急倾斜煤层开采覆岩变形分析及其应用.pdf

第34卷第3期煤 炭 学 报Vol . 34 No. 3 2009年3月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYMar . 2009 文章编号 0253 - 9993 2009 03 - 0320 - 05 急倾斜煤层开采覆岩变形分析及其应用 马亚杰 1, 2 ,武 强 1 ,洪益清 1, 3 ,郭立稳 2 ,田洪胜 2 ,张丽阁 2 1 1中国矿业大学北京水害防治与水资源研究所,北京 100083; 21河北理工大学 资源与环境工程学院,河北 唐山 063009; 31开滦 集团有限责任公司,河北 唐山 063000 摘 要分析了碎屑结构煤系地层岩体变形破坏的岩体力学特征及断裂带导水机理,认为岩体体 积扩容是工作面顶板破坏内导水性增强、形成导水断裂带的根本原因.应用FLAC 3D模拟分析了 连续介质、大变形条件下急倾斜特厚煤层开采引起的覆岩体积应变分区特征,分为连续介质条件 下的内部塑性破坏-压缩区、扩容区及外部弹性压缩区.依据垮落带形成过程中的体积变化特 征,将连续介质条件下获得的内部塑性破坏-压缩区划为垮落带;扩容区划为断裂带;以分隔扩 容区与外部弹性压缩区的体积应变0等值线最大高度确定防水煤柱高度.此方法应用于开滦赵各 庄2137急倾斜特厚煤层开采工作面,确定上部防水煤柱高度为6318 m. 关键词急倾斜煤层;垮落带;导水断裂带;防水煤柱高度;体积应变 中图分类号TD8231213 文献标识码 A 收稿日期 2008-04-15 责任编辑常 琛 作者简介马亚杰1975 , 女,山西中阳人,副教授.E - mail mayajieheut1edu1cn Deation analysis of covering rock masses asm in ing steep2inclined coal seam and its application MA Ya2jie 1, 2 , WU Qiang 1 , HONG Yi2qing 1, 3 , GUO Li2wen 2 ,TIAN Hong2sheng 2 ,ZHANG Li2ge 2 11Institute of M ineW aterDisaster Preventing and Controlling 21School of Resources and Environment Engineering, Hebei Polytechnic University,Tangshan 063009, China;31Kailuan Group Co . , Ltd. , Tangshan 063000, China Abstract Mechanics characteristics of covering rock masseswas analyzed, which as coalmeasures strata and with fragment texture, and the water conduction mechanis m of the fractured zone.Itwas shown that the volumetric dila2 tion was really in charge of fractured zone trans missibility increase and water2flowing fractured zone ation in workface roof . On the assumption of continuum, the volumetric strain characteristics of rock masses covering on the steep2inclined coal seam were analyzed under the condition of large deation with the FLAC 3D software.Three zoneswere divided including internal plastic2failure2compression zone under the condition of continuum, dilation zone and external elastic compression zone. According to the volume change characteristics of caving zone in its for ming process, the internal plastic compression zone was regard as caving zone. Dilation zone was the fractured zone.The maxi mum height of the contourof zero volumetric strain, which separating dilation zone from the external elastic compression zone, was regard as the height of coal column forwater2proofing . W ith this, the height ofwaterproofing coal column in 2137 workface in Kailuan Zhaogezhuang CoalMine was determined as 6318 m. Key wordssteep2inclined coal seam; caving zone; water flowing fractured zone; height of water2proofing coal column; volumetric strain 覆岩变形规律研究,是确定导水断裂带高度,科学设计工作面上方防水煤岩柱尺寸的基础 [1 - 4 ]. 