【正文】 到 35176。當(dāng)煤層傾角大于 20176。表 23 不同傾角煤層上下側(cè)卸壓范圍結(jié)果Different angle side abutment pressure distribution煤層卸壓范圍/m 最大應(yīng)力集中系數(shù)/m峰值位置煤層傾角（176。當(dāng)煤層傾角大于 20176。時(shí)峰值位置僅是 10176。???19 / 873 煤層開(kāi)采相似模擬研究 概述相似材料模型實(shí)驗(yàn)是一種以相似理論為基礎(chǔ)，通過(guò)用一定的相似材料構(gòu)造物理參數(shù)與工程相似的模型，來(lái)研究實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)方法。國(guó)外一些國(guó)家對(duì)相似材料模型試驗(yàn)在生產(chǎn)、科研中的應(yīng)用十分重視。模擬實(shí)驗(yàn)可人為控制和改變?cè)囼?yàn)條件，從而可確定單因素或多因素對(duì)礦山壓力影響的規(guī)律，試驗(yàn)效應(yīng)清楚直觀，試驗(yàn)周期短、見(jiàn)效快。但由于受生產(chǎn)布局等客觀條件的限制，平煤集團(tuán)八礦不具備實(shí)際觀測(cè)的條件，因此，本項(xiàng)研究以平煤天安八礦己二采區(qū)地質(zhì)條件為依據(jù)，以鄰近礦井的實(shí)際觀測(cè)資料為參照，采用類比與相似材料模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究八礦己組煤層開(kāi)采時(shí)該條件下側(cè)支承壓力的分布規(guī)律，為今后多煤層采區(qū)巷道布置提供參考。1914 年美國(guó)學(xué)者白金漢()也得到同樣的結(jié)果。第三定理可表述為：在幾何相似系統(tǒng)中，具有相同文字的關(guān)系方程式，單值條件相似，且由單值條件組成的相似準(zhǔn)數(shù)相等，則此兩現(xiàn)象也是相似的。相似模擬試驗(yàn)就是要用和原型力學(xué)性質(zhì)相似的材料，按照一定的幾何比例模擬巖體及煤層并進(jìn)行開(kāi)掘，在滿足相似的邊界及初始條件下，使在相應(yīng)的時(shí)期內(nèi)造成相似的礦山壓力現(xiàn)象。 模擬的地質(zhì)條件試驗(yàn)以平頂山天安八礦己二采區(qū)地質(zhì)條件為模擬原型，沿工作傾向簡(jiǎn)化為平面模型。之間，煤層?xùn)|西走向起伏較大，由東向西逐漸上坡。 模型架及相似系數(shù)的確定模型架要求有足夠大的剛度，且具有一定的寬度，以保證模型的穩(wěn)定性。對(duì)于本試驗(yàn)主要考慮重力相似，則： ?pmra?其中： ——模型容重；m?　　　 ——原型容重。.mrLpa???23 / 87表 31 模型尺寸及相似常數(shù) model size and similar simulation模型尺寸 模擬層數(shù) 幾何相似常數(shù) 容重相似常數(shù) 應(yīng)力相似常數(shù)2 9 相似材料配比及用量相似材料是按不同材料配比把各種材料混合而成的，在進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)前，為了了解所選材料的性質(zhì)以便使模型與原型保持較好的物理力學(xué)特性相似，要選取合適的相似材料配比，因此必須進(jìn)行配比試驗(yàn)。ir3/kgk由配比號(hào)確定各分層中各種材料的用量，計(jì)算公式如下：砂：碳酸鈣：石膏 )1(:BA?細(xì)河砂： 石膏： 碳酸鈣：iQW1?＝砂 iQW＋－＝石 膏 iQW1AB＋＝碳 酸 鈣水： 硼砂： 9＝水 水硼 砂 ＝ 10由以上公式算出模型上各分層的各種材料用量列表如表 33 下：表 33 材料用量25 / 87Table 33 Material consumption序 號(hào) 巖層名稱 模擬 厚度cm模擬強(qiáng)度kpa配比號(hào) 砂kg碳酸鈣kg石膏kg水kg 硼砂g1 底板 162 455 2 煤－已 1617 57 855粉煤灰：砂 3：1 3 砂質(zhì)泥巖 180 637 4 煤 已 15 57 855粉煤灰：砂 3：1 5 砂質(zhì)泥巖 1 192 746 6 細(xì)砂巖 1 290 646 7 砂質(zhì)泥巖 2 160 737 8 細(xì)砂巖 2 270 637 9 中粗粒砂巖 312 537 模型的制作模型的制作按以下步驟進(jìn)行：①在模板內(nèi)表面涂上機(jī)油，并將其安裝固定在模型架兩側(cè)；②根據(jù)上述表格計(jì)算出的分層材料用量，分別稱量所需砂、碳酸鈣、石膏的重量，倒入攪拌機(jī)內(nèi)，混合攪拌；③向混合料中加入一定量的緩凝劑（硼砂）和水，攪拌均勻；④將配制好的材料倒入模型架，用刮刀抹平，并搗固壓實(shí)；⑤邊上模板，邊倒入材料，重復(fù)步驟（1）－（4），直至設(shè)計(jì)高度；⑥干燥一周后，拆掉兩側(cè)模板，繼續(xù)干燥兩周后便可進(jìn)行開(kāi)采和觀測(cè)。