大佛寺煤矿采动覆岩裂隙演化规律研究及应用.pdf

论文题目大佛寺煤矿采动覆岩裂隙演化规律研究及应用 专 业安全技术及工程 硕 士 生王琳华 （签名） 飞飞 指导教师李树刚 （签名） 飞飞 摘 要 针对采动覆岩裂隙演化规律的研究对于高位瓦斯抽放巷的层位布置尤为关键，将高 抽巷层位布置在瓦斯运移的裂隙通道中，有利于高抽巷更好的抽采瓦斯。本文在总结分 析前人研究的基础之上，通过运用相似模拟实验、数值模拟实验及现场实测冒落带高度 等方法，以大佛寺煤矿 40108 工作面的覆岩结构为原型，在采动覆岩裂隙演化规律研究 的基础上进一步分析了高抽巷在抽放瓦斯中的合理应用。 本文通过理论分析，阐述了采动裂隙椭抛带为瓦斯的储集和运移提供了空间和通 道；通过实验分析，揭示随采动的影响裂隙产生发展的时空规律及随着工作面的逐步推 进，受采动影响的覆岩裂隙形成似椭抛带的动态空间。综合相似模拟实验、数值模拟实 验、理论分析及现场实测的结果，获得了采场覆岩冒落带的高度。基于高抽巷抽采瓦斯 机理，以大佛寺煤矿 40108 工作面的实际情况及高抽巷抽采数据为基础，通过分析高抽 巷与煤层顶板不同距离下的抽采混合流量、抽采负压、抽采瓦斯浓度、抽采瓦斯纯量、 高抽巷中 CO 浓度、高抽巷中 CO 纯量的关系，并考虑到高抽巷层位高度对采空区遗煤 自燃的影响，将高抽巷的终孔层位布置在覆岩采动卸压裂隙带内，这样不仅能够提高瓦 斯抽放率及瓦斯抽放浓度，获得良好的抽放效果，从而实现了该工作面瓦斯防治的安全 要求。 关 键 词采动裂隙；椭抛带；模拟实验；高抽巷；层位布置 研究类型应用研究 F 本文得到 2 项国家自然科学基金项目（51174157）（51174158）和陕西省教育厅自然科学研究项目（2011JQ7015）资 助。 Subject Research Evolution Law for Fracture of Mining Overburden in Dafosi Coal Mine and It , ,s Application Specialty Safety Technology and Engineering Name Wang LinHuaZg HW （（Signature）） 飞飞 Instructor Li Shugang L （（Signature）） 飞飞 ABSTRACT The study on the behavior of overburden fractures evolution after mining is the key to the layout of high-located gas drainage roadways. Putting the high-located gas drainage roadways in the gas delivery channels is good for the gas drainage. Using the overburden structure in 40108 face of Dafosi Mine as the model, the rational use of high-located gas drainage roadways was analyzed based on the previous researches. In this study, the similar simulation, numerical simulation and field test are used. Using the theoretical analysis, the principle of Mining Fissure Elliptic Paraboloid Zone providing space for gas preserving and delivery was represented. Based on the experiments, the behavior of fractures’emergence and development and the generation of Mining Fissure Elliptic Paraboloid Zone after mining were revealed. By integrating the similar simulation, numerical simulation, theoretical analysis and field test, the height of caving zone was obtained. Based on the theory of high-located gas drainage roadways and the drainage data of the roadways in40108 face of Dafosi Mine, the location of drainage roadways was settled in the fractured zone by analyzing the relation between the roadways’ height and drainage mixed flow, subpressure, gas concentration, gas net measure CO concentration and CO net measure. In that analysis, the influence of the height on the spontaneous combustion in goaf was also considered. This location could improve the efficiency and concentration of drainage and bring about the safety requirement of gas prevention. Key words Mining fissure Elliptic Paraboloid Zone Simulation experiment The high-level suction tunnel Position arrangement Thesis Application Study 的 Funded projectsThis article 2 of the National Natural Science Foundation 51174157 51174158 and the Education Department of Shaanxi Province Natural Science research2011JQ7015 projects funded. 