顶板动载条件下盾构-地层相互作用三维物理模拟研究

摘要

随着长壁工作面切割高度和覆盖深度的增加，大块坚硬顶板的冲击载荷在露天工作面区域造成的动态危害日益严重。了解动态冲击载荷条件下的地层-盾构相互作用可以减轻动态危害。本文开发了一个三维物理模拟平台，研究了动态冲击载荷条件下顶板岩层与长壁盾构的相互作用。在直接顶板上方一定高度处，将一块钢板落在采煤工作面壁上，以模拟主顶板的自由下落和动态冲击载荷环境。在模型上方的不同高度以及相对于长壁面线的不同位置，对主要屋顶坠落的发生进行建模。研究中对大切割高度和放顶煤开采方法进行了建模，以包括直接顶板的性质。结果表明，工作面和顶板的破坏程度取决于动态冲击载荷的大小。冒顶的位置和高度对顶板和工作面的稳定性有重要影响。与大采高工作面相比，放顶煤工作面可减轻盾构和实体工作面上的压力。

1.导言和背景

在中国，煤炭在很长一段时间内仍然是最重要的能源[1.,2.].煤炭回收的主要方法是长壁采矿法，该方法在煤炭回收、生产和生产率方面优于房柱采矿法[3.,4.]露天工作面区域的地面控制问题主要表现为大块坚硬主顶板的动态坠落，对长壁盾构和采煤工作面产生冲击载荷，导致盾构筒过度关闭和长壁工作面坍塌[5.–10]（见图1.).随着长壁工作面的逐步发展，采空区顶板的悬挑长度不断增加。当达到极限跨度时，第一次主顶板冒落发生，对工作面区域的长壁工作面造成动荷载。由于顶板冒落在顶板称重期间反复发生，因此，工作面的动态影响工作面区域也会定期观察。这种由主要冒顶产生的动荷载在本文中称为动荷载影响。当长壁板在超大高度运行时，该问题的发生变得更加频繁[11,12].例如，6-9号厚煤层 m广泛分布于中国北部和西部的神东、陕北、黄龙和新疆煤炭基地，通过大切割高度长壁采矿系统回收。此类煤层通常平坦且较浅，在其上方形成了块状和强砾岩通道。目前，8.8 m单切口长壁采矿法已在神东基地山湾矿成功实践[13].随着浅层煤炭资源日益枯竭，开采覆盖层更深的煤炭，露天工作面区域的动态危险问题变得更加棘手。这些地面控制问题（尤其是动态顶板移动）可能导致运行时间损失、长壁护罩损坏、产量和利润降低，以及地下水位污染风险增加。

顶板坍塌在露天工作面区域的动态危险中起着重要作用，其目的是减少或控制主要顶板坍塌对长壁盾构和长壁工作面的负面影响[14,15].影响露天区域动态顶板危险水平的一个重要因素仍然是顶板坍塌的位置[16].如果在周期性顶板加重时，悬臂顶板在长壁盾构后自然下落，则工作面稳定性可能更好。如果顶板正好落在长壁盾构上方或前方，则更可能发生动态危险。长壁工作面冲击荷载的大小还取决于主顶板的几何形状和重量、主顶板和直接顶板之间的间距以及长壁盾构的机械性能等因素。事实上，这些影响露天采场地面控制问题的因素可以确定为地质因素、盾构容量和技术因素[17,18]．地质因素，如盖层深度、断层的存在、煤层倾角、岩层的力学和几何参数，在特定的矿区是不受控制的因素。相反，屏蔽能力包括坐封载荷、屈服载荷、屏蔽尺寸、腹板宽度和顶面距离，并取决于操作人员。自采用长壁护盾以来，一直在努力增加护盾的容量[19,20].目前中国最强大的长壁盾构已将圆筒直径增加到600 mm，支架荷载为2600 T技术因素包括采矿方法、工作面长度和宽度、当前长壁工作面附近的先前开采以及工作面推进率[21]．

掩护能力被认为是影响岩层移动的最重要因素之一。事实上，解决露天工作面区域地面控制问题的关键在于提高我们对顶板-岩层相互作用的理解。这种相互作用对于顶板岩层移动的综放工作面来说甚至略有不同相互作用成为破碎顶煤（而不是坚硬顶板）和长壁盾构之间的耦合[22].已经开发了许多模型来研究长壁护盾如何与周围地层相互作用[23,24]方法包括分离块体模型、等效系统刚度模型、直接顶板-主顶板耦合模型、荷载循环分析、地面响应曲线和数值模拟研究。还广泛进行了顶板崩落行为的物理模拟，以再现岩层移动和变形的渐进发展屋顶破坏[25]模型考虑了对盾构的冲击载荷、塌陷和断裂带高度的扩展、工作面破坏和盾构-地层相互作用、声发射信号、扰动覆盖层的结构等。然而，以前的冲击载荷物理模型大多是二维的。以往的研究在很大程度上提高了我们对盾构与工作面围岩耦合的理解。然而，动态顶板荷载条件下的盾构-地层相互作用需要进一步研究。本文试图从物理建模研究扩展屋顶三维动态运动的研究。

