采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究_王海龙.pdf

采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究王海龙1,2,3,4，王琦2，赵振华3,4，冯泉霖3,4（1.临沂大学土木工程与建筑学院,山东临沂276000；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083；3.山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队,山东济南250014；4.山东省地矿工程勘察院,山东济南250014）摘要：在覆岩载荷作用下，采空区冒落矸石会产生施加于巷旁支护体或煤柱上的侧向压力，在时间效应影响下，侧向压力可能引发巷旁支护体或煤柱失稳，进而诱发地表塌陷。为研究采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律，研制了可测量侧向压力的组合式冒落矸石承压变形试验装置。以满足均匀粒径分布的 530mm 的冒落矸石为例，通过设置相同加载总时长（16h）、相同目标载荷（10MPa）、不同数量加载水平（水平 1、2、4），研究冒落矸石承压变形特征、侧向压力分布规律及试验前后粒径变化情况。结果表明：随载荷增加，冒落矸石变形逐渐增大，残余碎胀系数和空隙率逐渐减小，加载较恒载阶段尤为明显；恒载初期，轴向应变增长较快，而后逐渐变缓并趋于平稳，若不发生应变突增，时间-应变呈现对数关系；目标载荷相同，加载总时长一致，随加载水平数量增加，恒载阶段产生的总应变显著增加，分别为 3.02%、9.07%和 17.72%，表明随加载水平数量增加，虽然载荷对冒落矸石输入的总能量减少，但却对冒落矸石的滑移填充和结构调整起到了明显的促进作用；冒落矸石侧压力系数随着载荷增加明显变大；冒落矸石体展现出较强的载荷传递折减效应，自冒落矸石体顶界面垂直向下呈现递减变化；承压变形过程中，粒径为 510mm 的冒落矸石含量处于动态平衡状态，为稳定粒径。关键词：冒落矸石；承压变形；侧向压力；载荷传递折减；粒径中图分类号：TD327文献标志码：A文章编号：02532336（2023）06002010Study on bearing deformation characteristics and lateral pressure distribution lawof caved gangue in gobWANGHailong1,2,3,4,WANGQi2,ZHAOZhenhua3,4,FENGQuanlin3,4（1.School of Civil Engineering and Architecture,Linyi University,Linyi 276000,China;2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep UndergroundEngineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;3.No.801 Hydrogeology and Engineering Geological Brigade ofShandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources,Jinan 250014,China;4.Shandong Provincial Bureau of Geology andMineral Resources,Jinan 250014,China）Abstract:Undertheloadofoverlyingstrata,lateralpressurefromthecavedgangueingobwillbeexertedonthesupportbodyofgob-sideentryretainingorcoalpillar.Astimegoeson,lateralpressuremayleadtoinstabilityofsupportbodyofgob-sideentryretainingorcoalpillar,andtheninducesurfacecollapse.Inordertostudythebearingdeformationcharacteristicsandlateralpressuredistributionlawofcavedgangueingob,acombinedtestdeviceforbearingdeformationofcavingganguethatcanmeasurelateralpressureisdeveloped.Thecavedganguewithuniformparticlesizedistributionof530mmistakenasanexample.Bysettingthesametotalloadingtime(16h),thesametargetload(10MPa)andthedifferentnumberofloadinglevels(1,2,4),thebearingdeformationcharacteristics,lateralpressuredis-tributionlawandparticlesizechangeofcavingganguebeforeandaftertestarestudied.Thetestresultsindicatedthat:Alongwiththein-creaseofaxialload,theaxialdeformationofcavedgangueincreasesgradually,theresidualbulkingcoefficientandporositydecreasegradually,whicharemoreobviousinloadingstagethaninconstantloadingstage.Intheearlyconstantloadingstage,theaxialdeforma-收稿日期：20220223责任编辑：朱恩光DOI：10.13199/ki.cst.2022-0223基金项目：国家自然科学基金资助项目（52074164）；山东省自然科学基金资助项目（ZR2020JQ23）；山东省高等学校“青创团队计划”资助项目（2022KJ112）作者简介：王海龙(1987)，男，山东威海人，教授，硕士生导师，博士。E-mail：第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023王海龙，王琦，赵振华，等.采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究J.煤炭科学技术，2023，51（6）：2029.WANGHailong，WANGQi，ZHAOZhenhua，et al.Studyonbearingdeformationcharacteristicsandlateralpres-suredistributionlawofcavedgangueingobJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（6）：2029.20tionofcavedganguegrowsrapidly,andthentendstobeslowandsteadygradually,ifnostrainsurgeoccurs,therelationshipbetweenstrainandtimemeetsthelogarithmicrelationship.Withthesametargetloadandtotalloadingtime,asthenumberofloadinglevelsin-creases,thetotalstraingeneratedinconstantloadingstageincreasessignificantly,andis3.02%,9.07%,17.72%respectively,whichindic-atesthatthetotalenergyinputofcavedganguedecreaseswiththeincreaseofloadinglevelnumber,butitplaysasignificantroleinpro-motingtheslidingfillingandstructuraladjustmentofcavedgangue.Thelateralpressurecoefficientofcavedgangueincreasesobviouslywiththeincreaseofload.Cavedganguebodyshowsstrongreductioneffectofloadtransferandthevalueofloadactingoncavedganguebodydecreasesprogressivelyfromtoptobottom.Intheprocessofbearingdeformationofcavedgangue,thetotalamountofcavedganguewith510mmparticlesizeisindynamicequilibrium.Theresearchresultshavecertainguidingsignificanceforminingsubsidencecon-trol.Key