由于開(kāi)采形成支承壓力，雖然其隨著遠(yuǎn)離煤層而趨向緩和，但由于模擬深度不大，上部邊界載荷分布并非均勻，且受到巖性影響，因此需要在加載重物與模型之間安置具有適當(dāng)剛度的介質(zhì)層，使介質(zhì)層和下方巖層的相互作用產(chǎn)生合乎實(shí)際的壓力重新分布。支反力的作用面積 s 為：? ??設(shè)在每塊矩形板上有一個(gè)杠桿作用，則 ?sqFmmgKMGOAg1圖 3－2 杠桿加載結(jié)構(gòu) Lever load fabric27 / 87所有力應(yīng)對(duì) O 點(diǎn)的力矩取得平衡： OKmgGAF????? ???Kmg：則每塊砝碼重 ,故若取 5 塊砝碼 ，kgkg則： m???).917/(所以每個(gè)杠桿上需加載塊數(shù)為 5 塊。DYB 系列土式傳感器原理為：彈性敏感元件是一個(gè)周邊固支的圓形簿板，當(dāng)受力作用時(shí)，彈性薄板產(chǎn)生撓曲變形，使粘貼在彈性薄板內(nèi)表面的電阻應(yīng)變片的阻值改變，從應(yīng)變儀上得到彈性薄板受力后產(chǎn)生的應(yīng)變值，根據(jù)事先標(biāo)定的“應(yīng)力—應(yīng)變”曲線即可得到應(yīng)力值。(3)。應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)如圖 34：圖 34 應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng) Stress testing system傳感器埋設(shè)要求：(1) 傳感器承壓面朝著擬測(cè)應(yīng)力方向，并與之垂直，同時(shí)必須安放平穩(wěn)，保證傳感器在量測(cè)過(guò)程中承壓面不偏轉(zhuǎn)。模型杠桿加載系統(tǒng)如圖 3－3 所示。為防止加載偏心或杠桿因模型被開(kāi)采而下沉變?yōu)樾敝茫势湟欢搜b有調(diào)節(jié)螺桿以便隨時(shí)將杠桿調(diào)平，模型加載示意圖如 22 圖所示 [40]：圖中：F——模型支反力， ；N　　　M——杠桿自重，22 ；kg　　　m——加載重量， 。在模擬煤層的材料中摻入適量的粉煤灰，以降低材料的容重?？紤]到配比實(shí)驗(yàn)期間誤差，同一配比做三個(gè)試件，取三個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的平圖 31 相似模擬邊界條件 Similar simulation boundary condition均值作為該材料配比號(hào)的抗壓強(qiáng)度，配比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 3－2 所示。模型兩側(cè)由于干燥收縮和開(kāi)采引起的開(kāi)裂與實(shí)際不符，但留有較寬大的邊界，所以邊界條件也是近似相似的根據(jù)以上相似理論確定各模型尺寸及相似常數(shù)見(jiàn)表31。p② 時(shí)間相似系數(shù)：取時(shí)間相似系數(shù)為： ?取 at=其中： ——模型過(guò)程時(shí)間；m——原型過(guò)程時(shí)間。直接底為一薄層泥巖，遇水易膨脹。煤厚度一般在 ～ 之間，平均 。 相似材料的選取相似材料的確定是相似模擬試驗(yàn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，選擇相似材料一般要求：①力學(xué)性能穩(wěn)定，不因大氣溫度、濕度變化而發(fā)生較大的改變；②改變配比后，能使其物理力學(xué)指標(biāo)大幅度變化，便于選擇使用；③材料來(lái)源豐富，制作方便，凝固時(shí)間短，成本低；④相似材料強(qiáng)度、變形均勻，便于測(cè)量，且材料本身無(wú)毒無(wú)害；⑤模型材料與原型材料的變形及破壞特征相符合。