采空区顶板断裂物理相似性模拟实验研究

高聪 于鑫 刘正海 焦东

摘要：无底柱分段崩落法开采过程中上覆岩层中形成规模较大的空区与悬顶，其上覆岩层空区顶板的的崩落与破裂动态演化是影响采场安全的重要因素。为了掌握上覆岩层中崩落、开裂范围及发展趋势，防止突发性的大规模动力地压灾害的发生，根据相似性理论制作物理模型模拟采空区的顶板及地表，通过自制加载系统竖向加载模型使之破坏，观察试件破坏形式，并通过静态电阻应变仪探究采空区顶板破裂形式、破裂规律以及应变变化情况，以期为研究实际矿山处理崩落法采空区顶板破裂垮落及地表沉陷问题提供实验依据。

关键词：崩落法;顶板破裂;相似性物理模拟实验

中图分类号：TD851          文献标识码：A

1    背景

无底柱分段崩落法是一种通过崩落围岩来控制地压的方法，因其具有安全、机械化程度和生产效率高等特点而在金属矿山中得到广泛应用，崩落法在矿山中应用广泛相较于其他开采方法有很多优势，但崩落法的缺点也很明显，无底柱分段崩落采矿法存在三大弊端，分别是矿石损失贫化，回采时造成的独头结构不利于井下通风，以及地表沉陷问题。崩落法开采过程中会形成采空区，一旦顶板破裂塌落裂隙发展到地表就可能造成地表沉陷问题。采空区破坏以及地表沉陷，是矿山生产的一项重大安全隐患，也是矿山地质灾害之一[1-2]。崩落法形成地表沉陷是因为采空区顶板破裂垮落大量围岩掉落造成的，目前国内外专家学者针对空区顶板破裂进行了卓有成效的研究，唐晓玲[3]等通过应用薄板理论及悬臂梁理论，建立初次来压及步距计算式，得出顶板应力分布和位移状态。叶明亮[4]通过应用弹性理论及数值模拟，分析了采空区顶板应力状态。王金安[5]通过坚硬頂板建立弹性基础板力学模型，研究顶板不同阶段的破断模式与突变失稳的力学过程，得出有效承载面积减小到临界值时，顶板位移突跳产生极限点失稳，煤柱-顶板系统出现突然塌陷失稳。贺广零[6]等基于温克尔假设及板壳理论，把坚硬顶板当作弹性板，建立煤柱-顶板系统，得出煤柱-顶板系统失稳突变机理及力学条件和数学判定依据。

本文主要应用理论分析，相似材料模拟实验以及应变电测技术等科学方法，对采空区顶板破裂形式、破裂结构以及应变变化情况进行分析，更好地指导实际矿山处理崩落法采空区顶板破裂及地表沉陷问题。

2    相似材料模拟实验

相似材料模拟实验是一种重要的实验室科学研究技术手段，通过在实验室中按照原型制作相似模型，力学测试仪器或仪表等观测测量模型表面或者内部力学参数分布规律，获得力学数据，进行分析得出结论，并利用到原型中，推断原型中多种力学变化问题以及产生的原型变化规律，进而更好地解决实际问题。对于崩落法采空区顶板及地表而言，原型试验研究时间长，研究经费高昂，安全性不能保证，矿山地质情况各不相同，结果不利于推广。而模拟试验方法相对方便许多，这种方法条件易控制、破坏方式易于观察、试验周期相对缩短很多、模型可以多组制作且具有可复制性。

2.1 实验材料选取及模型制作

相似材料的选择是相似模拟实验的重要一环，相似材料的要求有以下几点：（1）材料获取方便，价格低廉，制作简单，成型快;（2）材料的变形和力学强度变化均匀，易于做测量工作，而且材料无毒无害，不影响人类的健康;（3）材料的物理力学的性能可靠稳定，不会因为空气的湿度、温度或者气压等条件的变化从而发生较大的改变;（4）改变配比时方便，因为材料的配比发生变化时，材料的物理力学指标会发生较大幅度的变化;（5）破坏特征及变形特征要与原材料相符。

本次相似材料模拟实验材料选择水泥为胶结材料，选择河沙和碎石子为骨料，材料配比如表1所示。模型试件如图1所示。

2.2 加载平台模型制作

本次相似模拟实验加载模拟设备选择用自制设备，本设备具有创新性，针对本次实验设计，实验台分为承压设备和加载装置两部分。承压设备选择采用角钢外围架、承装模拟地表的四块钢板组合成的钢板组合框和一块钢板，角钢的优点在于抗压和抗拉强度极高，能承受很大的力，而且易于组合成型，通过切割焊接工艺即可完成组合制作过程。选取等边角钢，角钢型号选取5#角钢50 mm×50 mm×5 mm。角钢架按照长×宽×高=620 mm×340 mm×720 mm，钢板组合框按照长×宽×高=585 mm×260 mm×70 mm，钢板按照长×宽×厚=580 mm×260 mm×8 mm进行切割，焊接。角钢外围架见图2。