words:cavedgangue；bearingdeformation；lateralpressure；reductioneffectofloadtransfer；particlesize0引言沿空留巷技术作为一种有效的无煤柱开采技术得到广泛应用1-4，不仅减少了巷道掘进量，而且提高了煤炭资源采出率，还能消除集中矿压带来的安全隐患。随着采煤工作面向前推进，垮落后的煤层顶板会填充采空区，与巷旁支护体或煤柱一起，对上覆岩层起到协同支承作用，随着时间推移，冒落矸石会因承压变形而减弱对覆岩的支承，极易加剧围岩结构失稳。同时，冒落矸石作为散体介质，在上覆岩层的载荷作用下，容易产生流动性，从而产生施加于巷旁支护体或煤柱上的侧向压力，如果侧向压力超过一定值，在时间效应的影响下，也可能会导致巷旁支护体或煤柱失稳，甚至引发矿井突水和地表塌陷等动力灾害。对此，我国学者开展了针对冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布的系列研究。在冒落矸石承压变形特征方面。针对瞬时压缩变形，马占国等5采用破碎岩石压实渗透试验装置，试验分析了粒径、强度对饱和破碎岩石应力-应变特性的影响；张振南等6进行了松散岩块压实破碎的试验研究，得出了松散岩块的压实破碎规律；苏承东等7和陈晓祥等8采用压实试验装置配以 RMT-150B 型试验系统，试验研究了压实过程含水和不含水状态下破碎岩石强度、块径、压实力与碎胀性、压实度、密度以及能耗的关系；冯梅梅等9采用自制破碎岩石压实装置，试验研究了满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律；张季如等10-11采用自制的侧限压缩试验装置进行压缩试验，建立描述粒状岩土材料的应力水平与孔隙比、体应变、相对破碎率等相关关系的数学模型；郁邦永等12建立轴向位移、压缩模量和粒度分布分形维数与轴向应力之间的关系式，讨论 Talbol幂指数对压实变形和粒度分布的影响规律。针对蠕变压缩变形，陈占清等13和马占国等14采用破碎岩体多相耦合蠕变试验装置，试验研究了饱和破碎岩石蠕变过程中孔隙率的变化规律；文献 15-17 采用自制的破碎岩石承压变形试验系统对粒径级配满足正态分布的破碎岩石进行分级加载试验，试验研究了碎胀和变形特性，探讨了破碎岩石承压变形机制；樊秀娟等18采用破碎岩石承压变形仪配以普通摆锤机械式压力机，试验研究了破碎砂岩蠕变变形与轴向载荷、破碎块径的关系。在侧向压力分布规律方面。文献 19-21 采用电阻应变片测量破碎煤(岩)体压实过程中圆筒外壁变形的方式反推出侧向压力；李猛22-23采用自制的散体充填料双向加载试验系统对矸石充填材料在压实过程中的侧向压力进行测量。肖猛等24采用颗粒流数值模拟软件对破碎矸石承压变形过程中的侧向压力进行了模拟，研究了不同岩性、粒径级配和加载速率情况下侧向压力分布。通过总结分析发现，现有的试验装置不能实现对冒落矸石承压变形过程中侧向压力的直接测量，存在试验后冒落矸石试样不易提取这一缺陷，且现有成果中大多进行的是单一级配或 Talbol连续级配冒落矸石的相关研究。基于此，研制了组合式冒落矸石承压变形试验装置，利用其对初始粒径满足均匀分布的冒落矸石进行承压变形试验，对比分析了在加载总时长相同、目标载荷相同、加载水平数量不同条件下冒落矸石的承压变形特征、侧向压力分布规律及试验前后粒径变化情况，为沿空留巷巷旁支护体或煤柱设计提供依据。1试验装置及试验方案1.1试验装置组合式冒落矸石承压变形试验装置由底板、反力板、调质轴、压力传感器、反力压头、压板、约束板、拉杆、定位销、加载压头组成。单个试验盒有效边长为 150mm，有效高度为 100mm，试验装置高度可通过增减试验盒数量来满足不同试验需求，典型的 4 组式冒落矸石承压变形试验装置主体结构如图 1 所示。