煤矿采空区不同部位岩层裂隙率与其渗透性关系的实验研究.pdf

万方数据 万方数据 分分 类类 号号 密密 级级 太原理工大学 硕 士 学 位 论 文 题 目 英文并列题目 研究生姓名 陈佩 学 号 2013520306 专 业 水利工程 研 究 方 向 环境岩土工程 导 师 姓 名 张永波 职 称 教授 学位授予单位太原理工大学 论文提交日期 2016 / 06 地 址 山西太原 太 原 理 工 大 学 EXPERIMENTAL STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN FRACTURE RATE AND PERMEABILITY OF ROCK STRATA IN DIFFERENT PARTS OF COAL MINING AREA 煤矿采空区不同部位岩层裂隙率 与其渗透性关系的实验研究 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 煤矿采空区不同部位岩层裂隙率与其 渗透性关系的实验研究 摘 要 随着煤矿的大规模开采，在矿区形成大面积的采空区，从而造成 地下岩体应力重新分布和岩体破裂损伤。 这种损伤使得岩体的裂隙率 及渗透性产生极大的改变，进而导致采空区上覆含水层向矿井渗漏， 可能使上覆含水层疏干，对当地生活生产活动产生影响。然而煤矿开 采必然会遇到裂隙岩体渗流问题， 因而采空区上覆岩体渗流特性的研 究对于促进煤矿安全生产、 实现煤矿绿色开采和煤炭工业的可持续发 展有着重要的工程实践价值。 为了研究采空区不同部位岩层裂隙率与渗透性关系， 本文设计采 空区相似模拟实验， 研究煤层采完后覆岩裂隙发育情况并统计不同部 位岩层的裂隙率，归纳分析了采动裂隙岩体的断裂破坏特征；根据采 空区相似模拟实验得出的裂隙发育情况及裂隙率建立与之相似的简 化裂隙物理模型，并设计了采空区冒落带破碎岩石渗透实验系统、采 空区裂隙带岩体水平渗透实验系统、 采空区裂隙带岩体垂直渗透实验 系统。上述渗透实验系统可测试采空区不同部位岩体的渗透性，最后 结合模型实验得出的裂隙率结果， 对采空区不同部位岩层裂隙率与其 渗透特性的关系进行分析。主要成果如下 （1）根据相似模拟实验结果，探讨煤层开采后覆岩裂隙发育规 律，并分析描述了采空区“竖三带”和“横三区”裂隙分布特征，并对采 空区不同部位岩层裂隙率进行了统计。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II （2）根据采空区冒落带破碎岩体渗流特性实验表明，渗流的水 力梯度和渗流速度不符合达西定律，而呈乘幂曲线关系，并计算出了 采空区冒落带不同裂隙率岩体的渗透系数。实验结果还表明，破碎岩 体的渗透性不仅与裂隙率有关，还与岩样的粒径以及裂隙结构有关。 （3）根据采空区裂隙带渗流特性实验表明，渗流的水力梯度和 渗流速度同样不符合达西定律，也呈乘幂曲线关系，并计算出了采空 区裂隙带不同部位岩体的渗透系数。实验结果还表明，裂隙带岩体的 渗透性不仅与裂隙率有关，还与岩体的裂隙连通性。 （4）根据采空区裂隙带渗流特性实验结果表明，相同裂隙率及 裂隙结构岩体其水平方向渗透系数和垂直方向渗透系数差异明显， 水 平方向渗透系数一般为垂直方向渗透系数的 20 倍。 关键词采空区，冒落带，裂隙带，裂隙率，渗流特性 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III EXPERIMENTAL STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN FRACTURE RATE AND PERMEABILITY OF ROCK STRATA IN DIFFERENT PARTS OF COAL MINING AREA ABSTRACT With the large-scale coal mining, a large area of mining out area was ed in mining area, resulting in underground rock stress re distribution and fracture rock mass damage. The damage causes a great change in the fracture rate and permeability of the rock mass. And then it causes the mining area to be covered by the aquifer to the mine leakage, which may cause the overlying aquifer to be drained, and the influence on the local life and production activities.However coal mining will encounter fractured rock mass seepage problem, thus goaf seepage characteristic of overlying rock research to promote the coal mine production safety. Therefore, the study of the seepage characteristics of the overlying rock in the goaf has important engineering practice value to promote the coal mine safety production and realize the sustainable development of coal mining and coal industry. In order to study the relationship between the fracture rate and 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV permeability of strata in different parts of mined out area, in this paper, the similar simulation experiment was designed to study the development situation of overlying strata and fracture after the coal seam mining, and to analyze the fracture rate of the strata in different locations; again Based on the similar simulation experiment of the goaf, the model of the simplified fracture physical model is established. The experimental system of rock seepage and rock seepage in the goaf caving zone, the rock mass in the fracture zone of the goaf and the vertical seepage test system of the fractured zone in the goaf are designed. The permeability test system can test of mined out area in different parts of rock mass permeability. Finally, combined with model experiment results show that the fracture rate results, analyzed the relationship of mined out area in different parts of the rock cranny ratio and permeability.The main results are as follows 1 According to the simulation results, The development law of overlying strata in coal seam mining is discussed, and the fracture distribution characteristics of “vertical three zone“ and “horizontal three zone“ are analyzed and described. And the fracture rate of rock strata in different parts of mined out area was statistically. 