采动影响下断层附近矿压显现规律的相似模拟试验方案设计

工作面井下位于一采区三条下山的东翼，工作面开采1#、3#煤层，工作面回采1#、3#煤层。110302（里段）工作面：走向长为452.5m；倾斜长为166m；可采面积为75115m。工作面直接顶为平均厚度1.75米的粉砂岩；老顶为平均厚度为199m的飞仙关组灰绿色粉砂岩；直接底板为平均厚度0.3米的灰色泥质粉砂岩；老底为平均厚度1.25m的灰色粉砂岩。因在110302（里段）工作面出现了断层，所以需要过断层带。

2 试验模型设计

2.1 测试所需仪器设备

本模拟试验采用相似材料二维加载模拟试验台（相似材料尺寸长×宽×高为4m×0.3m×2m）进行实验，并通过安装在上面的位移传感器、压力传感器和电阻应变片来进行实验的数据采集，运用伺服控制系统、LENOVO系统控制微机、TS3890型静态应变测量处理仪等进行数据的处理。

2.1.1 相关物理学力学参数

依据断层附近钻孔和试验资料，1～8号岩层岩石的物理力学参数分别为：粉砂质泥岩原岩的厚度为18.15m，密度为2550kg/m3，抗压强度为13.2MPa；粉砂岩原岩的厚度为1.25m，密度为2500kg/m3，抗压强度为43.5MPa；泥质粉砂岩原岩的厚度为0.3m，密度为2460kg/m3，抗压强度为15.3MPa；3#煤层原岩的厚度为2.3m，密度为1620kg/m3，抗压强度为10.0MPa；泥岩、泥质粉砂岩原岩的厚度为0.7m，密度为2460kg/m3，抗压强度为13.2MPa；1#煤层原岩的厚度为1.4m，密度为1620kg/m3，抗压强度为7.44MPa粉砂岩原岩的厚度为1.75m，密度为2500kg/m3，抗压强度为43.5MPa；飞仙组灰绿色粉砂岩原岩的厚度为127.32m，密度为2500kg/m3，抗压强度为47.5MPa。

2.1.2 选取试验相似常数

通过运用相似理论并结合实际试验模型可确定相似常数如下：（1）几何相似常数：本次试验中使用的模型架尺寸为长×宽×高=4m×0.3m×2.0m，本次试验通过在模型上部加载作为应力补偿，设计模型尺寸为4m×0.3m×1.8m，断面实际模拟高度180m，其几何相似常数取100。 （2）容重相似常数：原型中的岩层多为泥岩、粉粉砂岩和砂质泥岩，由以往经验容重相似常数取为1.5。 （3）应力相似常数：模拟方案定比例为1：100，模型铺设高度为 180cm，模拟岩层断面高度为180m，采用模拟加压来产生压力的高度为剩余的60.61m。上覆岩层的容重按25KN/m3来计算，则采用模拟加压的60.61m的深度产生的压强为1.52Mpa；根据模型的尺寸，以及预定相似比例，实际加载压力为9.12KN。（4）时间相似常数：按现场正规工作，实验开挖进度为1.8cm/h（一天开挖43.2cm，400cm长的模型共开挖7d），模拟实际进度为1d进尺3.6m。

2.1.3 相似材料配比及分层用量

本试验根据模型的特点和相似材料的性质选取河砂、石灰、石膏、云母粉和水做为原材料，再结合实验室掌握的相似材料配比实验资料来确定相应岩层的相似材料配比及材料用量。其中材料用量的计算以模型分层为条件，每一个模拟地层为一个计算单元，通过相似常数的利用，分别计算出各层原材料用量，材料配比基本计算公式如下：

式中：Gi——模型第 i 层的用料总量；Ai——模型第 i 层的侧面积；

γi——原型第 i 层的容重；m——模型厚度。

2.2 模型监测点布置

观测线在水平和垂直方向上每隔40cm设置一条，以此可在模型表面形成纵向和横向为40cm×40cm的方格，断层附件测点间距为20cm。铺设过程中分三层布置埋设压力传感器，分别布置在煤层底板细砂岩、开采煤层和3#煤层以上第三层黑色泥岩中。

3 相似模拟模型方案设计

设计的模型几何尺寸如图2所示。模型为平面应力模型，尺寸为长×宽×高=400cm×30cm×180cm。根据工作面的地质构造条件，从煤层底板开始，首先铺设下盘岩层，然后断层的结构面通过在断层面上撒上云母粉来模拟，之后断层的上盘地层模型用同样的方法制作。试验前在距离模型一侧边缘50cm处开挖切眼，切眼宽度2.4cm，高度3.7cm，按1：100的比例设计。模型两边各留50cm边界煤柱，距离开切眼200cm出有一倾角45o，落差2.5m的正断层。

参考文献：

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]吴基文，童红树.断层带岩体采动效应的相似材料模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2007（26） （增刊2）：2346-2351.

[3]吴基文，童宏树，童世杰等.断层带岩体采动效应的相似材料模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2007（S2）：4170-4175.

六盘水师范学院大学生创新性实验项目

作者简介：陈占齐（1991-），男，河南民权人，本科。

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