王海龙等：采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究2023年第6期216121511132137845149101底板；2左反力板；3右反力板；4调质轴；5压力传感器；6左反力压头；7右反力压头；8左压板；9右压板；10前压板；11后压板；12约束板；13拉杆；14定位销；15加载压头(a)结构(b)实物图1组合式冒落矸石承压变形试验装置Fig.1Combinedtypetestdeviceforcavedganguebearingdeformation底板左侧等距设置有左反力板，右侧等距设置有右反力板，并且左反力板中贯穿设置有调质轴，调质轴另一端连接压力传感器，压力传感器通过贯穿约束板的左反力压头与左压板呈面接触；通过调整调质轴在左反力板中的旋进深度，调节左反力压头在约束板右侧伸出长度，以此控制左压板与约束板间空隙，进而可改变试验盒有效尺寸；右反力压头贯穿右反力板，与右压板呈面接触；前压板左侧与约束板连接，右侧与右反力板连接，后压板和前压板关于左压板对称设置；拉杆的一端贯穿设置在左反力板中，另一端贯穿设置在右反力板中，并且导向杆贯穿在套环中，套环对称设置在约束板的两侧；试验装置可以根据需要进行组合，定位销在左、右反力板上各设置 2 个，用于试验装置组合定位。试验时，将装满冒落矸石的试验装置放置在压力试验机试验台上，按照指定的载荷加载模式，对试验装置中的冒落矸石进行垂直加载，冒落矸石在垂直载荷的作用下，会产生侧向膨胀，进而对压板产生压力，其中，左压板受到的压力会通过左反力压头传递至压力传感器，无纸记录仪可以将压力传感器示数实时保存下来，即为冒落矸石侧压力，上述过程与沿空留巷条件下，采空区冒落矸石在上覆岩层载荷作用下，因流动而产生施加于巷旁支护体或煤柱上的侧压力作用具有极高相似性。冒落矸石承压变形试验系统如图 2 所示。图2冒落矸石承压变形试验系统Fig.2Testsystemforcavedganguebearingdeformation1.2试验方案根据国内外学者的研究，考虑到尺寸效应的影响，要求试样直径与岩石最大粒径比值 D/dmax5，由于试验盒有效边长为 150mm，选用的是 4 组式破碎岩石承压变形试验装置，即有效高度为 400mm，因此可试验的冒落矸石最大粒径为 30mm。选取典型的煤矿顶板砂岩作为研究对象，单轴抗压强度为96.8MPa，拉伸强度为 7.5MPa，弹性模量为 16.1GPa，泊松比为 0.199，密度为 2565.6kg/m3。将大块冒落矸石人工破碎后，按照粒径大小分成 510、1015、1520、2025、2530mm 五种级别。选定均匀粒径作为试样的粒径级配，试验前后冒落矸石试样表面形态如图 3 所示。采空区冒落岩石承受的压力主要来自上覆岩层的压力，力的大小与断裂岩层的高度直接相关，随着(a)试验前(b)试验后图3试验前后冒落矸石试样表面形态Fig.3Surfaceformofcavedganguebeforeandaftertest2023年第6期煤炭科学技术第51卷22断裂岩层高度的增大而增大。在顶板 2 次来压之间的时间段内，作用在冒落岩石上的压力可近似为不变，与上覆断裂岩层的自重基本相同；在顶板来压时，作用在冒落岩石上的压力会出现突增，增量约等于此次来压过程中覆岩新断裂岩层的自重。因而冒落岩石在采空区内的受力状态不是线性增加的，而是呈现出一种阶梯状增大的趋势，因此在承压变形试验中，设计采用分级加载方式。为对比分析，设计 3 种类型的加载水平，即 1 个加载水平（载荷 10MPa，持续 16h）、2 个加载水平（载荷分别为 5MPa 和 10MPa，分别持续 8h）、4 个加载水平（压力分别为 2.5、5、7.5、10MPa，分别持续 4h）。需要指出的是，在实际工作面开采过程中，考虑周期来压步距和工作面推进速度的关系，采空区冒落矸石的变形在未达到所受维持恒力的稳定状态前，便会因为顶板的来压导致作用在冒落矸石上的压力增加，因此，在进行每级加载维持恒力时间设计时，并未刻意追求待冒落矸石变形状态稳定后再进行下一级加载。冒落矸石试样初始碎胀系数为K=V1V0（1）式中：V0为大块冒落矸石的体积；V1为大块冒落矸石破碎后自然堆积状态下的体积。冒落矸石试样初始空隙率为P=V1V0V0=K1（2）冒落矸石试样承压变形后的残余高度为h1=h0u（3）式中：h0为冒落矸石试样初始高度，mm；u 为冒落矸石试样承压后变形量，等于加载压头位移，mm。冒落矸石试样承压变形后的残余碎胀系数为K1=h1SV0（4）式中：S 为试验盒有效底面积，S=a2，其中 a=150mm。