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 .............................................................................................................. 1 1.2 采动覆岩裂隙演化规律及裂隙场卸压瓦斯运移规律研究现状 ................................. 2 1.2.1 采动覆岩裂隙演化规律研究现状 ........................................................................... 2 1.2.2 采动覆岩裂隙场卸压瓦斯运移规律研究现状 ...................................................... 3 1.2.3 存在的问题 .............................................................................................................. 5 1.3 研究内容、研究目标和技术路线 ................................................................................. 5 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................... 5 1.3.2 研究目标 ................................................................................................................... 5 1.3.3 技术路线 ................................................................................................................... 6 2 采动覆岩破坏及采动裂隙瓦斯运移机理研究 .................................................................... 7 2.1 采动覆岩破坏理论 .......................................................................................................... 7 2.1.1 岩层控制关键层理论 ............................................................................................... 7 2.1.2 采动裂隙椭抛带的概念及特征 ............................................................................... 8 2.2 瓦斯在采动裂隙带运移机理 ........................................................................................ 10 2.2.1 瓦斯在采动裂隙带中的升浮 ................................................................................. 10 2.2.2 瓦斯在采动裂隙带中的扩散 ................................................................................. 11 2.2.3 采动覆岩裂隙对瓦斯运移的影响 ......................................................................... 12 2.3 本章小结 ........................................................................................................................ 13 3 采动覆岩裂隙演化的模拟实验研究 .................................................................................. 14 3.1 采动覆岩裂隙演化的物理相似模拟实验研究 ............................................................ 14 3.1.1 相似理论 ................................................................................................................. 14 3.1.2 模型的设计 ............................................................................................................. 15 3.1.3 模型的制作及测点布置 ......................................................................................... 16 3.1.4 实验过程 ................................................................................................................. 18 3.1.5 实验结果分析 ......................................................................................................... 18 3.2 采动覆岩裂隙演化的数值模拟实验 ............................................................................ 22 3.2.1 RFPA 软件简介 ...................................................................................................... 