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，要進(jìn)行煤礦開(kāi)采，相似模擬試驗(yàn)主要考慮以下參數(shù)：煤層厚度 M，巖層厚度 H，抗壓強(qiáng)度 ，抗拉c?強(qiáng)度 ，容重 ，彈模 E，時(shí)間 t，泊松比 等八個(gè)參數(shù)，令其方程為：t???0( ） ＝， ??MHFtc (31)根據(jù) π 定理，應(yīng)用量綱分析法，可得出以下 5 個(gè)相似準(zhǔn)則：??????HMEtctc///54321???? (32)故要使模型與原型相似，則需滿足下列方程： ????????pmppm pmcptpctpHtMHHE??? (33)21 / 87 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋敬卧囼?yàn)?zāi)康脑谟谘芯棵簩娱_(kāi)采時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)及側(cè)支承壓力分布特征，包括卸壓區(qū)范圍及峰值大小、位置。現(xiàn)象相似，其綜合方程必須相同” 。相似第一定理可表述為：過(guò)程相似則相似準(zhǔn)數(shù)不變，相似指標(biāo)為 1。當(dāng)然相似模型也存在一些局限性，很難對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行定量分析，它受到模型臺(tái)、實(shí)驗(yàn)人員、實(shí)驗(yàn)溫度、相似巖層配比、測(cè)驗(yàn)儀器等影響，同時(shí)也很難完全模擬現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象，因此具有一定的隨機(jī)性。巖體模型試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)獲得了較為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。有些問(wèn)題在計(jì)算中不能很好地解決，但通過(guò)模型試驗(yàn)就可很好地解決。4）采用最小二乘法，分析側(cè)支承壓力分布特征與煤層傾角的關(guān)系。2）隨著角度的增加，應(yīng)力降低區(qū)范圍減小很明顯，當(dāng)傾角達(dá)到 35176。利用 DRS 軟件對(duì)不同傾角煤層側(cè)支承壓力分布特征進(jìn)行擬合曲線如圖：圖 213 下側(cè)卸壓區(qū)擬合結(jié)果 Fitting result of pressure relief underside圖 214 上側(cè)最大應(yīng)力集中系數(shù)擬合曲線 curve of maximum stress concentration factor upside 上側(cè)卸壓區(qū)擬合函數(shù)為：相關(guān)系數(shù)為 ，平均相對(duì)誤差 ％下側(cè)卸壓區(qū)擬合函數(shù)為：相關(guān)系數(shù)為 ，平均相對(duì)誤差 ％上側(cè)最大應(yīng)力集中系數(shù)擬合函數(shù)為：相關(guān)系數(shù)為 ，平均相對(duì)誤差 ％下側(cè)最大應(yīng)力集中系數(shù)擬合函數(shù)為：相關(guān)系數(shù)為 ，平均相對(duì)誤差 ％上側(cè)峰值位置擬合函數(shù)為：圖 215 下側(cè)峰值位置擬合曲線 Fitting curve of peak point underside 圖 216 上側(cè)峰值位置擬合曲線 Fitting curve of peak point ???下 ???下 ?上17 / 87相關(guān)系數(shù)為 ，平均相對(duì)誤差 ％下側(cè)卸壓區(qū)擬合函數(shù)為：相關(guān)系數(shù)為 ，平均相對(duì)誤差 ％ 小結(jié)本章主要采用數(shù)值模擬的方法分析傾角對(duì)支承壓力分布的影響，結(jié)果表明：1）隨著角度的增加，側(cè)支承壓力峰值呈下降趨勢(shì)，且角度越大峰值下降幅度越大；當(dāng)煤層角度達(dá)到 35176。時(shí)峰值至煤壁距離僅是 10176。）Fig 210 Side abutment pressure distribution curve (35176。將模擬不同傾角煤層上下側(cè)支承壓力分布特征列于表 23，由表 23 及圖 211，212 可知，隨著角度的增加側(cè)支承壓力主要產(chǎn)生以下變化：①卸壓區(qū)范圍在減小，煤層傾角為 10176。)