采场底板突水相似材料模拟研究.pdf

水文地质工程地质 采场底板突水相似材料模拟研究 黎良杰 北京大学 100871 钱鸣高 中国矿业大学 徐州 221008 殷有泉 北京大学 100871 摘要 利用相似材料模拟试验,模拟了采场底板突水机理。 实验表明,在无断层构造条件下,底 板在承压水作用下呈O2X型破坏,并且在O与X的交点处最容易产生突水通道;在有断层构造条 件下,断层突水的的实质是在承压水作用下断层两盘的关键层向上产生相对移差。 当断层越易产生 最大位移差时,越容易突水;在突水的同时还伴随着断层带充填物的冲刷。 关键词 模拟试验 底板 突水 断层 中国图书资料分类法分类号 P641173 作者简介 黎良杰 男 30岁 讲师 博士后 采矿工程 力学 1 引言 由于采场底板突水问题的特殊性,人们不可能 在现场观察到底板突水时的破坏过程,本文采用相 似材料模型法来研究采场底板突水机理。 相似材料模型法的实质就是用与原型物理力学 性质相似的材料按几何相似常数缩制成模型,在模 型中开挖各类工程,观测模型在开挖过程中发生的 一系列现象,以研究工程围岩的变形、 破坏、 塌落和 突水等问题,从而得出问题的本质或机理。 煤炭科学 研究总院北京开采所刘天泉、 张金才采用平面应力 模型,利用弹簧模拟水压,模拟了煤层及其顶、 底板 的应力、 位移变化情况[1]。山东矿业学院特殊开采 所、 中国矿业大学等也曾经做过类似的工作,并得到 了基本一致的结论。但是这些模型试验基本上是采 用平面应力模型,不仅边界条件很难满足,而且在模 拟水压时,既不能完全反映承压特点,也不能反映水 的渗透冲刷性能。因此本文的相似材料模型法采用 了定性立体模型和平面应力模型,而且含水层的水 压力仍然用水来模拟。 2 相似理论基础 不管是平面应力模型,还是立体模型都必须满 足几何、 物理力学性质、 时间相似以及边界条件和开 采过程相似。 211 几何相似 对二维或三维相似材料模型,各个方向都必须 按如下相似常数比例制作,即满足 长度相似,Αllplm 1 面积相似,ΑAl2pl2m 2 体积相似,ΑVl3pl3m 3 其中 Αl、 ΑA、 ΑV分别为长度、 面积和体积相似常数; 下角号m和p分别表示模型和原型。 212 物理力学性质相似 在弹性范围内,原型与模型都应当满足平衡微 分方程,在考虑自重作用时,可推出满足方程的相似 指标为 ΑΡ ΑlΑΧ 1 4 其中 ΑΧ容重相似常数,ΑΧΧp Χm; ΑΡ强度相似常数,ΑΡΡp Ρ m。 另外,物理力学性质还要求满足弹性模量相似,即常 数 ΑEEpEm和变形相似,即常数 Α ΕΕp Ε m。 严格地讲,对于破坏过程应当使模型材料与原 型材料的强度曲线相似,但是这一要求往往很难完 全满足。事实上在底板突水机理的定性模拟中也没 有必要,因此利用将莫尔圆包络线看作直线的简化 方法,即满足 33第25卷 第1期煤田地质与勘探 ΑΡl ΡlpΡlm; 5 ΑΡt ΡtpΡtm; 6 ΑCCpCm; 7 ΑΥΥp Υm; 8 式中 ΑΡl抗压强度相似常数; ΑΡt抗拉强度相似常数; ΑC粘聚强度相似常数; ΑΥ内摩擦角相似常数。 另外,破坏过程涉及运动学,严格地说还应满足 牛顿第二定律,但是本文只考察破坏形式和结果,因 此对运动过程相似不作考虑。 213 时间相似 由apam g,有 lp lm t2m t2p 1 所以 Αt tm tp Αl 9 式中 ap原型重力加速度 ,m s2; am模型重力加速度 ,m s2; g重力加速度 ,m s2; Αt时间相似常数; tm模型上进尺单位长度所需时间; tp原型上进尺单位长度所需时间。 214 边界条件和开采过程相似 模型的边界条件和开采过程与原型应尽量一 致。 3 无断层条件下底板突水模拟研究 311 模型总体设计及相似材料选择 本模型模拟的目的是要弄清楚在没有断层构造 条件下底板在承压水作用下的破坏形式及破坏后的 结构特征和最容易突水的位置。根据文献[2],主要 模拟在底板突水中起关键作用的关键层的破坏形 式。因此特别设计了一个长方体 1 13 m014 m 012 m的模拟架,总体模型设计如图1所示。 模型采用的几何相似常数为 Αl 100,容重相似 常数为 ΑΧ 1154,泊松比、 内摩擦角相似常数均为 1,时间相似常数 Αt 10。 相似材料选用砂子、 碳酸钙 及石膏,以硼砂作缓凝剂,其配比如表1。 312 实验结果及分析 当水压增加到一定大小时,首先可以看到从模 型表面中央沿长边方向出现微裂缝。 