2.3 实验过程

将混凝土试件平稳放入角钢架内，注意不要损坏挤压到导线，然后将模拟地表钢框放在混凝土试件上，并倒入砂石，铺上铁板，放置千斤顶和铁块顶在角钢架上固定，连接应变片导线到仪器的通道接口上去，打开仪器电源，预热约20分钟，打开操作软件记录实验数据，使用千斤顶加载混凝土试件直到试件破坏，试验结果如图3所示。

3    采空区顶板破裂规律分析

对模型各处破坏进行研究，其破坏结果如图4、图5所示，应力应变如图6所示。

根据应变随时间变化图6发现，试件受力到破坏全过程应变片变化分为3组：

第一组为拱肩CH11和CH12应变片，受力开始斜率即为最大，增长最快，整体应变受压，0～6 s时CH11为受拉，CH12受压，分析可能加载初期加载力分布不均匀造成。其中6～8 s时增长为最快，CH11应变发生转折，由受拉转为受压，分析原因可能为CH11粘贴位置为拱肩偏下，且竖直略倾斜粘贴，破坏位置恰好在应变片偏上部，该处位置为顶板和侧帮连接处，应变变化最为复杂。而之后应变一路猛增直到在22 s时试件破坏，CH11、CH12都造成破坏且最大应变分别为252.3 με与176.7 με。破坏裂隙为由外侧围岩向内倾斜破坏恰好发育到拱肩位置，分析原因为顶板跨中破坏后在极短的时间后试件分为两个悬臂梁，拱肩位置外侧受拉内侧受压造成破坏形成由外向内的裂隙，而CH11与CH12应变最大值不同是因为粘贴测量位置不同，CH11粘贴在靠近拱肩外侧应变值更大。分析CH11与CH12应变变化最大的原因为竖直方向均匀受力，顶板向下微弯曲，变形最大的位置即为拱肩（顶板与侧帮连接处）。

第二组为顶板下粘贴的CH1～CH4应变片，整体应变受拉，0～4 s时应变微增长变化很小。4～12 s时应变开始加速增长且增长速度基本相同。12～16 s时增长速度继续加快但各点增长斜率开始变化CH3=CH4>CH2>CH1，且在14～16 s时出现应变平直期，分析靠近跨中即千斤顶下部位置应力最大，出现平直期说明试件具有抵抗载荷的能力。16～22 s时应变增长速率加快CH3>CH4>CH2>CH1，其中CH1、CH2、CH4应变增长速率基本相同且低于CH3，而CH3应变呈现突增趋势一路猛增，最大值应变峰值达到-285.4 με，分析顶板跨中应力最大，且出现应力集中现象，应力值大于附近应力值很多，受拉最为明显，而另外3个应变片应变变化稳定，应变排序固定。

第三组为顶板侧面粘贴的CH5～CH10（无CH8）应变片，第三组应变变化速率整体均小于前两组变化速率，呈现相对低速率增长趋势，整体变化趋势基本趋于一致且均为受压，只有CH5全过程为拉伸状态，应变大小排序CH6>CH10>CH7>CH9>CH5，且破坏裂缝为曲折状，分析跨中位置CH6应变依然为最大。而应变第二位的CH10粘贴在靠近顶板上部且靠近拱肩，这两个部位应力值大。CH7与CH5粘贴位置距离CH6相等，但CH7粘贴位置靠顶板上部，所以CH7应力值大于CH5。CH5为拉应变原因未知，猜想为试件该位置内部微裂隙造成。造成此应变排序的原因为顶板侧面上部受力大于下部受力且跨中受力最大向两侧递减，且顶板上部受力程度大于跨中附近受力程度。

4    结论

通过崩落法采空区顶板物理模拟加载实验以及应变电测技术，得出采空区顶板受上部载荷作用下应力变化为：顶板跨中应力最大并且向两侧拐角位置递减;破坏形式为：顶板跨中上受压剪切破坏，顶板跨中下受拉拉伸破坏，拐角剪切拉伸破坏;破坏顺序为：顶板跨中先破坏，拐角位置成悬臂梁状态后破坏，内侧受压外侧受拉，符合采空区坚硬顶板破裂机理理论。

参考文献

[1] 邹友峰，柴华彬.建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析[J].煤炭学报，2014，39（8）：1473-1477.

[2] 瞿群迪.采场上覆坚硬岩层组稳定性分析及其应用[D].徐州：中国矿业大学能源科学与工程学院，1997.

[3] 唐晓玲，叶明亮.薄煤层坚硬顶板的薄板理论分析及来压预报[J].西部探矿工程，2003（2）：88-92.

[4] 叶明亮.采场顶板破断规律及其应力状态的研究[J].贵州工业大学学报，1998，27（3）：13-22.

[5] 王金安，尚新春，刘红，等.采空区坚硬顶板破断机理与灾变塌陷研究[J].煤炭學报，2008，33（8）：850-855.

[6] 贺广零，黎都春，翟志文，等.采空区煤柱-顶板系统失稳的力学分析[J].煤炭学报，2007，32（9）：897-901.