王社新 王磊

摘 要：相似模擬實(shí)驗(yàn)示意相似理論為基礎(chǔ)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的一種模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是利用事物或者現(xiàn)象間所處在的一些相似特征規(guī)律來(lái)研究自然規(guī)律的一種科學(xué)手段，適用于難以用理論分析方法獲取結(jié)果的研究領(lǐng)域。本次采用相似模擬實(shí)驗(yàn)主要研究深部薄煤層保護(hù)層開(kāi)采之后觀察被保護(hù)層的應(yīng)力場(chǎng)的變化以及被保護(hù)層的卸壓情況。

0前言

本次采用相似模擬實(shí)驗(yàn)主要研究深部薄煤層保護(hù)層開(kāi)采之后觀察被保護(hù)層的應(yīng)力場(chǎng)的變化以及被保護(hù)層的卸壓情況。本文以64#煤層五采區(qū)左二片為基礎(chǔ)研究對(duì)象，根據(jù)相似原理進(jìn)行調(diào)整有關(guān)地質(zhì)條件以及力學(xué)參數(shù)。使其符合一般煤層開(kāi)采規(guī)律。主要研究以下內(nèi)容：保護(hù)層開(kāi)采的保護(hù)范圍;保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層的應(yīng)力應(yīng)變情況。

1相似模型設(shè)計(jì)

相似模型設(shè)計(jì)根據(jù)煤礦的實(shí)際工作面條件確定實(shí)驗(yàn)的幾何相似比（原型幾何尺寸Lp與模型幾何尺寸Lm之比）選擇為。動(dòng)力相似，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中選用的相似材料，以及我國(guó)煤礦巖石的密度，動(dòng)力比例系數(shù)為。應(yīng)力相似，從理論得知。由于泊松比為無(wú)量綱的參數(shù)，因此，相似材料的泊松比要與巖石的相同。模型材料選用石膏混凝土，其主要成分為砂子、石膏、石灰等，改變膠結(jié)劑和骨料的組分，可以模擬不同類型的巖層。砂子粒度以0.15mm～0.5mm為宜，石灰宜采用新鮮燒透的灰塊，石膏為熟石膏。

⑴ 試驗(yàn)加載值計(jì)算

對(duì)于模型上未能模擬的上覆巖層厚度，需用加載的方法來(lái)模擬，模型上需要施加的重力載荷為：

式中——上覆巖層容重，其平均值約為25KN/m3（泥巖容重），。

其中：在相似材料模擬試驗(yàn)參數(shù)取值為：

H從地表至煤層的上覆巖層厚度，650m

H1—— 煤層上面模型模擬的巖層厚度，44m

即：=113.63KN

為彌補(bǔ)模型與槽鋼檔板之間的摩擦力引起的載荷損失，需補(bǔ)償摩擦力載荷qm2以減小摩擦損失，要求將模型每邊的槽鋼置于同一豎直面內(nèi)，且模型材料與槽鋼之間鋪一層有機(jī)玻璃紙或塑料薄膜夾黃油。取四周摩擦阻力系數(shù)f=0.2，以極限應(yīng)力狀況估計(jì)摩擦補(bǔ)償載荷，單位長(zhǎng)度（cm）上的摩擦力可按下式計(jì)算：

式中：

沿傾斜方向的相似材料模擬模型共需補(bǔ)償載荷為：

=113.630.21+0.751=23.48KN。（ 泥巖容重 ）

根據(jù)以上公式計(jì)算得：

相似模型所需補(bǔ)償載荷約為：Pm=23.48KN。

⑵加載方式

相似模型試驗(yàn)采用施加配重進(jìn)行配置。

2相似模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）模型的開(kāi)采

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)采的實(shí)際情況，計(jì)算模擬開(kāi)采距離，每次開(kāi)開(kāi)采2cm間隔一小時(shí)之后進(jìn)行觀測(cè)。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置方式

在模型上每隔5cm就布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一共布置19條監(jiān)測(cè)線每個(gè)監(jiān)測(cè)線上每隔5cm布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從上至下均勻分布。

（3）壓力傳感器的布置

實(shí)驗(yàn)用BX-1型壓力傳感器來(lái)測(cè)定應(yīng)力的分布情況。

（4）觀測(cè)方法

①位移觀測(cè)方法。測(cè)點(diǎn)位移采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行位移觀測(cè);

②應(yīng)力觀測(cè)方法。應(yīng)力觀測(cè)采用的應(yīng)力觀測(cè)為BX系列傳感器。

3被保護(hù)層應(yīng)力場(chǎng)變化分析

在被保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)力隨著保護(hù)層的推進(jìn)也發(fā)生著變化。隨著保護(hù)層工作面的推進(jìn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)力也經(jīng)歷了原始應(yīng)力、應(yīng)力集中、卸壓、應(yīng)力恢復(fù)幾個(gè)階段。保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中，單個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化如圖2所示。開(kāi)挖過(guò)程中多個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化如圖3所示。開(kāi)挖后應(yīng)力整體變化如圖4所示。

如圖4、5所示，在距離測(cè)點(diǎn)30-20m處，應(yīng)力基本未發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)得的應(yīng)力為原巖應(yīng)力，約為10.1MPa左右。在工作面距離測(cè)點(diǎn)10-15m處，，應(yīng)力迅速增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中一直持續(xù)到工作面超前測(cè)點(diǎn)10-15m處。此處應(yīng)力集中區(qū)。在工作面超前測(cè)點(diǎn)10-15m處，應(yīng)力急劇下降最低應(yīng)力降到了3.8MPa。在工作面超前測(cè)點(diǎn)30m左右出現(xiàn)了最大卸壓。開(kāi)挖后應(yīng)力整體變化如圖4-10所示，在距切眼后20-65m處為卸壓區(qū);在80m處為應(yīng)力集中區(qū)，此處應(yīng)力大于原始應(yīng)力。

4結(jié)論

在相似模擬理論和新興煤礦地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上確定了相似模擬方案和相似模擬參數(shù)，通過(guò)保護(hù)層的開(kāi)采相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)保護(hù)層開(kāi)采的過(guò)程中被保護(hù)層的變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行了考察。在距測(cè)點(diǎn)20cm處應(yīng)力迅速增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;在距測(cè)點(diǎn)20cm處發(fā)生卸壓，應(yīng)力急劇下降到9.5MPa左右，小于原巖應(yīng)力。

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作者簡(jiǎn)介：第一作者：王社新（ 1969-） ，男，吉林榆樹(shù)人。1994年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院采礦工程專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)任龍煤雙鴨山公司生產(chǎn)技術(shù)部部長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事煤礦安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理工作。