2 According to the goaf caving zone broken rock mass seepage characteristics experiment shows, the seepage hydraulic gradient and seepage velocity does not con to Darcys law, which is a power curve. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V The permeability coefficient of the rock mass with different fracture rate in goaf is calculated.Experimental results also show that the permeability of the broken rock not only relates to the fracture rate, but also to the sample particle size and fracture structure. 3 According to the fracture of goaf with seepage characteristic experiment shows that, the seepage hydraulic gradient and seepage velocity are not consistent with Darcys law, also showed a power curve. And the permeability coefficient of rock mass in different parts of the goaf is calculated. The experimental results also show that the permeability of fractured rock mass is not only related to the fracture rate, but also to the fracture connectivity of the rock mass. 4 According to the fracture of goaf with seepage characteristic experiment results show that, The horizontal permeability coefficient and the vertical permeability coefficient of the same crack rate and fracture structure rock mass have obvious difference. The horizontal permeability coefficient is 20 times of the vertical permeability coefficient. KEYWORDS mined out area, caving zone, fracture zone, fracture rate, seepage characteristics 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 ......................................................................................................... 1 1.1 研究背景和意义............................................................................................... 1 1.2 研究现状........................................................................................................... 1 1.2.1 采空区相似模拟实验研究现状............................................................. 1 1.2.2 裂隙岩体渗透特性研究现状................................................................. 5 1.3 论文的研究内容.............................................................................................. 7 1.4 研究的技术路线与方法................................................................................... 7 1.4.1 研究区地质调查..................................................................................... 7 1.4.2 采空区相似材料模拟实验研究............................................................. 7 1.4.3 冒落带渗透性实验研究......................................................................... 8 1.4.4 裂隙带渗透性实验研究......................................................................... 8 1.4.5 试验结果整理及分析............................................................................. 8 第二章第二章 研究区地质背景条件研究区地质背景条件 ..................................................................................... 9 2.1 常村煤矿概况................................................................................................... 9 2.2 常村煤矿地质及水文地质条件..................................................................... 11 2.2.1 地形与地貌........................................................................................... 11 2.2.2 地质条件............................................................................................... 11 2.2.3 水文地质条件....................................................................................... 17 2.3 研究区地质及水文地质条件......................................................................... 21 2.3.1 研究区地层特征................................................................................... 