3.1 协同综采物理相似模型构建

矿山岩层移动和矿压显现规律最可靠的获取方式为现场原位实测研究。协同综采作为一项新型采空区部分充填开采技术，在国内外属首次运用，目前尚无岩层移动实测方面的数据及经验，暂时无法从现场实测角度对协同综采岩层移动规律开展研究。物理相似模拟因其结果直观、单一条件可控及相似程度高等优点被广泛应用于矿山覆岩移动特征研究。物理相似模拟试验的实质是采用与现场原型力学性质相似的材料，按设计相似参数缩制成相应比例的模型，并进行开挖模拟，观测和研究相似模型变形与破坏等矿压现象。协同综采面最显著特征为沿倾向表现出明显的分段特征，因此本章利用试验室二维模拟相似平台，构建协同综采覆岩相似模型，研究协同综采面覆岩移动及其空间结构特征。

3.1.1 模型的基本参数

物理相似模拟试验成功与否常取决于模型与原型相似条件的满足程度。试验以平煤十二矿工程地质参数为研究背景，依据几何条件、介质条件、边界条件及初始条件等四大相似准则 ^[155] ，确定模型几何相似比C _L 为1∶100（模型∶原型），根据试验材料与原型各岩层的容重，确定模型容重相似比C _r 为1∶1.67、应力相似比为C _p 为1∶166.7。

二维物理相似模拟平台尺寸长×宽×高为2.5m×0.2m×1.8m，结合现场实际地质条件和实验室条件，设计模型铺设高度为1.5m，包括主采己 ₁₅ 煤层、5层底板及14层顶板，共20层。模型各岩层基本参数及材料配比见表3.1和表3.2。

3.1.2 模拟与监测方案

1.模拟方案

充填采煤采场充填体对上覆岩层运动的抑制程度由充填体的致密性决定，两者之间的相互作用关系通过充实率直观表达。协同综采覆岩移动影响因素众多，结合协同综采工程参数设计重点及十二矿地质条件背景，本次物理相似模拟试验重点考察不同充实率条件下协同综采面覆岩移动规律，最终确定物理模拟方案，见表3.3。

模型铺设完毕约干燥10天（秋季）后开挖，同时对未铺设岩层进行模拟补偿载荷处理，未铺设煤层高度约900m，按照物理模拟应力相似比计算，需加载0.135MPa的补偿载荷，具体加载方式采用平台上部风动液压汽缸等装置实现，模拟平台加压系统实拍如图3.1~图3.3所示。此次铺设为工作面倾向模型，不同于以往走向开挖，参照采场采充并举工艺适当调整，每10min开挖充填一次，每次开挖5cm，按此顺序直至充填段充填完毕，继续开挖至设计停采位置。

2.监测方案

覆岩采动位移变形监测：试验采用Matchid2D非接触式应变测量与参数反求分析系统，监测模型在开挖过程中协同综采面覆岩下沉量。Matchid2D系统的创新性在于成功地将实测技术DIC、参数反求技术VFM、有限元仿真技术FEA三大技术整合到统一的系统平台。该系统搭配高速摄影机可以准确记录物体表面影像，利用先进的二维数字图像相关性运算方法，测量任意的位移和形变，同时可以随时对试验对象进行校正，做实时的模拟输出及数据处理，系统最大的特点在于图形处理过程中准确识别图形大变形，克服以往常用监测系统无法识别垮落段覆岩大变形位移难点，精确分析充填段和垮落段覆岩位移变形。该系统核心设备包括高速工业摄像机与Matchid2D图形处理软件，位移监测设备如图3.1所示。

覆岩应力监测：在覆岩基本顶层位按设计间距铺设DZ型微型电阻应变式压力传感器配合TS3890型静态应变仪监测协同综采面开挖过程中覆岩内部应力变化。应力监测设备及测点布置（间隔20cm）分别如图3.2和图3.3所示。

3.1.3 充填体相似材料设计

充填采煤与垮落法开采采场覆岩破坏机理及破坏特征差异显著，最主要的原因是采空区充填体改变了岩层承载结构，有效抑制了覆岩下沉变形。尽可能保证充填体相似材料与现场矸石充填材料应力与应变过程的相似度，是本次物理相似模拟试验成功的关键。设计合理的充填体相似材料的基础是掌握矸石充填材料的应力与应变本构关系。本小节基于现场充填矸石压实特性设计充填体相似材料。

1.矸石充填物料压实特性测试

十二矿协同综采面充填矸石以井下洗选矸石为主，矸石来源为井下己 ₁₄ 近全岩保护层排放矸石，保护层排矸经井下洗选后直接用于采空区充填，实现了矸石不升井地面零排放。本次矸石压实试验样品取自井下洗选破碎后的原生态充填矸石。

试验采用YAS-5000型材料试验机对矸石充填物料进行单轴侧限压缩试验。试验机由液压伺服系统控制，可实现各种速率应力和位移控制加载方式，试验自动采集、存储及处理数据。试验物料装载容器为自制圆形压实钢筒，钢筒外径274mm，壁厚14mm，高300mm。压实试验设计轴向应力为0~16MPa，加载速率为1kN/s，每3s采集记录一次数据，矸石取样过程及应力与应变曲线如图3.4所示。

对图3.4中充填物料应力与应变关系作进一步数据分析可得以下几点。

（1）充填物料应变值随着应力值的增加而变大，在应力0~16MPa的变化过程中，应变值累计达0.279，充填物料应力与应变关系呈非线性变化特征。

（2）矸石充填物料压缩过程中压缩变形速率呈现明显的分段特征，整个过程大致分为快速变形、减速变形和慢速变形阶段。

（3）在0~4MPa快速变形阶段中，矸石压缩量高达0.201，超过整个变形过程压缩总量72.2%；4~10MPa减速变形阶段中，矸石压缩量变化速度变慢，矸石压缩量达0.253，此阶段变形量占整个阶段压缩总量的18.6%；10~16MPa慢速变形阶段中，矸石压实变形量只占整个阶段压缩总量的9.2%。由分析可知，若充填时对充填物料预施加适当外力，可显著提高充填承载性能。

2.充填相似材料的优化设计

充填体相似材料压实特性与现场矸石充填物料压实特性的相似程度，是此次物理模拟结果可靠性的关键。根据以往充填开采物理相似模拟充填体选择的经验和相似条件准则，结合此次模拟井下洗选矸石压实特征，确定采用海绵、纸张、薄塑料、厚塑料、木板（1mm厚）等材料组合相似材料，选择应力与应变曲线相似度最高材料组合作为此次模拟方案。试验充填体相似材料组合方案见表3.4。

采用YAS-5000型材料试验机依次对8组相似材料进行单轴压缩测试，得到不同组试样的应力与应变曲线。根据物理模拟应力相似原理，选择其中几组数据与原始矸石充填物料应力与应变曲线对比分析，其中矸石充填材料A为洗选矸石，矸石充填材料B为施加2MPa初始应力后再测试的试样，结果如图3.5所示。最终选择相似度最高的1号和2号材料作为此次试验70%和85%充实率相似材料，55%充实率根据现场自然落料充填方案结合充填高度相应调整1号相似材料厚度，具体组合为0.5cm硬塑料+1.6cm白纸+0.2cm木板。