彈性基礎板力學模型，研究頂板不同階段的破斷模式與突變失穩(wěn)的力學過程，得出有效承載面積減小到臨界值時，頂板位移突跳產(chǎn)生極限點失穩(wěn)，煤柱-頂板系統(tǒng)出現(xiàn)突然塌陷失穩(wěn)。賀廣零[6]等基于溫克爾假設及板殼理論，把堅硬頂板當作彈性板，建立煤柱-頂板系統(tǒng)，得出煤柱-頂板系統(tǒng)失穩(wěn)突變機理及力學條件和數(shù)學判定依據(jù)。

本文主要應用理論分析，相似材料模擬實驗以及應變電測技術等科學方法，對采空區(qū)頂板破裂形式、破裂結構以及應變變化情況進行分析，更好地指導實際礦山處理崩落法采空區(qū)頂板破裂及地表沉陷問題。

2? ? 相似材料模擬實驗

相似材料模擬實驗是一種重要的實驗室科學研究技術手段，通過在實驗室中按照原型制作相似模型，力學測試儀器或儀表等觀測測量模型表面或者內部力學參數(shù)分布規(guī)律，獲得力學數(shù)據(jù)，進行分析得出結論，并利用到原型中，推斷原型中多種力學變化問題以及產(chǎn)生的原型變化規(guī)律，進而更好地解決實際問題。對于崩落法采空區(qū)頂板及地表而言，原型試驗研究時間長，研究經(jīng)費高昂，安全性不能保證，礦山地質情況各不相同，結果不利于推廣。而模擬試驗方法相對方便許多，這種方法條件易控制、破壞方式易于觀察、試驗周期相對縮短很多、模型可以多組制作且具有可復制性。

2.1 實驗材料選取及模型制作

相似材料的選擇是相似模擬實驗的重要一環(huán)，相似材料的要求有以下幾點：（1）材料獲取方便，價格低廉，制作簡單，成型快;（2）材料的變形和力學強度變化均勻，易于做測量工作，而且材料無毒無害，不影響人類的健康;（3）材料的物理力學的性能可靠穩(wěn)定，不會因為空氣的濕度、溫度或者氣壓等條件的變化從而發(fā)生較大的改變;（4）改變配比時方便，因為材料的配比發(fā)生變化時，材料的物理力學指標會發(fā)生較大幅度的變化;（5）破壞特征及變形特征要與原材料相符。

本次相似材料模擬實驗材料選擇水泥為膠結材料，選擇河沙和碎石子為骨料，材料配比如表1所示。模型試件如圖1所示。

2.2 加載平臺模型制作

本次相似模擬實驗加載模擬設備選擇用自制設備，本設備具有創(chuàng)新性，針對本次實驗設計，實驗臺分為承壓設備和加載裝置兩部分。承壓設備選擇采用角鋼外圍架、承裝模擬地表的四塊鋼板組合成的鋼板組合框和一塊鋼板，角鋼的優(yōu)點在于抗壓和抗拉強度極高，能承受很大的力，而且易于組合成型，通過切割焊接工藝即可完成組合制作過程。選取等邊角鋼，角鋼型號選取5#角鋼50 mm×50 mm×5 mm。角鋼架按照長×寬×高=620 mm×340 mm×720 mm，鋼板組合框按照長×寬×高=585 mm×260 mm×70 mm，鋼板按照長×寬×厚=580 mm×260 mm×8 mm進行切割，焊接。角鋼外圍架見圖2。

2.3 實驗過程

將混凝土試件平穩(wěn)放入角鋼架內，注意不要損壞擠壓到導線，然后將模擬地表鋼框放在混凝土試件上，并倒入砂石，鋪上鐵板，放置千斤頂和鐵塊頂在角鋼架上固定，連接應變片導線到儀器的通道接口上去，打開儀器電源，預熱約20分鐘，打開操作軟件記錄實驗數(shù)據(jù)，使用千斤頂加載混凝土試件直到試件破壞，試驗結果如圖3所示。