2.模型开发

2.1.相似性原则和建模平台

物理建模测试必须遵循许多相似性原则，以确保物理模型的行为方式与真实情况（全尺寸情况）相似。根据这些原则，模型的物理特征应在几何、密度和强度方面与实际情况相似，以便可以将物理模型中的测量值与实际情况进行比较。相似系数定义为实际情况参数（包括几何、密度和强度）与物理模型的比率。根据煤系地层的力学性质和物理模拟装置的尺寸，确定几何相似系数为10，密度相似系数为1.7，强度相似系数为17。

图形2.展示了在这项研究中使用的3D物理建模钻机。它的宽、长、高分别为800 × 1500 × 1300 mm。物理模型建在主钢框架内，尺寸为800 × 750 × 650 mm。在煤层前方设置4支物理盾构，将盾构与地层的相互作用纳入研究范围。连接测量系统的液压腿上的压力传感器用于记录顶板倒塌时的汽缸压力。直接屋顶的上方是一块钢板，它与一个可移动的电磁铁相连。钢板是现场模拟床层分离时从直接顶板出发的一定位移。在模型试验中，将钢板降至直接顶板，模拟露天区冲击荷载条件。钢板的下落是由电磁开关控制的。图形2（a）是实验的示意图。最终的模型和测量系统的布置如图所示2（b）.

2.2.模型构造和建模程序

本研究仔细选择了用于构建物理模型的地质力学建模材料。构建了两个模型，用于模拟两种最重要的厚煤层开采方法，即大切割高度和放顶煤开采方法（见图3.).大切割高度模型由35个 mm煤层和30 mm直接顶（图3（a）).煤层建模的建筑材料是砂、石灰和石膏的混合物，比例为75% : 4. : 4按重量计算，而直接屋顶由砂、石灰、石膏和水泥按45%的比例组成 : 45 : 4. : 4.通过反复试验确定组成部分的比例，以确保建造的物理地层具有适当的物理力学性质。固体材料在加水前充分混合，以确保整体均匀性和各向同性。然后将混合物放置在建模钢架中，并压实至设计高度。物理模型逐层构建，以确保模型的整体强度和高度。然而，放顶煤开采模型由35个 mm煤层和30 mm松散顶煤（见图3（b）).图中的俯视图也显示了松散的顶部煤层3（b）.煤层的建筑材料组成与大切割高度模型相同，松散顶煤层由选定的6-8层组成 厘米煤块。

考虑到物理试验的可行性和简化，主屋顶采用100 kg钢板，通过电磁铁连接到物理建模设备上的梁上。钢板在直接顶板/顶煤体上方一定距离处，并在电磁开关断电时下降到直接顶板，用于模拟床层分离和动态顶板下降。相应地记录了前后液压支腿和工作面变形。相反，现场观察显示，主顶板通常在工作面前方、上方或后方断裂。因此，顶板坠落可能发生在相对于工作面线的不同位置，并对工作面和盾构孔造成显著不同的影响ce.为了覆盖可能的顶板破裂位置，将主顶板（钢板）的前缘（指向实心煤侧）放置在不同的直线上，以模拟10℃时的顶板破裂 面线（线1）后方厘米，面线位置（线2）正上方，以及10 厘米，20 厘米和30厘米 面线（第3行、第4行和第5行）前方cm。在0.5–4.0的不同高度执行主屋顶的自由下落运动 每间隔0.5厘米 在直接顶板/顶煤质量上方cm处。使用压力测量系统记录在动态冒顶时发生反应的液压支腿的冲击压力。在特定位置和高度处的冒顶重复3次，以达到支腿压力的平均值。物理护罩在e每个动态屋顶坠落。

本文提出了一种动态载荷系数(K)定义为液压支腿上的动荷载与直接顶板和主顶板重量之比（见方程式(1.)). 无量纲系数用于评估动态冒顶的水平和强度： 哪里F是从压力测量系统获得的液压支腿上的冲击载荷，单位为kN，M_1.是直接屋顶的质量，单位为kg，为重力加速度，单位为m/s [2.]，及M_2.是钢板的质量，单位为kg。

在放顶煤开采模型中，顶煤体起到缓冲作用，部分吸收冒顶冲击能量。缓冲系数( )进一步定义，用于描述顶煤体的能量吸收能力，并给出如下公式： 哪里F_1.是大切割高度模型上的盾构冲击荷载，单位为kN，而F_2.是放置顶煤体后对盾构的冲击载荷。