21 2.3.2 水文地质概况....................................................................................... 25 第三章第三章 采空区覆岩裂隙发育相似模拟实验研究采空区覆岩裂隙发育相似模拟实验研究 ................................................... 27 3.1 实验条件......................................................................................................... 27 3.2 实验模型和方法............................................................................................. 27 3.2.1 相似常数的选择.................................................................................. 27 3.2.2 相似材料的选取................................................................................... 29 3.2.3 相似材料的用量计算.......................................................................... 29 3.3 煤层开采覆岩垮落过程................................................................................. 30 3.3.1 煤层第一层开采覆岩垮落过程.......................................................... 30 3.3.2 煤层第二层开采覆岩垮落过程.......................................................... 32 3.3.3 煤层第三层开采覆岩垮落过程.......................................................... 35 3.4 裂隙分布规律及发育特征............................................................................. 36 3.4.1 覆岩裂隙的水平分区.......................................................................... 37 3.4.2 覆岩裂隙的垂直分带.......................................................................... 37 3.4.3 裂隙率统计.......................................................................................... 38 第四章第四章 采空区冒落带渗透性实验研究采空区冒落带渗透性实验研究 ................................................................... 43 4.1 实验材料及装置............................................................................................. 43 4.1.1 实验材料............................................................................................... 43 4.1.2 实验装置.............................................................................................. 43 4.2 实验方案......................................................................................................... 44 4.3 实验方法及步骤............................................................................................. 45 4.3.1 实验方法.............................................................................................. 45 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 4.3.2 实验步骤............................................................................................... 45 4.4 渗透性测试原理............................................................................................. 47 4.5 实验结果和分析............................................................................................. 48 4.5.1 流速水力梯度数据........................................................................... 48 4.5.2 实验结果分析讨论............................................................................... 49 第五章第五章 采空区裂隙带渗透性实验研究采空区裂隙带渗透性实验研究 ................................................................... 53 5.1 实验材料及装置............................................................................................. 53 5.1.1 实验材料............................................................................................... 53 5.1.2 实验装置.............................................................................................. 53 5.2 实验方案........................................................................................................ 55 5.3 实验步骤......................................................................................................... 56 5.4 渗透实验结果和分析..................................................................................... 60 5.4.1 流速水力梯度数据........................................................................... 60 5.4.2 实验结果分析讨论.............................................................................. 