王之宇

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000）

相似模拟实验在覆岩运动研究中的应用

王之宇

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000）

针对相似模拟实验在地下工程中的应用问题，以陕西双龙煤矿大巷修复工程为例，对上覆岩层运移规律的相似模拟实验过程进行了分析。结果表明，通过相似模拟实验得出的上覆岩层压力变化曲线与现场实际情况相符，根据实验结果制定的大巷修复方案取得良好效果，相似模拟实验是解决地下工程岩层控制问题的有效手段之一。

相似模拟实验；地下工程；岩层控制

在矿山、交通、水利和城市建设等领域中，都会涉及到大量地下工程，这些地下工程对社会发展起到巨大推动作用［1］。同时面对大量岩土开挖，地下工程涉及到很多岩体破坏和变形失稳等问题［2］。模拟实验、现场实测和理论分析是研究地下工程问题三种常用的方法［3］。地下工程的主要研究对象是天然岩体，其影响因素非常多，物理过程很复杂，受人为扰动严重，要想准确得到描述岩体应力和应变关系的本构方程较为困难，难以对问题进行准确理论分析。相似模拟实验则可以体现出地下工程结构与天然岩体特性的相互影响，与数学模型互相验证，定量或定性地反应出有关围岩受力特性［4］。许多目前用力学方法和数学方法不易解决的问题，都可以通过相似模拟实验来找到突破口［5］。

1 相似模拟实验理论基础

定理：若两个现象的单值条件相似，而且由单值条件组成的同名相似准则数值相同，则两现象相似［6］。

上述定理阐述了两个现象相似的充分条件和必要条件，是物理相似模拟实验的理论基础和核心［7］。

2 相似模拟实验应用实例

2.1 工程背景

黄陵县双龙煤矿两条大巷在工作面开采之后发生比较严重的变形和破坏，需要对回风大巷和运输大巷的支护方式采取改良措施，为此要对大巷上覆岩层随着工作面推进的变化规律做以研究。

2.2 相似条件确定

要保证模型工作面开采过程中上覆岩层运动规律与原型相似，首先要确定本次实验的相似条件。求得主要相似常数如下［8］：

式中，cl-几何相似常数；cγ-容重相似常数；cs-位移相似常数；cσ-应力/载荷相似常数；cτ时间相似常数；lp-原型几何尺寸；lm-模型几何尺寸；γp-原型容重；γm-模型容重。

2.3 相似材料

以现场地质勘察和煤岩力学试验为依据，确定岩层和煤层的力学参数如表1所示。模型铺装的主要材料有河沙、石膏和大白粉，其中河沙做骨料，石膏和大白粉做粘结材料。根据原型和模型参数间的相似关系，计算出相似材料的合理配比［9］，将其按比例加水混合搅拌均匀后进行铺装，岩层之间撒云母粉进行分层。

表1 煤岩力学参数

2.4 实验过程

待铺装的模型风干后即可开始实验。首先开挖巷道并调试压力传感系统，两条巷道开挖完毕后给模型顶部加配重，用来模拟地表山峰。最后安装并调试用来测力巷道围岩压力的小比例巷道测压装置，实验准备就绪时模型形态如图1所示。

图1 模型全景

首先在模型左端开切眼，切眼距离左边界30 cm，跨度10 cm。从左至右回采1404工作面，每次推进距离为5 cm。工作面回采170 cm后到停采线，停采线与回风大巷中心线距离40 cm。此时模型垮落形态如图2所示。

然后回采位于巷道右侧的1304工作面。在模型右边界10 cm处开切眼，切眼跨度10 cm。工作面推进到30 cm时，直接顶发生垮落。工作面推进到95 cm处时，回风大巷的测压装置读数明显增大，顶板垮落高度达30 cm。工作面170 cm时到达停采线。模型垮落形态如图3所示。

图2 1404工作面推进至停采线时覆层垮落形态

图3 1304工作面推进至停采线时覆层垮落形态

由于煤层顶板为泥岩，遇水后发生泥化，形成大采高效应［10］。为模拟这种现象，在工作面回采完毕后对冒落带进行注水，采空区覆岩发生缓慢下沉，两条大巷压力明显增大。位移巷道上方的岩体呈现倒梯形，此时模型素描图如图4所示。

图4 模型整体素描图

2.5 结果与分析

1404 工作面回采结束并且稳定后，采集底板压力传感器的数据。工作面回采后与初始时的上覆岩层压力曲线如图5所示。

从图5可以看出，1404工作面回采完毕后，位于采空区前方的传感器数值增加明显，最大压力为105 kg，增加64 kg。采空区前方70 cm范围内受到支承压力影响，两条大巷就处于此范围内，说明大巷此时已经承受了较大支承压力。

图5 1403工作回采完毕后的覆岩压力变化

1304 工作面回采结束并且稳定后，通过分析底板压力传感器数据，得到上覆岩层压力曲线如图6所示。

由图6可以看出，当1304工作面回采完毕时，位于大巷两侧的采空区支承压力发生叠加，而且叠加位置正好位于护巷煤柱上方，造成煤柱压力急剧增大，传感器最大压力达430 kg，增加了400 kg，动压对大巷的影响更加明显。

通过实验还可以看出，两条大巷均为处于采动高应力区的软岩大巷，工作面回采形成的压力是大巷变形和破坏的主要原因。此外，采空区泥岩遇水被压缩而形成的大采高效应也是原因之一［11］。

图6 1304工作回采完毕后的覆岩压力变化

根据实验结果，对两条受损大巷采用在“锚杆锚索+挂网+喷浆+W钢带”的基础上架U型钢可缩性支架进行支护的修复方案［12］。矿压观测表明，修复后100 d内，运输大巷顶板移近量18-81 mm，两帮移近量25-69 mm。随后的100 d内，顶板移近量仅为0-1.48 mm，两帮移近3-17 mm，支护效果良好。

3 结论

双龙煤矿两条大巷严重受损的主要原因是工作面回采形成的采动压力，冒落带泥岩遇水被压缩而形成的大采高效应使大巷的变形破坏进一步加剧。相似模拟实验可以很好地反映出上覆岩层运移规律和压力分布特征，根据实验结果制定的“锚杆锚索+挂网+喷浆+W钢带+U型钢可缩支架”支护方案取得良好效果。相似模拟实验是研究和解决地下工程岩层控制问题的有效手段之一。

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（责任编辑：张国春）

Application of Similarity Simulation Experiment in Study of Overburden Movement

WANG Zhi-yu
（College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources，Shangluo University，Shangluo726000，Shaanxi）

Directed to the questions about the application ofsimilarity simulation experiment in underground works，the main road rehabilitation works of Shuanglong Coal Mine is taken as an example to analyze similarity simulation experiment in overburden movement.The results indicated that the overburden pressure which reached by the similarity simulation experiment was in complete accord with the actual state，the renovating plan that goes with the results of the experiment achieved good effect.Similarity simulation experiment is one of the effective methods to address the problems with strata control.

similarity simulation experiment；underground works；strata control

TD353

A

1674-0033（2015）04-0040-03

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.04.011

2015-04-20

教育部科学技术研究重点项目（地方03166）

王之宇，男，陕西商州人，硕士，助教