3.结果和分析

3.1.顶板和工作面破坏的发展

图形4.显示了动态顶板冲击载荷条件下的顶板和工作面故障。图中给出了大切割高度模型的工作面初始屈曲4（a），表示工作面壁水平移动。在主顶板施加一些冲击荷载后，工作面发生了大规模的塌方(见图)4（b）).面部下降延伸5-10 在实体煤工作面中更深cm，并在物理模型中覆盖工作面的整个区域。图中的俯视图4（c）显示了直接顶在主顶冲击荷载作用下沿面线的破坏。通常，如果主顶从直接顶上方较高的位置坠落或自由下落主顶的重量较大，则直接顶和面破坏的程度较大。屋顶和面的破坏取决于动态冲击荷载的大小以及主顶板和直接顶板之间的分离。事实上，岩层分离对工作面区域的冲击荷载水平起着至关重要的作用。因此，减轻主顶板冲击荷载的可能措施之一是增加盾构容量或设置ad，从而降低屋顶分离的可能性。

3.2.动态荷载系数的制定

图形5.分别绘制了大切割高度和放顶煤开采模型在不同位置和冒顶高度下的动载荷系数的发展。相对于面线的冒顶位置和冒顶高度对盾构支腿压力都有显著影响。通常，动载荷系数增加with为冒顶高度，表明较大的冒顶分离可能会在盾构液压支腿上产生更大的压力，并增加气缸损坏的风险。但是，在相同的冒顶高度下，当冒顶发生在盾构上方的工作面之后时，动载系数大于当冒顶发生在工作面线之前时的动载系数这是因为，如果主顶板落在工作面线之前，实心煤层可能会吸收部分冲击载荷能量。因此，当在煤层上方发现坚硬的块状砾岩通道时，建议在工作面之前或盾构后面进行顶板预爆破或破裂，以释放顶板压力并保护盾构因铁质束缚事件（液压缸突然完全关闭）而导致的损失。

对于放顶煤开采模型，动载荷远小于大采高工作面，这与现场观测结果一致。放顶煤开采模型的最大动载荷系数仅为2.3，而大采高模型的最大动载荷系数为2.8。主顶板和护盾之间的顶煤质量起到冲击作用因此，推测顶煤破碎或类似的直接顶板有利于盾构和工作面稳定性。

图中提供了不同冒顶位置处盾构四个液压支腿上的盾构荷载分布6..对于位置1（P1），冒顶位置模拟为20 面前cm；而位置9（P9）模拟20时主屋顶的坠落 面后cm。冒顶位置设计为5 cm间隔；因此，P5表示工作面正上方的冒顶位置。再次，从总盾构荷载可以看出，如果冒顶发生在工作面线后面，则盾构承受更多的顶板荷载，并且与大切割高度模型相比，放顶煤长壁工作面在盾构上显示卸荷然而，不同盾构支腿上的荷载分布没有明确的规律。

３．３．不同落顶位置缓冲系数的发展

图中给出了不同冒顶位置盾构支腿上的缓冲系数分布7..请注意，屋顶从15 在该特定模型中，主顶板自由下落的动能部分由主顶板和顶煤块之间的碰撞消耗，而顶煤块起到缓冲组件的作用。缓冲系数越小，顶煤块吸收的动能越多。可以观察到：在面线前方的冒顶位置，缓冲系数较小（P_1.–P_4.)当屋顶坠落发生在面线后面时，和显著增加（P_6.–P₉).

4.总结和讨论

本文开发了一个三维物理模拟平台，研究了动冲击载荷条件下地层与长壁盾构的相互作用。采用钢板模拟主顶板，将钢板落至直接顶板，模拟顶板的自由落体运动和露天区域的动态冲击载荷环境。顶板的主要落差发生在直接顶板以上的不同高度和相对于长壁面层的不同位置。本研究将长壁工作面模拟为大采高工作面和放顶煤工作面，以考虑直接顶板的性质。分析了不同落顶条件下顶板和工作面破坏的发展情况、动荷载系数和缓冲系数。本研究的重要发现如下:(1)长壁工作面在顶板冲击荷载作用下发生屈曲，然后坍塌。直接顶板沿工作面线断裂。工作面和顶板破坏程度取决于动态冲击荷载的大小。(2)顶板相对于长壁工作面线的位置也对顶板和工作面稳定性有重要影响。如果主要顶板落在工作面线后面而不是前面，则采煤工作面和护盾承受更大的载荷。(3)盾构支腿和工作面上的荷载也会随着冒顶高度或主顶板和直接顶板之间的间距而增加。增加盾构容量和设置荷载可能会减少这种间距。(4)与大切割高度工作面相比，放顶煤工作面上的盾构和实心煤工作面上的压力得到释放，这是由于存在碎煤块，碎煤块起到缓冲组件的作用，以吸收主顶板坍塌产生的冲击载荷能量。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包含在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本文获得了国家自然科学基金（51974320和52004010）、河北自然科学基金（E2020402041）、中国北京自然科学基金（2204080）的资助。

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