事实上,从老顶 图1 模型的总体设计 表1 相似材料的配比及物理力学参数 序号岩层 厚度 cm 配比 号 容重 Ncm- 3 ΡC kPa Ρt kPa Ρt Ρ C 附加层465515121161716 model 7、8 关键层4337152835615105 含水层10 注含水层由石子和水组成。 板模型来看,模型应当首先在下表面沿长边边界方 向出现微裂缝图 2a , 然后沿短边方向出现微裂缝 图 2b , 接着再沿长边中央方向出现微裂缝图 2c , 只是由于模型的上表面在四周边界处是受挤压 的,下表面受张拉情况无法观察到,以致于在模型上 看到的是先在其中央长边方向出现裂缝。最后中央 方向裂缝与四周裂缝贯通,即形成所谓的OX型破 坏,图 2d 所示上述裂缝发展和本文中的全部实验 结果均有彩色照片显示,见参考文献[3],并且很快 在X与O的交点处形成突水通道。 此时沿长边的两 个板块与周边仍可形成如图3所示的反三铰拱式 S2R平衡结构 [2]。只有当水压进一步加大时, 才会破 坏它的稳定性,从周边产生突水。 最容易产生突水的 图3 关键层形成的反三铰拱结构 a关键层的破断跨距;T水平挤压力;R剪切力。 43煤田地质与勘探第25卷 突水点位于O与X的交点,这主要是因为在X型裂 缝中都是下表面相互咬合,而在O型裂缝中都是上 表面相互咬合,只有在O与X型裂缝的交点处上下 表面都不咬合,因此,这一位置最容易产生底板突 水。文献[2]的理论分析也证实了这一点。对应于工 作面就是上、 下出口处最容易突水,尤其是下出口, 因为靠工作面上、 下出口附近,一般直接顶板还未垮 落,其底板关键层上的反向荷载比采空区小,而下出 口标高一般较低,其水压比上出口大,中部岩梁则可 能形成反三铰拱式S2R平衡结构[2]。这就从实验上 解释了工作面下出口处突水机率最大,上出口次之, 中部最小的现象。 另外,从底板岩层的OX型破坏特点证明,尽管 在底板关键层上加铺了附加岩层,但破坏仍取决于 底板关键层,仍然是OX型破坏,这就从实验上证明 了底板突水的关键层KS理论[2 ～4]是正确的。 4 断层构造条件下底板突水的模拟研究 411 模型总体设计及相似材料选择 本模型模拟的目的是要弄清楚断层突水的实质 及其影响断层突水的主要因素。根据文献[4],对断 层突水的模拟,可以简化为对断层两盘关键层闭合、 张开活化情况及其随工作面推进方向、 推进位置 关系的模拟。 考虑到支承压力对底板的破坏作用,在 模拟关键层的破坏时在其上加铺一层附加较软岩 层,模型采用平面应力模型,其总体设计如图4。 该模型采用的几何相似常数为 Αl 100,容重相 似常数为 ΑΧ 1154,泊松比、 内摩擦角相似常数均为 1,时间相似常数为 Αt 10。 相似材料选用砂子、 碳酸 钙及石膏,其配比如表2。 412 实验结果及分析 模型1、2、3设计如图5,主要考察断层倾向相 对于推进方向不同的突水难易程度及其本质。实验 结果表明,当断层倾向向左,而工作面从左往右推 进,且左边长度较小时,其突水的可能性小于工作面 图4 断层突水模型的总体设计 表2 相似材料的配比及其物理力学参数 序号 岩层 名称 配比 号 容重 Ncm- 3 Ρc kPa Ρt kPa Ρf kPa Ρt Ρ cΡf Ρ c model 1、2 附加层6551512116421716 1219 关键层5371519730751616 1216 model 3～6 附加层673157811321711 1214 关键层5371519730751616 1216 含水层 注含水层由砂和石子组成。 图5 断层突水机理模型总体设计 从右向左推进的情况,即与文献[4]中分析的张开型 断层比闭合型断层更容易产生突水的结论完全一 致。 对于某一具体矿区范围,由于其地质构造运动经 历基本相同,因此其断层的倾向也具有一定的规律 性,这就为特定条件下工作面开切眼的布置提供了 理论依据。对于断层突水的实质,实验结果表明,随 着工作面的不断推进,由于断层两边板块的长度不 同,断层两盘向上位移就不一致。 当两盘相对位移差 达到一定大小时,承压水即通过断层带突出,并且在 突水的过程中伴有断层带充填物的冲刷。这与文献 [4]的理论分析也是完全一致的。 M odel 4～6 考察了断层张开程度K距工作 面煤壁L1和距老塘煤柱L2距离的关系,实验结果 见表3。 从表3可以看出,断层两盘关键层越容易产生 相对位移时,断层就越容易突水,即张开型断层两盘 长度相差越大,越容易突水。 