22 3.2.2 软件基本原理 ......................................................................................................... 23 3.2.3 数值模型建立及网格划分 ..................................................................................... 25 3.2.4 数值模拟结果分析 ................................................................................................. 26 3.3 本章小结 ........................................................................................................................ 28 目录 II 4 采场覆岩冒落带实测及综合评定 ...................................................................................... 29 4.1 采场覆岩三带高度的理论分析 .................................................................................... 29 4.2 冒落带高度现场实测 .................................................................................................... 31 4.2.1 测定方法的选择 ..................................................................................................... 31 4.2.2 冒落带高度测定地点及钻孔布置 ......................................................................... 32 4.2.3 测量步骤 ................................................................................................................. 33 4.2.4 冒落带高度测试结果分析 ..................................................................................... 34 4.3 采场覆岩冒落带及裂隙带高度的综合确定 ................................................................ 36 4.4 本章小结 ........................................................................................................................ 37 5 综放面顶板走向高抽巷工程应用 ...................................................................................... 38 5.1 高抽巷抽采采空区瓦斯机理 ........................................................................................ 38 5.2 高抽巷层位对高抽巷抽采的影响 ................................................................................ 39 5.2.1 层位对高抽巷抽采流量的影响 ............................................................................. 39 5.2.2 层位对高抽巷抽采负压的影响 ............................................................................. 39 5.2.3 层位对高抽巷抽采瓦斯的影响 ............................................................................. 40 5.2.4 层位对高抽巷中 CO 量的影响 .............................................................................. 41 5.3 顶板走向高抽巷层位布置 ............................................................................................ 42 5.4 与回风巷平距的布置 .................................................................................................... 43 5.5 高抽巷抽采瓦斯效果考察 ............................................................................................ 44 5.6 本章小结 ........................................................................................................................ 48 6 结论 ...................................................................................................................................... 