3? ? 采空區(qū)頂板破裂規(guī)律分析

對模型各處破壞進行研究，其破壞結果如圖4、圖5所示，應力應變如圖6所示。

根據(jù)應變隨時間變化圖6發(fā)現(xiàn)，試件受力到破壞全過程應變片變化分為3組：

第一組為拱肩CH11和CH12應變片，受力開始斜率即為最大，增長最快，整體應變受壓，0～6 s時CH11為受拉，CH12受壓，分析可能加載初期加載力分布不均勻造成。其中6～8 s時增長為最快，CH11應變發(fā)生轉折，由受拉轉為受壓，分析原因可能為CH11粘貼位置為拱肩偏下，且豎直略傾斜粘貼，破壞位置恰好在應變片偏上部，該處位置為頂板和側幫連接處，應變變化最為復雜。而之后應變一路猛增直到在22 s時試件破壞，CH11、CH12都造成破壞且最大應變分別為252.3 με與176.7 με。破壞裂隙為由外側圍巖向內傾斜破壞恰好發(fā)育到拱肩位置，分析原因為頂板跨中破壞后在極短的時間后試件分為兩個懸臂梁，拱肩位置外側受拉內側受壓造成破壞形成由外向內的裂隙，而CH11與CH12應變最大值不同是因為粘貼測量位置不同，CH11粘貼在靠近拱肩外側應變值更大。分析CH11與CH12應變變化最大的原因為豎直方向均勻受力，頂板向下微彎曲，變形最大的位置即為拱肩（頂板與側幫連接處）。

第二組為頂板下粘貼的CH1～CH4應變片，整體應變受拉，0～4 s時應變微增長變化很小。4～12 s時應變開始加速增長且增長速度基本相同。12～16 s時增長速度繼續(xù)加快但各點增長斜率開始變化CH3=CH4>CH2>CH1，且在14～16 s時出現(xiàn)應變平直期，分析靠近跨中即千斤頂下部位置應力最大，出現(xiàn)平直期說明試件具有抵抗載荷的能力。16～22 s時應變增長速率加快CH3>CH4>CH2>CH1，其中CH1、CH2、CH4應變增長速率基本相同且低于CH3，而CH3應變呈現(xiàn)突增趨勢一路猛增，最大值應變峰值達到-285.4 με，分析頂板跨中應力最大，且出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力值大于附近應力值很多，受拉最為明顯，而另外3個應變片應變變化穩(wěn)定，應變排序固定。

第三組為頂板側面粘貼的CH5～CH10（無CH8）應變片，第三組應變變化速率整體均小于前兩組變化速率，呈現(xiàn)相對低速率增長趨勢，整體變化趨勢基本趨于一致且均為受壓，只有CH5全過程為拉伸狀態(tài)，應變大小排序CH6>CH10>CH7>CH9>CH5，且破壞裂縫為曲折狀，分析跨中位置CH6應變依然為最大。而應變第二位的CH10粘貼在靠近頂板上部且靠近拱肩，這兩個部位應力值大。CH7與CH5粘貼位置距離CH6相等，但CH7粘貼位置靠頂板上部，所以CH7應力值大于CH5。CH5為拉應變原因未知，猜想為試件該位置內部微裂隙造成。造成此應變排序的原因為頂板側面上部受力大于下部受力且跨中受力最大向兩側遞減，且頂板上部受力程度大于跨中附近受力程度。

4? ? 結論

通過崩落法采空區(qū)頂板物理模擬加載實驗以及應變電測技術，得出采空區(qū)頂板受上部載荷作用下應力變化為：頂板跨中應力最大并且向兩側拐角位置遞減;破壞形式為：頂板跨中上受壓剪切破壞，頂板跨中下受拉拉伸破壞，拐角剪切拉伸破壞;破壞順序為：頂板跨中先破壞，拐角位置成懸臂梁狀態(tài)后破壞，內側受壓外側受拉，符合采空區(qū)堅硬頂板破裂機理理論。

參考文獻

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[2] 瞿群迪.采場上覆堅硬巖層組穩(wěn)定性分析及其應用[D].徐州：中國礦業(yè)大學能源科學與工程學院，1997.

[3] 唐曉玲，葉明亮.薄煤層堅硬頂板的薄板理論分析及來壓預報[J].西部探礦工程，2003（2）：88-92.

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