張二偉,周俊杰,姚 宇
(1.潞安集團 余吾煤業(yè)有限公司,山西 長治 046103;2.河北工程大學 地球科學與工程學院,河北 邯鄲 056038)
實驗室相似材料模擬技術被廣泛應用于煤層采掘活動中,特別是采場礦壓顯現(xiàn)和覆巖運動規(guī)律及破裂變形研究。目前,針對礦井覆巖運動研究采用的主要是二維相似材料模型的研究方式,在具有一定長、寬、高(長和高遠大于寬)的試驗臺上,將配比好的相似材料按照一定比例攤鋪,自然風干后形成測試模型。在相似材料模擬采掘活動的覆巖破壞觀測中,常采用的高精度攝像、應力應變片監(jiān)測和高精度測量裝置觀測等手段和方法,對覆巖位置不同位置的位移量進行監(jiān)測。為更好圈定破壞變形的范圍和位置,此次采用低應變反射波法進行探測,通過反演分析圈定出相似材料模擬模型破壞變形區(qū)域和范圍。
采用相似性原理對山西省余吾煤礦3號煤開采情況進行二維模擬,試驗臺4 000 mm×2 800 mm×300 mm(長×寬×高),3號煤平均厚6.10 m,煤層水平頂?shù)装鍘r性分別為泥巖、粉砂巖等巖層,巖體力學參數(shù)見表1。
表1 巖體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass
依據(jù)相似材料特性,采用砂子、石膏、煤灰、水泥和水為原材料,按照不同巖性的變化進行配比,得到相似常數(shù),見表2。
表2 模型尺寸及相似常數(shù)Table 2 Size and similarity constant of model
反射波法測樁原理如圖1所示,用橡膠錘激勵樁頭,產(chǎn)生的應力波將沿著樁身向下傳播,在傳播過程中,如遇到波阻抗界面,將產(chǎn)生反射和透射。彈性波反射和透射能量的大小取決于2種介質(zhì)波阻抗的大小,最終結(jié)合振幅大小、波速高低、反射波到達時間等,對模型內(nèi)部結(jié)構缺陷位置、特征等作出判斷。
圖1 反射波檢測基樁完整性示意Fig.1 Integrity schematic diagram of reflected wave detection pile
相似材料模型彈性波速速度測試如圖2所示。
圖2 相似材料模型彈性波速速度測試Fig.2 Test of elastic wave velocity of similar material model
在模型的頂部布置錘擊點和波速度接收點,采用自激自收方式,點間距布置為5 cm,在異常點處加密方式進行測量。在上覆壓力和作用力下,模型覆巖相似材料巖體會發(fā)生相應的變形,通過模型頂部不同測量位置處彈性波場的激發(fā)與接收,分析彈性波速度和振幅的變化,反演得到模型中不同位置的變化。
分別對制作好的相似材料模型采用擬動態(tài)觀測方式,采掘前和開挖形成一定規(guī)模采空區(qū)引起覆巖發(fā)生變形后進行多次多點彈性波測量,通過對比覆巖運動形成材料層的剝離、裂隙帶的位置,分析和評價覆巖運動影響位置。
實驗采用北京智博聯(lián)有限公司生產(chǎn)的基樁動測設備ZBL-P810系統(tǒng),傳感器精度83 um。按照圖3所示工程布置方式,對相似材料模型的頂部以5 cm為間隔進行彈性波波形、波速度采集工作。
首先對模型區(qū)內(nèi)未發(fā)生采掘活動時進行探測,收集圖3中A(左側(cè))、B(中間)和C(右側(cè))處數(shù)據(jù),得到反射波的波形變化,如圖4所示。
圖3 模型頂面測量點工程布置Fig.3 Engineering layout of measuring points on top of model
圖4 未采掘時相似材料模型反射波探測成果Fig.4 The reflected wave detection results of similar material model before mining and excavation
從比圖中各點位置處的波形可以看出,總體波形形態(tài)基本一致,底部能量最強,反射波明顯,波形振幅最大,說明模型內(nèi)相似材料物質(zhì)較為均勻,各層之間基本無反射,只在底部存在強反射波形。
隨著開挖的不斷進行,相似材料覆巖運動特征發(fā)生明顯變化,如圖5所示。當采掘至260 m(圖5a),發(fā)生空頂現(xiàn)象,垮落帶高度穩(wěn)定在38 m左右,裂隙帶高度發(fā)育在100 m左右;采掘至300 m(圖5b),垮落帶高度穩(wěn)定在38 m左右,裂隙帶發(fā)育高度穩(wěn)定在105 m左右,兩側(cè)垮落高度、裂隙帶發(fā)育基本一致。
圖5 不同開挖步長的覆巖運動局部變形特征Fig.5 Local deformation characteristics of overlying rock movement with different excavation velocity
以采掘300 m為研究對象,按照上述探測測量布置方式進行相同方法的探測和測試,得到的相似材料模型的A、B、C處的波形特征,如圖6所示。
圖6(a)整體波形受頂部裂隙的影響,波形振幅變?nèi)?,底部反射波形明顯。大約在距離頂部0.18 m和0.4 m處反射波形有變化,認為結(jié)構有一定的破壞,破壞帶特征明顯,推測在0.18 m和0.4 m處結(jié)構中存在裂隙。
圖6(b)整體波形受頂部裂隙的影響,波形振幅變?nèi)?,底部反射波形明顯。大約在距離頂部0.5 m、1.15 m處反射波形有變化,破壞帶特征明顯,推測在0.5 m、1.15 m處結(jié)構中存在裂隙,在1.15 m處存在大的裂縫。
圖6(c)整體波形受中間裂隙的影響,呈一定的周期震蕩,反射波形振幅遞減,底部反射波形明顯。大約在距離頂部0.5、0.8、1.1 m處反射波形有變化,破壞帶特征明顯,推測在0.5、0.8、1.1 m處結(jié)構存在裂隙。
圖6 采掘300 m相似材料模型反射波探測成果Fig.6 The reflected wave detection results of similar material model when the mining length was 300 m
依據(jù)相似材料模擬結(jié)果,統(tǒng)計模型破壞的測量數(shù)據(jù),見表3,并繪制開挖300 m厚模型裂隙深度分布圖,如圖7所示。依據(jù)相似材料模型動態(tài)監(jiān)測結(jié)果可以看到,相似材料模型中各種結(jié)構基本清晰,各探測結(jié)果中存在著明顯的反射波組變化。
圖7 相似材料模型開采300 m探測解釋裂隙深度分布Fig.7 Fracture depth distribution diagram detected and interpreted in similar material model when the mining length was 300 m
表3 覆巖運動穩(wěn)定后探測解釋結(jié)果Table 3 Detection interpretation results when overlying rock movement was stable
相似材料覆巖運動破壞裂隙帶位置可通過低應變反射波法進行探測。試驗測試結(jié)果、解釋結(jié)果和實物測量結(jié)果基本吻合,表明低應變反射波法可用于相似材料模型裂隙帶的探測。