49 6.1 主要结论 ........................................................................................................................ 49 6.2 论文展望 ........................................................................................................................ 49 致谢 .......................................................................................................................................... 50 参考文献 .................................................................................................................................. 51 附录 .......................................................................................................................................... 57 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 能源是经济社会发展和人类生存的重要物资基础。作为一个煤炭大国，煤炭在我国 经济发展中有着举足轻重的作用。我国煤碳资源丰富、品种齐全，在未来几十年内，以 煤为主的能源结构不会改变，煤炭的能源基础地位不会改变。目前我国正处于工业化和 城镇化深入发展的阶段，对能源的需求将进一步增长。保守预测2015 年我国的煤炭消 费量将超过 40 亿吨。 煤炭业作为我国经济发展重要行业的同时， 也是我国灾害发生最为 频繁、事故伤亡最为严重的行业。其中瓦斯事故最为突出，“十一五”期间全国共发生 较大以上瓦斯事故 1083 起，死亡 4559 人，分别占事故总量的 10.5和 27.1。一次死 亡 10 人以上的重、特大瓦斯事故 87 起，死亡 1878 人，分别占 8.0和 41.2，由此可 见，瓦斯事故之所以是煤矿安全生产的第一杀手，除发生次数多以外，更重要的是单起 事故的伤亡人数多，仅特大瓦斯事故的死亡人数就占到瓦斯事故总死亡人数的 41.2[1]。 同时，煤层瓦斯作为煤在形成过程中生成并赋存于煤层及煤系地层的一种天然气[2]，是 最好的清洁能源，也是比 CO2还严重的温室气体。因此，合理治理瓦斯不仅保障煤矿的 正常生产、减少事故发生，而且利用洁净的煤层气，有利于我国能源结构的改善，降低 对环境的污染。 矿井瓦斯的大量涌出会严重影响工作面的正常生产。因此，控制瓦斯涌出变得非常 重要。治理工作面瓦斯超限，一方面是通过矿井通风方式把采空区、煤壁涌出的瓦斯排 出，另一方面就是对煤矿瓦斯进行抽放。在高瓦斯矿井，对于瓦斯的抽采就显得尤为重 要。在落实科学发展观的道路上，对于煤炭行业而言，如何在满足经济发展需要的同时 尽可能的减少灾害事故的发生，是一个急需解决的问题，而对于减少瓦斯事故发生、高 效利用瓦斯就成为了重中之重。 高抽巷抽放瓦斯因其抽采范围大、抽采瓦斯纯量高的特点，已成为瓦斯抽放的重要 手段。 在国内高瓦斯矿区， 综放工作面的瓦斯涌出主要由本煤层和邻近层瓦斯涌出构成。 要有效降低工作面的瓦斯涌出量和瓦斯浓度，必须有效抽采邻近层的卸压瓦斯[3-4]。高抽 巷瓦斯抽放方法是解决采空区邻近层瓦斯涌出的有效途径，特别是治理综采工作面瓦斯 超限的可行措施[5]。采用高抽巷抽放瓦斯可提高工作面的瓦斯抽放率，降低工作面的瓦 斯涌出量，实现工作面的高产高效[6]。高抽巷作为大佛寺煤矿抽放瓦斯的主要手段，高 抽巷能否更好的实现瓦斯抽采，高抽巷的层位布置是关键。将高抽巷布置在上位岩层垮 落而形成瓦斯运移通道的裂隙范围内，将满足合理抽采瓦斯的需要。 西安科技大学硕士学位论文 2 因此，研究覆岩裂隙演化的规律，对于高抽巷合理层位的布置以至于合理的抽采瓦 斯，从而降低瓦斯事故的发生，减少对环境的污染，以及更高效的利用瓦斯这一清洁能 源具有重要的意义。 1.2 采动覆岩裂隙演化规律及裂隙场卸压瓦斯运移规律研究现状 1.2.1 采动覆岩裂隙演化规律研究现状 国内外诸多学者对煤层开采造成的采场覆岩破坏以及引起采场矿山压力变化等方 面做了大量的研究工作[7-15]，形成了较为完善的采场围岩控制理论和技术[16]。在受采动 影响引起巷道围岩稳定性变化方面的研究也同样取得了一定的成果[17-19]。其中重要的理 论有悬臂梁理论、砌体梁理论、传递岩梁理论、薄岩板理论、关键层理论及采动覆岩裂 隙分布“区带”论等。对于采动覆岩层裂隙与离层发育相关领域的研究成果归纳总结如 下 姜福兴教授通过大量的理论分析、实验室研究和现场观测，基于“岩层质量的量变 引起老顶结构形式质变”的观点，在“砌体梁”与“传递梁”的基础之上提出老顶存在 类拱、 拱梁和梁式三种形式结构， 并建立定量化诊断老顶结构形式的岩层质量指数法[20]。 20 世纪 90 年代，钱鸣高院士提出了岩层控制的关键层理论，主要观点是由于成 岩时间及矿物成分不同，形成了厚度不等、强度不同的多层岩层，其中在采动覆岩移动 演化过程中起主要控制作用的某些坚硬岩层， 破断前作为连续梁力学结构支承上覆岩层， 破断后以砌体梁力学结构支承上覆岩层，并以砌体梁力学结构演化运动影响采场矿压、 岩层移动和地表沉陷，这类坚硬岩层称为关键层。 钱鸣高、茅献彪、缪协兴等人[21-23]建立了关键层理论的框架及判别方法，深入分析 了采动覆岩中关键层破断规律等[22]。同时针对采场覆岩中关键层的复合效应进行研究， 揭示了关键层在采动覆岩中的控制机理，并给出了覆岩关键层位置的判断方法[24]。侯忠 杰[25]研究了浅埋煤层组合关键层理论。关键层理论的提出为研究采场尤其是综放采场矿 压及其显现、岩层移动及地表沉陷、煤岩体中流体运移特征及控制打开了广阔的前景 [26-29]。 随着煤层开采，引起采场围岩体内应力与孔隙裂隙结构系统重新分布。国内外学者 对于采动覆岩体移动规律的进行了研究。国外的 Karmis M.[30]、HasenfusGJ.[31]、Bai M[32] 和 Palchik V.[33]等认为长壁开采覆岩存在三个不同的移动带。国内的刘天泉院士、钱鸣 高院士等人，根据采空区覆岩移动破坏程度及应力分布特点，提出“横三区”、“竖三带” [21-27]，即垂直方向上由下至上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，在水平方向上形成煤 壁支撑影响区、离层区和重新压实区。 