表3 突水时断层两盘岩梁最大向上位移 序号 距煤壁距离 L1cm 距煤柱 距离L2cm 靠煤壁岩梁最 大位移 ∆1mm 靠煤柱岩梁最 大位移 ∆2mm Model 43024 6341 Model 53222 245 Model 62727 70157015 3 Model 6 突水与其它模型不同,Model 6是从岩梁的两侧冒 水,不是从断层带冒水,这主要是由两侧密封所给的位移量大小所决 定。 53第1期黎良杰,钱鸣高等采场底板突水相似材料模拟研究 5 结论 a1 在没有断层构造条件下,承压水的作用使 底板呈OX型破坏,并且在O与X的交点处最容易 产生突水通道,即对应于工作面上、 下出口处最容易 产生突水通道。 b1 断层突水的实质是断层在承压水作用下断 层两盘关键层向上产生张开位移,而且当断层越容 易产生最大张开量时,越容易发生突水事故。 在突水 的同时一般伴有断层带充填物的冲刷。 c1 断层突水与否与工作面布置及推进方向有 关,张开型断层比闭合型断层更容易产生底板突水。 d1 底板突水机理的相似材料模拟研究结果, 证明了文献[2]、[3]、[4]分析底板突水的关键层 KS理论体系是正确的。 参考文献 1 张金才,刘天泉1论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征1 煤炭学报, 1990; 152 2 黎良杰,钱鸣高 1 底板岩体结构稳定性与底板突水关系的研 究 1 中国矿业大学学报, 1995; 244 18～23 3 黎良杰 1 采场底板突水机理的研究 1 中国矿产业大学博士 论文, 1995 4 黎良杰,钱鸣高 1 断层突水的力学分析 1 煤炭学报 , 待刊 收稿日期 199511 30 RESEARCH ON THE TESTSOFWATER-INRUSH FROM FLOOR SI M ULATED BY SI M I LARMATERIALS L iL iangjie Yin Youquan Peking U niversity Q ian M inggao China U niversity ofM ining The reason for water2inrush through fault is that the difference of upward relative displacements happens at the key strata of two sides of fault under the confinedwater pressure, and themore easily themost difference of displacement occurs, themore easily the ac2 cident of water2inrush happens, and the fill in the fault zone is eroded by the confinedwaterwhile the auident of water2inrush occurs. Keywords si mulation tests; flour; inrush; fault. 上接第59页 就变得十分有害而不容忽视。对策 a1 改用加速度检波器芯体,是治本之术; b1 速度检波器芯体选型。选型是指在制做充 气式两分量速度检波器前,以二次谐振作为选取槽 波速度检波器芯体的主要依据。 其主要要求有三点, 其一要求检波器芯体的二次谐振幅度尽量小,其二 要求检波器芯体的二次谐振峰数尽量少,其三要求 检波器芯体的二次谐振峰频率高于1 kHz; c1 增大速度检波器芯体的阻尼,最简单的方 法是减小速度检波器芯体上并联阻尼电阻的阻值, 但应注意其副作用会降低速度检波器的灵敏度; d1 增大槽波反射法施工中的纵向偏移距,当 然这种作法要适当,否则会增大槽波反射法探测的 盲区和分辨率; e1 采用小药量和高覆盖次数的观测方法; f1 在震源孔和检波器孔增填减震材料,其目 的在于减小声波引起的横向激励强度; g1 在遥控单元中增设专用带阻滤波器; h1 在槽波数据处理时实施带阻滤波。因为尽 管是同一型号同一批速度检波器芯体,其二次谐振 频率也不完全相同,而是具有一定的离散性。 我们在 实践中曾试用过单谷陷波器的办法,因为很容易失 谐,所以效果不如带阻滤波办法,若采用二级或三级 带阻滤波处理,其效果会更好。 4 结论 尽管槽波反射法在实际应用中有上述种种局限 性,只要能够正确地认识,就能更好地应用该方法探 测矿井小构造,为采矿提供可靠的地质依据。 收稿日期199603 27 63煤田地质与勘探第25卷