2试验结果及分析2.1应力-应变及碎胀特征1）1 个加载水平。在 1 个加载水平条件下，冒落矸石试样应力和应变曲线如图 4 所示。随着轴向载荷的增加，轴向变形呈现逐渐增大趋势，10MPa 恒载结束时轴向应变最终值为 192.0103；残余碎胀系数呈现逐渐减小趋势，由 1.676 降为 1.354；试验过程中，加载阶段较恒载阶段轴向变形更为明显，占全部变形的 96.98%。恒载初期轴向应变增长较快，而后增长趋势逐渐变缓，期间出现 1 次应变突增，1min 时间内轴向应变增加了 7.3104，且试验盒中有明显岩石破裂的声音，表明在该恒载阶段冒落矸石出现明显破裂。2004006008001 000024681000.050.100.150.20应力应变应力/MPa应变时间/min(a)应力和应变、时间历程曲线0.1870.1880.1890.1900.1910.1922004006008001 0000应变时间/min(b)恒载阶段(10 MPa)应变曲线图41 个加载水平应力和应变曲线Fig.4Stressandstraincurveunderoneloadlevel2）2 个加载水平。在 2 个加载水平条件下，冒落矸石试样应力和应变曲线如图 5 所示。随着轴向载荷的增加，轴向变形呈现逐渐增大趋势，5.0MPa 和10.0MPa 恒载结束时轴向应变最终值分别为 145.1103和 225.9103；残余碎胀系数呈现逐渐减小趋势，由 1.708 降为 1.322；试验过程中，加载阶段较恒载阶段轴向变形更为明显，占全部变形的 90.93%。2 个恒载阶段，初期轴向应变增长都较快，而后增长趋势皆逐渐变缓，且恒载末期轴向应变趋于平稳。3）4 个加载水平。在 4 个加载水平条件下，冒落矸石试样应力和应变曲线如图 6 所示。随着轴向载荷的增加，轴向变形呈现逐渐增大的趋势，2.5、5.0、7.5、10.0MPa 恒载结束时轴向应变最终值分别为63.5103、120.2103、163.7103和 196.9103；残余碎胀系数呈现逐渐减小的趋势，由 1.679 降为1.348；试验过程中，加载阶段较恒载阶段轴向变形更为明显，占全部变形的 82.28%。4 个恒载阶段，初期轴向应变增长都较快，而后增长趋势皆逐渐变缓，且恒载末期轴向应变趋于平稳。恒载 2.5MPa 阶段，冒王海龙等：采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究2023年第6期23落矸石试样变形快速达到稳定状态，从进入稳定状态直至该阶段完成，仅增加了 6105；恒载 5.0MPa阶段，出现一次应变加速，表明在该载荷恒载阶段冒落矸石出现一定程度的加速变形。不同试验类型下冒落矸石承压变形过程中，应变和碎胀变化见表 1。随载荷增加，冒落矸石变形逐渐增大，残余碎胀系数逐渐减小，加载较恒载阶段尤为明显；恒载初期，轴向应变增长较快，而后逐渐变缓并趋于平稳，若不发生应变突增，应变时间呈现对数关系；目标载荷相同，虽然加载时间长度一致，但是随着加载水平数量的增加，恒载阶段所产生的应变呈现显著增加，在恒载阶段，1 个加载水平所产生的应变占到总应变的 3.02%，2 个加载水平所产生的应变占到总应变的 9.07%，4 个加载水平所产生的应变占到总应变的 17.72%，表明分级加载虽然减少了对冒落矸石的能量输入，但却对冒落矸石的滑移填充和结构调整起到了显著的促进作用，这对利用采空区冒落矸石控制地表沉陷具有一定的指导意义。2.2试验前后粒径变化特征不同试验类型下冒落矸石承压变形试验前后粒径变化如图 7 所示。1）1 个加载水平。一个加载水平试验后，粒径05mm 的冒落矸石含量增加了 13.94%；粒径 510mm 的冒落矸石含量基本不变；粒径 1015mm的冒落矸石含量增加了 21.5%；粒径 1520mm、2025mm 和 2530mm 的冒落矸石含量则均有不同程度的减小，分别为 12.82%、18.35%和 12.81%。2）2 个加载水平。2 个加载水平试验后，粒径05mm 的冒落矸石含量增加了 15.72%；粒径 510mm 的冒落矸石含量基本不变；粒径 1015mm的 冒 落 矸 石 含 量 增 加 了 20.99%；粒 径 15 20、2025、2530mm 的冒落矸石含量则均有不同程度的减小，分别为 10.05%、17.18%和 15.73%。3）4 个加载水平。