1 绪论 3 近几年来研究表明，裂隙分布特征随工作面的推进而发生变化，并非是传统意义上 的“三带”特征。钱鸣高院士、许家林基于关键层理论[28]，应用模型实验、图像分析、离 散元模拟等方法，提出煤层采动后上覆岩层采动裂隙呈两阶段发展规律并形成“O”形圈 分布特征。李树刚（1998 年）教授提出采场上覆岩层中的破断裂隙和离层裂隙贯通后在 空间上的分布是一个动态变化的采动裂隙椭抛带[26-27]，分析了关键层位置与椭抛带形态 之间的关系。杨科、谢广祥[34]指出覆岩采动裂隙具有“∩“型高帽状、前低后高驼峰状、 前后基本持平驼峰状、前高后低驼峰状等特征。2004 年，石必明、俞启香、周世宁等通 过对缓倾斜煤层保护层开采远距离煤岩破裂变形的研究，得出了覆岩垮落及裂隙演化规 律[35-36]。 钱鸣高院士提出的关键层理论指出了离层的存在及其制约因素，经研究证明影响上 覆岩层离层裂隙分布的主要因素有岩层的硬度、厚度、断块长度及层序等，覆岩关键层 下的离层裂隙最为发育。离层的发生、发展及时空分布特征受关键层控制，在岩层移动 过程中主要出现在各关键层下，最大发育高度止于主关键层。对于上覆岩层采动裂隙分 布规律的研究与卸压瓦斯抽采、离层区注浆、水体下采煤等工程问题有着密切联系[38]。 刘天泉、仲惟林等人通过翻阅大量文献，分析指出断裂带内存有大量离层的因素[39]。郭 惟嘉用动态数值计算模型研究了覆岩离层规律，给出了确定离层的理想高度公式，并结 合华丰矿实际，做了最大离层随时间变化曲线[40]。杨伦，苏仲杰等人以组合板变形的力 学模型为基础指导根据覆岩的层位、厚度及物理力学性质即可定量计算离层位置的实用 公式[41]。刘泽功研究了受采动影响采场覆岩裂隙的时空演化机理。结果表明，采场覆岩 在采动过程中，岩层之间产生不一致性的连续变形，这种岩层间的不协调变形将形成岩 层移动中的各种裂隙分布[42]。 赵德深等研究了采动覆岩离层的产生、 发展与分布规律[43]， 对单个离层的产生到最大以及消失的时间过程、工作面推进距对离层发展高度的影响等 规律进行了探讨。 1.2.2 采动覆岩裂隙场卸压瓦斯运移规律研究现状 在煤层开采过程中，因采动卸压作用，处于卸压范围内的覆岩，将不同程度的变形、 破裂直至断裂，并且其煤岩渗透性大大提高，这是煤矿瓦斯抽采的重点区域。 20 世纪 60 年代开始， 我国学者逐渐意识到关于研究瓦斯流动理论的意义， 1965 年， 周世宁院士从渗流力学角度出发，将多孔介质的煤层视为一种大尺度上均匀分布的虚拟 连续介质，在我国首次提出了基于达西定律Darcy ，s law的线性瓦斯流动理论[44]，对我 国瓦斯流动理论的研究具有极为深刻的影响。鲜学福院士、余楚新在假设煤体瓦斯吸附 与解吸过程完全可逆的条件下， 建立了煤层瓦斯流动理论以及渗流控制方程[45]。 章梦涛、 西安科技大学硕士学位论文 4 梁冰等人根据固流耦合作用的基本理论，提出了煤和瓦期耦合作用的数学模型，给出了 用有限元求其数值解的方法及程序[46-48]。蒋曙光将釆场瓦斯和空气的混合气体视为在煤 体这种多孔介质中的流动，并建立了渗流场的数学模型，利用浮加权多单元均衡法对气 体流动的模型进行了解算[49]，丁广骧利用非线性渗流定律，建立了平面的采空区非线性 渗流流函数的微分方程[50]，梁栋等人通过示踪分析的方法对半封闭采空区内瓦斯运移进 行了现场试验研究，对采空区内任一点的瓦斯流线位置做出了估测[51-52]。李宗翔、孙广 义等人运用有限元数值模拟的方法得出了采空区的风流移动规律，并将采空区内的垮落 区看成是非均质变渗透系数的親合流场[53-54]。梁运培对邻近层卸压瓦斯越流规律进行了 研究，建立了邻近层卸压瓦斯越流的动力学模型，通过对模型的求解，分析了邻近层卸 压瓦期越流规律[55-56]。孙培德孙培德基于前人的研究成果，修正和完善了均质煤层的瓦 斯流动数学模型，应用瓦斯越流的固气耦合理论于上保护层保护范围的固气耦合分析， 通过实验研究，获得了比较实际的数值模拟结果[57-61]。张国枢将瓦斯在采空区冒落带中 的运移规律视为瓦斯在多孔介质中的动力弥散过程，通过理论分析及数值分析的方法建 立了给定条件下采空区渗流分析模型，得到了采空区渗流场与瓦斯浓度分布特征[62]。程 远平，俞启香等人[63]研究了上覆远程卸压岩体移动和裂隙分布以及远程卸压瓦斯的渗流 流动特性，提出了符合远程卸压瓦斯流动特性的远程瓦斯抽采方法。李树刚在采场卸压 瓦斯运移规律明显受矿山压力影响的认识基础之上[64-66]，将煤岩体看作可变形介质，根 据现场观测，研究了综放开采在矿山压力下，考虑煤岩体变形对瓦斯运移的影响规律。 并进行了全应力应变过程的软煤样渗透特性试验， 得出煤样渗透性与主应力差、 轴应变、 体积应变关系曲线，拟合出相应方程，首次提出煤样渗透系数体积应变方程应作为耦 合分析中主要的控制方程[67,68]。 钱鸣高院士、许家林等人[69,70]基于关键层理论，提出煤层采动后上覆岩层采动裂隙 呈“O”形圈分布特征，将其用于指导淮北桃园矿、芦岭矿卸压瓦斯抽放钻孔布置，并研 究了关键层破断对邻近煤层瓦斯涌出的影响。袁亮、刘泽功等人基于煤层采动后上覆岩 层所形成的“O”形圈分布特征，探讨了采空区顶板瓦斯抽放巷道的布置原则，分析了实 施顶板抽放瓦斯技术前后采空区等处瓦斯流场的分布特征，并在淮南矿区实践了留巷钻 孔法等煤与瓦斯共采技术[71,72]。林柏泉等人[73]通过单元法实验，初步研究了开采过程中 卸压瓦斯储集与采场围岩裂隙的动态演化过程之间的关系，分析了采空区瓦斯在裂隙中 的运移规律。李树刚基于采动裂隙椭抛带的认识，运用环境流体力学和气体输运原理， 对瓦斯在裂隙带升浮的控制微分方程组计算，得出瓦斯沿流程上升与源点之间的距离关 系，进而阐述了卸压瓦斯在椭抛带中的升浮扩散运移理论，并提出采动裂隙椭抛带抽 采卸压瓦斯的方法 [74,75]。赵阳升等[76]建立了块裂介质岩体变形与气体渗流的非线性耦 1 绪论 5 合数学模型， 把岩体固体看成由含孔隙与裂隙的双重介质的基质岩块和岩体裂缝所组成， 基质岩块简化为拟连续介质模型，裂缝简化为裂缝介质模型，模拟结果说明了裂缝在瓦 斯抽放过程中具有重要作用。C.. Karacan 等[77,78]基于动态演化三维裂隙带模型，通过 数值模拟分析了地面钻孔的布置参数。 1.2.3 存在的问题 由国内外研究现状可以看出，近年来，我国在采动覆岩层裂隙演化规律及采动覆岩 裂隙场卸压瓦斯运移规律研究方面，取得了诸多重要成果，对矿井瓦斯抽采利用及安全 生产起到了积极的作用，但由于大佛寺煤矿高抽巷问题本身的复杂性，仍有许多问题尚 需进一步完善。 （1）在以往的研究中，针对高抽巷的研究未系统地将采动覆岩裂隙演化规律与采 动覆岩裂隙场卸压瓦斯运移规律、