63 第六章第六章 结论与展望结论与展望 ................................................................................................... 69 6.1 主要结论.................................................................................................. 69 6.2 展望.......................................................................................................... 70 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 71 致致 谢谢 ..................................................................................................................... 77 攻读学位期间发表的学术论文目录攻读学位期间发表的学术论文目录 ......................................................................... 78 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究背景和意义 山西省是我国煤炭大省,煤炭资源的开发为国家经济的持续稳定发展做出了 重大贡献，但是由于煤矿开采改变了上覆岩层岩体力学平衡， 导致采空区上覆岩 层冒落、断裂和弯曲，形成冒落带、裂隙带、弯沉带，称之为“竖三带”。其中冒 落带以破碎岩石为主，裂隙带和弯沉带以压裂岩石为主。随着煤矿的不断开采, 采空区顶板的周期性断裂和大范围的刚体运动的影响,冒落带、裂隙带、弯沉带 应力的重新分布，其裂隙率与其渗透特性也产生了复杂的变化。煤矿开采之后破 坏上覆岩层形成的“竖三带”会使其渗透特性发生了改变，例如冒落带形成后，渗 透系数可比冒落前增大 20 倍之多，当到达上覆含水层或地表水体时，会造成矿 井突水。 裂隙带形成后也会使岩层的渗透性能增强， 不仅会使矿井的涌水量增大， 甚至会引起矿井突水，并且会疏干该含水层的地下水，影响居民用水。 数值模拟是预测煤矿开采对地下水影响的主要方法， 采空区不同部位的渗透 系数是数值模拟中要利用到的至关重要的参数， 参数的准确性是预测结果可靠性 的重要保证，参数的较大的误差会是预测结果失真，数值模拟预测也就失去了意 义。所以研究采空区不同部位岩层裂隙率与渗透特性的关系显得至关重要。 本文是以常村煤矿为研究背景，通过相似模拟实验研究该矿区 S6-9 工作面 煤矿开采结束后，上覆岩层裂隙发育及分布情况并统计出不同部位的裂隙率，再 通过渗透实验研究其对应部位的渗透特性， 最终根据实验数据分析裂隙率与渗透 特性的关系，进而为地下水数值模拟的准确计算提供重要参数依据。可见该课题 是一项具有理论研究价值和实际工程应用背景的重大课题。 1.2 研究现状 1.2.1 采空区相似模拟实验研究现状 相似模拟实验是解决地下工程问题的重要方法之一， 因为这种实验方法能够 较好地反映岩层特征，如节理、断层等地质因素对工程稳定性的影响，并且不必 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 建立复杂岩体的本构关系，可直接通过测试给出结果，这就省去了数学、力学上 的麻烦。因此，物理模型实验倍受各国岩土工程界的关注。在上世纪七、八十年 代，世界各先进国家如意大利、美国、德国、南斯拉夫及瑞典、瑞士、前苏联、 日本等，都曾经广泛地开展这项工作。其中最为著名的是意大利的贝加莫结构与 模型实验研究所（ISMES） ，以 E.Fumagalli 为首的一批专家、教授用物理模型研 究了多个大坝、边坡和洞室的稳定性，并给出了很有意义的结果。如对 Itaipu 坝 的模型实验研究给出了左岸垫脚支墩的滑动与破坏过程， 与实际滑移的情况基本 一致； 对台湾的大成水利枢纽双曲坝实验给出的开裂位移数值与现场观测也基本 一致。 他们除了在成果应用方面表现出比较突出之外，在物理模型实验理论的建 立以及对物理模型实验技术问题的解决方面也做出了重要贡献。 美国在这些方面 作出的主要贡献是以 R.E.Heuer 和 A.J.Hendron 等人为首，对地下洞室在静力条 件下的围岩稳定性进行了内容广泛的物理模型实验。 他们的工作首次系统地阐述 了模型实验的理论、相似条件的建立方法以及相关的模型实验技术，并对均质岩 体、 块状岩体和节理岩体中的洞室稳定性作了物理模型实验， 给出了相应的结果。 前南斯拉夫利用物理模型实验研究了地下隧道的稳定性。 瑞士利用物理模型实验 研究了层状岩体中隧道的变形破坏问题。 日本利用物理模型研究了锚杆对洞室的 加固效应等等。其它象前苏联、英国、法国、挪威、奥地利、葡萄牙、西班牙等 都开展过物理模型实验工作[1]。 物理相似模拟实验， 自发展至今， 已成为国内外矿业界一种重要的研究手段。 20 世纪五、六十年代物理模拟技术主要以平面应力相似模拟实验为主，从宏观 及定性的角度来研究开采过程上覆岩层的活动规律。进入 70 年代中后期及 80 年代以后，出现了平面应变相似模拟实验架、立体模拟实验架和平板模拟实验架 等多种形式的相似模拟实验装置，相似材料物理模型实验取得了一系列研究成 果，如著名的“砌体梁”理论、采场上覆岩层“三带”形成规律、岩层的断裂规律等 等。另外，我国许多专家学者根据地下开采后岩体力学形态的复杂性，运用比较 成熟的模拟实验技术，优化了地下开采相似材料物理模型设计与制作，得出了许 多有意义的研究成果。隋惠权等通过相似材料物理模型实验方法，研究了地下开 采过程中岩层内部移动和变形规律[2]。翟新献研究了近距离煤层上层煤开采时顶 板岩层移动特征，揭示了“砌体梁”结构向高层位发展规律[3]。伍永平等利用非平 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 衡断裂统计方法，结合相似材料模型实验，对综采放顶煤工作面开采围岩在非对 称载荷作用下裂隙非稳态运动及演化规律进行了分析[4]。白义如用相似材料模型 实验对金山店铁矿地下开采引起地表沉降进行了研究[5]。邓喀中等根据相似材料 模拟实验结果，分析了地下开采后岩体移动的界面效应[6]。胡耀青等对煤矿带压 开采进行了三维物理模拟， 分析了煤层顶板应力与位移的变化规律[7]。 2005 年张 永波等以辛置煤矿老采空区为原型进行了相似模拟实验， 分析了老空区覆岩岩体 损伤破坏规律，探究了不同采深、采深采厚比、上覆松散层厚度对老空区建筑地 基稳定性的影响[8]。 进入 20 世纪 90 年代后，国际上由于数值计算技术的迅速发展，使得物理模 型实验在解决岩体工程问题中受到一定的冷落， 不少研究单位逐渐放弃了物理模 型实验这种研究手段，转而搞数值计算。因为数值计算相对于物理模型实验来说 省工、 省时， 且在考虑不同参数的影响时比较方便， 不需要象物理模型实验那样， 改变一次参数就要重作一次模型实验。在 90 年代后期，我国物理模型实验的发 展也受到了新兴的数值计算方法的影响， 原来开展过这项工作的单位很多都停止 了，只有少数单位仍然在坚持[1]。 尽管物理模型实验这种研究手段受到了数值计算技术的冲击，但是，对于一 些复杂的岩土工程问题而言，目前仍需进行物理模型实验。最近几年来，这项研 究手段似乎有加快发展的势头。国际上如日本的足立纪尚，中岛神一郎等利用重 力坝模型实验装置研究了基岩内弱层荷载的传递机理及破坏特性； 中川光雄在讨 论不连续岩体裂缝扩张的个别要素法的进展和岩体运动解析方法的适用性时， 利 用底面摩擦实验装置进行了地下洞室室内模型实验。加拿大的 R.W.I.Brachman， I.D.Moore 和 R.K.Rowe 在新近研制的实验装备上进行了深埋小直径管道结构响 应实验[9]。 MaroloC.Alfaro 和 RonC.K.Wong 通过室内模型实验研究了低渗透率土 壤的压裂问题[10]，等等。国内也有多家单位在从事物理模型实验研究工作，如 肖洪天等利用自行研制的加载装置研究了三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展问题 [11]。 曾亚武等通过模型实验研究了地下洞室围岩应力分布规律， 围岩破坏机理以 及围岩支护效果等[12]。任伟中等对