4 个加载水平试验后，粒径05mm 的冒落矸石含量增加了 14.21%；粒径 510mm 的冒落矸石含量基本不变；粒径 1015mm的冒落矸石含量增加了21.69%；粒径1520mm、2025mm 和 2530mm 的冒落矸石含量则均有不同程度的减小，分别为 12.00%、19.25%和 12.88%。不同试验类型下冒落矸石承压变形试验前后粒径变化具体见表 2。通过对比可以发现，粒径 05mm的冒落矸石含量均明显增加；粒径 510mm 的冒落矸石含量基本不变，可作为冒落矸石试样承压变形过程中的稳定粒径，但是试验前后此粒径范围内的冒落矸石不是绝对不发生变化的，而是一个动态平衡的过程，即破碎的部分与新形成的部分基本相等，重新筛分后该粒径范围内的冒落矸石具有明显的新的断裂摩擦痕迹即是很好的证明；粒径 1015mm的冒落矸石含量也有所增加；粒径 1520、2025、2530mm 的冒落矸石含量则均有不同程度的减小。2.3侧向压力分布规律4 组式冒落矸石承压变形试验装置中用于测量侧向压力的压力传感器编号自上而下分别为 1、2、3、4 号。随着轴向载荷的增加，冒落矸石轴向变形逐渐增大，压力传感器监测到的压力也呈现增大趋势，当轴向变形越过 1 号压力传感器的中心轴线，1 号压力传感器所承受来自冒落矸石试样的侧向压力就会变小。因此，将中心轴线位于加载压头之下的侧压力传感器定义为有效压力传感器，并将距离加载压头最近的有效压力传感器中心轴线所在水平面上的压力等效为加载压头施加的载荷。另外，在冒落矸石2004006008001 000024681000.050.100.150.250.20应力应变应力/MPa应变时间/min(a)应力和应变时间历程曲线1002003004005000应变时间/min(b)恒载阶段(5 MPa)应变曲线0.1340.1360.1380.1400.1420.1440.1461002003004005000应变时间/min(c)恒载阶段(10 MPa)应变曲线0.2140.2160.2180.2200.2220.2240.226图52 个加载水平应力和应变曲线Fig.5Stressandstraincurveundertwoloadlevels2023年第6期煤炭科学技术第51卷24承压变形试验过程中，沿试验盒内壁将产生向上的较大摩擦力，同时在冒落矸石传递力的过程中会消耗减弱，这使得试验盒中底部冒落矸石承受的压力比施加在冒落矸石体上表面的载荷要小，因此，从上至下，有效压力传感器监测到的侧压应力呈现减小的趋势。侧压系数为k=xz（5）zxk式中：为垂直有效压力，MPa；为侧向有效压力，MPa；为侧压系数。1）在 1 个加载水平条件下，侧向压力变化曲线如图 8a 所示，2 号侧压力传感器作为与加载压头最近的有效压力传感器，对应的侧压系数变化如图 8b 所示，恒载阶段侧压系数未发现明显波动，为0.227。根据侧压系数值，以及 3 号和 4 号压力传感器测出的侧压应力，分别为 1.876MPa 和 0.590MPa，求得 3 和 4 号压力传感器中心轴线所在水平面上冒2004006008001 000024681000.050.100.150.20应力应变应力/MPa应变时间/min(a)应力和应变时间历程曲线501001502002500应变时间/min(b)恒载阶段(2.5 MPa)应变曲线0.0590.0600.0610.0620.0630.064501001502002500应变时间/min(c)恒载阶段(5.0 MPa)应变曲线0.1130.1140.1150.1160.1170.1180.1190.1200.121501001502002500应变时间/min(d)恒载阶段(7.5 MPa)应变曲线0.1520.1540.1560.1580.1600.1620.164501001502002500应变时间/min(e)恒载阶段(10.0 MPa)应变曲线0.1880.1900.1920.1940.1960.198图64 个加载水平应力和应变曲线Fig.6Stressandstraincurveunderfourloadlevels表 1 不同试验类型下冒落矸石承压变形参数变化统计Table 1 Parameter variation of caved gangue bearing deformation with different experimental