2023年 《開採損害學實驗》
一、實驗名稱：蒲白礦務局馬村礦西固鎮下煤層開採
二、實驗目的：本次實驗以馬村礦西固鎮下煤層開採為模擬物件，本次實驗的主要目的是測定煤柱所受壓力及其煤柱的穩定性和地表的沉陷情況。
三、主要實驗儀器、裝置
xky021型應變橋智慧型資料採集儀，電腦，yhd-50型位移計，bw型箔式微型壓力盒，資料轉換儀，p20r-17型預調平衡箱，yjd-17型靜動態電阻應變儀
四、實驗模型採用的相似條件及原理
⑴ 相似條件
根據模擬開採長度和煤層的埋深，本次的實驗採用3m長，2.5m高，20cm寬的模型架。模擬煤層的埋深為238.
7m，從地表至煤層底板共29個岩層，其中有些岩層厚度較小或有的岩層和相鄰岩層的岩性相近按同一岩層計算，模型比例1：150，模型頂板高度為1.6m。
⑵ 模型材料的配比原理
模型材料配比的理論根據是相似三大定律。其中運動學相似在本次模擬中很顯然滿足，不再加以贅述。
根據以上要求，本次實驗所採用的主要材料如下：主料砂；輔料大白粉、熟石膏、雲母、水，其中煤層的配比時要加入粉煤灰。由於模型材料的主料是砂，輔料佔比重較少，不影響模型材料的比重，所以，除煤層外，其它各層的比重均按1600kg/m3計算。
根據以上相似比計算公式和各岩層的岩石物理力學性質，可計算出模擬實驗各岩層相似材料配比具體見表1。
表1 模擬實驗各岩層相似材料配比
注：其中煤的配比中，需加入17.28kg的粉煤灰
五、模擬實驗現象及資料分析
⑴ 實驗現象
在開採過程中下沉資料和煤柱應力的記錄應考慮氣溫的變化所引起的模型支架鋼梁的伸縮對測量資料的影響，所以本次實驗規定在中上午11：00記錄資料，且在開採過程中記錄模型岩層所發生的變化。
⑵ 資料分析
模擬實驗資料分析，可分為兩大部分，煤柱穩定性、煤柱所受應力分析和地表沉陷分析。通過分析確定煤柱的穩定性、分布的合理性及控制覆巖變形破壞程度的能力。
① 煤柱穩定性、煤柱所受應力資料分析
煤柱應力採用兩組共10個應變塊測定，採用應變橋智慧型資料採集儀採集，以資料庫的形式儲存。p0～p4的一組應變片放在第三個煤柱下，p5～p9的一組應變片放在第五個煤柱下。p0～p4這一組應變片從開採第乙個工作面到開採第四個工作面的壓力變化如下圖所示，由應力圖1可知，在開採第乙個工作面時，第三個煤柱的應力分布已發生了變化，但變化很小；當開採到第二個工作面時，第三個煤柱的壓力分布又重新發生分布，較第一次分布變化要大；當開採到第三個工作面時，第三個煤柱的壓力分布發生了明顯的變化，靠近工作面一邊的煤柱邊緣已產生了塑性區，壓力值已降到均值以下，只有殘餘強度提供支承頂板的力，第二個應變片的壓力值顯著增加，第
三、四、五個應變片的應力值又逐漸向原岩應力值過渡，但比原岩應力值稍高；當開採到第四個工作面時第一組應變片的壓力分布值又發生大的變化，出現兩個峰值區，兩個塑性區，壓力分布圖呈馬鞍形。
第二組應變片置於第五個煤柱下，當回採第三個工作面時，壓力分布開始發生變化，對應於每一階段的應力曲線圖和第一組的應力曲線圖類似，不同的一點是第二組的應力曲線圖的峰值比第一階段的峰值稍大。這種不同是由於每個開採條帶的寬度不同而引起的（圖2）。
根據模擬實驗的現場觀測和實驗資料的分析，可以確定所留煤柱具有足夠的穩定性和強度支撐頂板。但根據應力曲線圖也可以斷定，就所觀測的這兩個煤柱都不同程度的出現了塑性區。但就目前塑性區寬度的測量還沒有很好的方法。
塑性區寬度的確定，可按照英國a.h.威爾遜分式計算。
屈服區寬度y與開採深度h和開採厚度m有關,其關係式為： y=0.0049mh，最後可估算得一邊塑性區的寬度為5.
22m，兩邊的塑性區的寬度和為10.44m，核區寬度為14.36m。
圖1 第三個煤柱的應力分布曲線圖
圖例： 表示開挖第乙個工作面時，第三個煤柱下的壓力分布情況；
表示開挖第二個工作面時，第三個煤柱下的壓力分布情況；
表示開挖第三個工作面時，第三個煤柱下的壓力分布情況；
表示開挖第四個工作面時，第三個煤柱下的壓力分布情況；
x軸的1、2、3、4、5表示五個應變片的編號
圖2 第五個煤柱的應力分布曲線圖
圖例： 表示開挖第三個工作面時，第五個煤柱下的壓力分布情況；
表示開挖第四個工作面時，第五個煤柱下的壓力分布情況；
表示開挖第五個工作面時，第五個煤柱下的壓力分布情況；
表示開挖第六個工作面時，第五個煤柱下的壓力分布情況；
x軸的1、2、3、4、5表示五個應變片的編號
② 地表沉陷分析
根據本次所測模型下沉數值，通過換算，得出地表下沉值（表2）。
表2 相似材料模擬實驗地表下沉資料一覽表
注：表中括號內的資料為表對應的地表測線位置
圖3 模擬開挖過程中地表移動曲線
圖例： 開採第三個條帶工作面時地表的沉陷曲線
開採第五個條帶工作面時地表的沉陷曲線
開採第八個工作面時地表的沉陷曲線
開採結束後，最終的地表的沉陷曲線
（2） 實驗資料的分析
圖3為動態模擬開挖過程中，地表個點的移動曲線，由圖可知，地表的最大下沉值wmax=98.6mm，wmax/2=49.3mm所對應的點的座標值為152m；按照現在一般的規定，下沉值為10mm的點，定義為邊界點，該點在圖上對應的座標值為45m；得出主要影響半徑r=107m，主要影響角正切值為：
主要影響範圍角：
最大下沉係數
六、 結論
由模擬實驗的資料處理結果及成果圖分析，得出如下的結論：
1 地表下沉平緩，由於邊開採寬度協調開採，使得地表下沉盆地平緩，且整個盆地呈偏態分布，位於開採區邊界一側，下沉盆地怪點位置較正常情況下平緩的多，這種情況更有利於建築物的保護。
2 最大下沉值為98.6mm（建築物位置），這種條件下地表沉陷引起的水平變形遠遠小於1mm/m，其不會引起地表建築物的變形破壞。
3 最大下沉係數為0.022；
4 影響角為660，影響半徑為107m。
5 從第
三、第五條帶煤柱的應力分布情況分析，煤柱的應力呈平緩駝峰分布，煤柱的最大應力不超出常規條件下的130%，煤柱的核區大於15m，表明支撐煤柱具有長期的穩定性和足夠的支撐強度。
6 開採後，形成了自然冒落拱的高度較小，整個上覆岩層，特別是關鍵層比較穩定，未出現大的變形，能夠有效地控制地表變形裂縫的產生。
（完全按照該內容為優秀，部分內容可做適當刪選）
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