應(yīng)力集中系數(shù)至煤壁距離 （m）012340 20 40 60 80 100上 側(cè) 支 承 壓 力下 側(cè) 支 承 壓 力圖 29 側(cè)支承壓力分布曲線 (煤層傾角 30176。)012340 20 40 60 80 100 120上 側(cè) 支 承 壓 力下 側(cè) 支 承 壓 力圖 26 側(cè)支承壓力分布曲線（傾角 15176。圖 25 側(cè)支承壓力分布曲線（煤層傾角 10176。從煤層傾角為 15176。轉(zhuǎn)換界面如圖示23：圖 23 AnsysFLAC 轉(zhuǎn)化界面 AnsysFLAC interface11 / 87轉(zhuǎn)換后計(jì)算模型如圖24： 計(jì)算的結(jié)果及分析 不同傾角側(cè)向支承壓力的模擬結(jié)果工作面推進(jìn) 150m，選取工作面后方 100m 處切面進(jìn)行研究，不同角度煤層模擬側(cè)支承壓力分布等值線如圖 25～210。這就可以按所研究的范圍得到均勻的單元網(wǎng)格劃分：即接近工作面處用小單元，隨著遠(yuǎn)離工作面則單元越來(lái)越大。傾角m Kg/m3 pa pa Mpa 176。底板為細(xì)砂巖呈條帶狀，頂部為深色泥巖，中部夾砂質(zhì)泥巖。煤層頂?shù)装迩闆r：直接頂為砂質(zhì)泥巖，～煤線，該層易隨采隨落。己 15煤層概況：煤層厚度基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，半光亮型焦煤。、35176。、15176。謝文兵等分析了數(shù)值模擬在工程實(shí)踐中的指導(dǎo)作用 [38]。在采礦工程中，許多學(xué)者利用FLAC軟件對(duì)采礦工程中圍巖活動(dòng)規(guī)律、巷道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題涉及到的巖體力學(xué)特性、圍巖壓力、支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系、巷道與工作面的時(shí)空關(guān)系等一系列復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究，并取得了顯著的效果。 2 即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，這使得FLAC 3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過(guò)程不存在數(shù)值上的障礙。 FLAC3D 軟件簡(jiǎn)介FLAC3D(Three Dimensional Fast LaGrange Analysis of Continua)是美國(guó) Itasca Consulting Group lnc 開(kāi)發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。技術(shù)路線如下圖所示：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)研及基礎(chǔ)資料分析數(shù)值計(jì)算 物理模擬 理論分析措施方案的制定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)改進(jìn)和完善形成技術(shù)成果圖 11 論文研究技術(shù)路線 Technology route of study7 / 872 不同傾角條件下支承壓力分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究 概述隨著采深的增加，平煤天安集團(tuán)八礦工作面逐漸靠近李口向斜軸部，煤層傾角變大。(4) 沿空掘巷瓦斯及水的防治措施從巷道布置、瓦斯抽采設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面入手，解決臨近采空區(qū)瓦斯及水的涌入。 本文研究的內(nèi)容及技術(shù)研究路線 研究?jī)?nèi)容針對(duì)八礦深部開(kāi)采技術(shù)條件及現(xiàn)有的錨桿支護(hù)技術(shù)水平，結(jié)合本論文的研究，開(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究：（1）深部開(kāi)采條件下傾角對(duì)側(cè)向支承壓力的影響采用 FLAC3D數(shù)值模擬