types试验类型试验阶段应变应变时间拟合曲线残余碎胀系数起始/103终止/103差值/103累积/103起始终止1个加载水平（载荷10MPa，持续16h）010MPa加载，0186.2186.2186.21.6761.36410MPa恒载186.2192.05.8192.01.3641.3542个加载水平（载荷分别为5、10MPa，分别持续8h）05MPa加载，0135.0135135.01.7081.4785MPa恒载135.0145.110.1145.1=0.001lnt+0.138 7，R2=0.9891.4781.461510MPa加载，145.1215.570.4215.51.4611.34010MPa恒载215.5225.910.4225.9=0.001 2lnt+0.219，R2=0.9711.3401.3224个加载水平（压力分别为2.5、5、7.5、10MPa，分别持续4h）02.5MPa加载，056.256.256.21.6791.5852.5MPa恒载56.263.57.363.51.5851.5722.55MPa加载，63.5111.848.3111.81.5721.4915MPa恒载111.8120.28.4120.2=0.000 9lnt+0.115，R2=0.9171.4911.47757.5MPa加载，120.2152.632.4152.61.4771.4237.5MPa恒载152.6163.711.1163.7=0.001lnt+0.158 6，R2=0.8621.4231.4047.510MPa加载，163.7188.825.1188.81.4041.36210MPa恒载188.8196.98.1196.9=0.001lnt+0.191 7，R2=0.8541.3621.348王海龙等：采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究2023年第6期25落矸石所承受的垂直压力分别为 8.264MPa 和 2.599MPa。2）在 2 个加载水平条件下，侧向压力变化曲线如图 9a 所示，2 号侧压力传感器作为与加载压头最近的有效压力传感器，对应的侧压系数变化如图 9b 所示，恒载阶段侧压系数未发现明显波动，5MPa 和 10MPa 恒载下分别为 0.216 和 0.258。根据侧压系数值，以及 3 号和 4 号压力传感器测出的侧向压力，5MPa 恒载下分别为 0.810MPa 和 0.182MPa，10MPa 恒载下分别为 2.072MPa 和 0.623MPa，求得 3 号和 4 号压力传感器中心轴线所在水平面上冒落矸石所承受的压力，5MPa 恒载下分别为 3.75MPa 和 0.843MPa，10MPa 恒载下分别为 8.000MPa和 2.405MPa。表 2 不同实验类型冒落矸石实验前后粒径变化Table 2 Particle size change of caved gangue before andafter test with different experimental types粒径区间/mm不同加载水平数量实验前/后粒径比例/%124050/13.940/15.720/14.2151020/20.5820/20.3320/19.97101520/21.5020/20.9920/21.69152020/12.8220/10.0520/12.00202520/18.3520/17.1820/19.25253020/18.3520/15.7320/12.88合计100/100100/100100/1003）在 4 个加载水平条件下，侧向压力监测曲线如图 10a 所示。在第一个加载水平条件下，1 号压力传感器作为与加载压头最近的有效压力传感器，对应的侧压系数变化如图 10b 所示，恒载阶段侧压系数未发现明显波动，为 0.169。根据侧压系数值，以及 2、3、4 号压力传感器测出的侧向压力，2.5MPa 恒载下分别为0.352、0.338、0.032MPa，求得 2、3、4 号压力传感器0510152022.5占比/%粒径/mm实验前1个加载水平后2个加载水平后4个加载水平后152005510101520252530图7试验前后冒落矸石粒径变化Fig.7Particlesizechangeofcavedganguebeforeandaftertest02004006008001 0000246810应力/MPa时间/min(a)侧向压力变化曲线轴向应力1号压力传感器2号压力传感器3号压力传感器4号压力传感器2004006008001 000侧压系数时间/min(b)侧压系数变化曲线00.050.100.150.200.25图81 个加载水平下侧向压力和侧压力系数变化曲线Fig.8Changeoflateralpressureandlateralpressurecoeffi-cientunderoneloadlevel02004006008001 0000246810应力/MPa时间/min(a)侧向压力变化曲线轴向应力1号压力传感器2号压力传感器3号压力传感器4号压力传感器02004006008001 000侧压系数时间/min(b)侧压系数变化曲线00.050.100.150.200.250.30图9两个加载水平下侧向压力和侧压系数变化曲线Fig.9Changeoflateralpressureandlateralpressurecoeffi-cientundertwoloadlevels2023年第6期煤炭科学技术第51卷26中心轴线所在水平面上冒落矸石所承受的压力分别为 2.083、2.000、0.189MPa。从第二个加载水平开始，2 号压力传感器变为与加载压头最近的有效压力传感器，对应的侧压系数变化如图 11 所示，5MPa、7.5MPa 和 10MPa 恒载下分别为 0.188、0.220 和 0.258。根据侧压系数，以及 3 号和 4 号压力传感器测出的侧向压力，5.0MPa恒载下分别为 0.872、0.128MPa，7.5MPa 恒载下分别为 1.479、0.289MPa，10MPa 恒载下分别为 2.075MPa 和 0.515MPa，则 3 号和 4 号压力传感器中心轴线所在水平面上破碎岩石所承受的压力，5.0MPa 恒载下分别为 4.638、0.681MPa，7.5MPa 恒载下分别为 6.723、1.314MPa，10MPa 恒载下分别为 8.043、1.996MPa。假定试验盒顶部为 0 水平面，则按照各个有效传感器中心轴所在水平面与 0 水平面的位置关系，14 号压力传感器与 0 水平面的垂直距离分别为50、150、250、350mm。不同试验类型下，冒落矸石在不同试验阶段的位置垂直压力关系曲线如图 11 所示。拟合出的位置垂直压力关系式见表 3。冒落矸石体展现出较强的载荷传递折减效应，自冒落矸石体顶界面垂直向下呈现递减变化。考虑到侧向压力和竖向压力呈线性正相关，位置侧向压力关系曲线趋势完全一致，不再赘述。02004006008001 0000246810应力/MPa时间/min(a)侧向压力变化曲线轴向应力1号压力传感器2号压力传感器3号压力传感器4号压力传感器05010015020025000.040.080.120.160.20侧压系数时间/min(b)第1个加载水平条件下侧压系数变化曲线2004006008001 0000.120.160.200.240.28侧压系数时间/min(c)第2、3、4个加载水平条件下侧压系数变化曲线图104 个加载水平下侧向压力和侧压系数变化曲线Fig.10Changeoflateralpressureandlateralpressurecoefficientunderfourloadlevels5010015020025030035002468101214压力/MPa位置/mm1个加载水平2个加载水平4个加载水平(恒载10.0 MPa)4个加载水平(恒载7.5 MPa)2个加载水平4个加载水平(恒载5.0 MPa)4个加载水平(恒载2.5 MPa)图11不同试验阶段位置-垂直压力关系曲线Fig.11Position-verticalpressurerelationshipduringdifferentexperimentalstage表 3 不同试验阶段位置-垂直压力拟合公式统计Table 3 Fitted formulas of position-vertical pressure relationship during different experimental stage试验类型试验阶段传感器编号侧向压力/MPa竖向压力/MPa侧压系数位置竖向压力拟合曲线1个加载水平(载荷10MPa，持续16h)10MPa恒载10.227=0.000 2x2+0.061 1x+5.256 6R2=1.0022.26710.00031.8768.24640.5902.5992个加载水平(载荷分别为5、10MPa，分别持续8h)5MPa恒载10.216=8105x2+0.020 6x+3.768 1R2=1.0021.0785.00030.8103.75040.1820.84310MPa恒载10.259=0.000 2x2+0.051 9x+6.259 4R2=1.0022.586