第3期马亚杰等急倾斜煤层开采覆岩变形分析及其应用 以全部陷落法管理顶板时,覆岩变形破坏实质上是垮落岩体向采空区垮落、碎胀,断裂带岩体发生弯曲下 沉,最终将采空区填满的过程.受煤层赋存倾角的影响,急倾斜区覆岩垮落、移动规律不同于缓倾斜-倾 斜区,垮落带、导水断裂带高度的发育规律也具有较大差别 [5 - 7]. 目前,对于急倾斜区覆岩变形规律的研 究认识相对较少,进一步深入研究对于急倾斜复杂地质条件下矿区防治水工作具有重要意义. 1 急倾斜煤层开采覆岩移动规律 在开采急倾斜煤层时 55 ～90 , 垮落岩块沿采区底板向下滚动或滑移,首先将倾斜下方的采空区 填满,使其顶板不能继续垮落;而上方则产生较大空间,使上覆岩体甚至上方边界煤柱及底板直立采 区继续垮落.故垮落带形状在剖面上呈上大下小的不完整鸭蛋形小于90急倾斜区或倒鸭蛋形直 立采区 . 垮落带、导水断裂带最大高度即为垮落带、导水断裂带最高点与开采上界上风道之间在垂 直方向上的距离,是确定工作面上方防水煤岩柱尺寸的重要参数,是覆岩变形研究的重要内容. 一般情况下充分采动条件下 , 在采空区走向方向上,垮落带、导水断裂带为明显的 “ 马鞍型 ”形 态,其最大高度出现于切眼及停采线附近.经验观测表明垮落带、导水断裂带最大高度随煤层采厚、回 采阶段垂高增加而增加,其发育规律还受地质条件、开采技术方法等多方面因素影响. 2 煤层开采覆岩体积变形分带特征 覆岩破坏一般过程的研究表明煤层开采后,采空区附近围岩应力释放,产生高应力差;当采空区扩 大到一定程度,顶板岩体破坏,开始由下而上的垮落,垮落岩体杂乱堆积,产生碎胀,直至垮落岩块支撑 上覆岩体时,垮落停止,此时,垮落岩体碎胀系数为114～116;垮落停止后,垮落带以上的岩层向下移 动,当其移动量足以使岩层破裂时,产生一系列垂直于层面的断开裂隙及层与层之间的离层裂隙,裂隙纵 横交错,形成彼此贯通的导水断裂带;此时,垮落岩体被逐渐压密,导水断裂带发育稳定后,垮落岩体碎 胀系数减小至111～113 [6 - 7 ]. 图1 理想化的三轴试验得出的剪胀角ψ关系 Vermeer和de Borst 1984 [9] Fig11 Idealized relation for dilation angle,ψ, from triaxial test results Vermeer and de Borst 1984 [9] 依据岩石力学理论,具有碎屑结构的煤系地层岩 体,其破坏变形以裂纹为主导.变形破坏过程分为4 个阶段裂纹压密阶段、岩石线性变形阶段、裂纹稳 定扩展的非线性变形阶段与裂纹加速扩展至破裂阶 段 [8 ]. 当岩石发生裂纹稳定扩展的非线性变形时,岩 石的体积应变增量由压缩转为膨胀,称为扩容.扩容 是岩石破坏的先兆,此时,岩石达到其屈服极限,与 固体力学中材料屈服的概念不同,如图1所示 [9 ] ,图 中σ1,σ2,σ3分别为三轴条件下的最大、中间及最小 主应力;εl为轴向应变;φ为岩石内摩擦角;c为内聚 力;E为弹性模量;ν为泊松比;ψ为剪胀角.由此可 见,作为破坏性变形带垮落带、导水断裂带具有体积 扩张的特点. 另一方面,垮落带、断裂带导水的根本原因在于顶板岩体中裂隙的形成、裂隙体积扩张,从而形成水 流渗透通道.岩体中裂隙的扩张,其总体必然表现为岩体的扩容.由此可见,岩体的扩容是垮落带、导水 断裂带的必然表现.垮落带、导水断裂带为体积扩容区. 在整体变形带内,岩体裂隙闭合或产生弹性压缩,为体积压缩变形带. 3 急倾斜煤层开采覆岩变形模拟分析 快速拉格郎日分析FastLagrangian Analysis of Continua作为一种新型的数值分析方法,近年来发展 123 煤 炭 学 报 2009年第34卷 图2 开滦赵各庄矿2137工作面覆岩体积 应变分区切眼处,倾角73 Fig12 Roof rock masses volumetric strain zoning plot in 2137 workface in Kailuan Zhaogezhuang CoalMine at cut2open position, seam dip angle is 73 迅速,应用于矿井地质领域及导水断裂带高度的预测,取得 了满意的结果 [10 - 13 ]. 利用FLAC 3D对急倾斜特厚煤层开采进 行大变形模拟分析,围岩视为连续介质,其体积应变等值线 如图2所示.模拟显示,在开采影响下,由采空区向外,连 续介质条件下围岩变形可分为体积应变减小的内部压缩区 内部白色区、体积应变增加的中间扩容区中间暗色 区、体积应变减小的外部压缩区外部白色区 . 扩容区 与外部压缩之间的界线为体积应变0等值线,倾向剖面上呈 “ 似鸭蛋形 ”,与导水断裂带形态相似. 在连续介质条件下,模拟得到由采空区向外围岩变形分 带的原因①靠近采空区,围岩应力释放,形成高应力差, 当应力差超过岩体极限强度时,岩体首先破坏.在假定的连 续介质条件下,破坏岩体表现为向采空区位移、相互挤压成 为压缩区,称为内部塑性破坏-压缩区.而实际情况下,围 岩并非连续介质,岩体破坏并向采空区大位移,为垮落带的表现.因此,内部塑性破坏压缩区可代表顶板 垮落带范围.②在围岩应力释放作用下,形成的应力差介于屈服极限与极限强度之间时,岩体中裂隙稳 定扩展,岩体扩容,产生中间塑性-扩容区为断裂带.扩容至一定程度,岩体导水性增强,形成导水断裂 带.导水断裂带位于塑性-扩容区内.③采空区周围围岩应力释放,势必造成其外部围岩应力的集中, 应力差不大时,集中应力作用下岩体中裂隙闭合或弹性压缩,形成外部弹性-压缩区.在围岩变形破坏过 程中,该区岩体保持平衡的稳定结构,为整体移动带. 依据急倾斜煤层覆岩体积变形分带特征,可将内部塑性破坏-压缩区划为垮落带,中间塑性-扩容区 划为断裂带,外部压缩区划为整体移动带.其中,断裂带包括导水断裂带与微断裂带,导水断裂带界线位 于扩容区内.将断裂带外边界,即分隔中间扩容区与外部压缩区的体积应变0等值线,视为导水断裂带界 线偏于保守,适于将其最大高度视为工作面上方防水煤柱高度. 4 实例应用 开滦赵各庄矿2137工作面位于西冀急倾斜区,地层倾角73;开采12号煤层,平均厚度1112 m;工 图3 2137工作面模型网格划分 Fig13 2137 workface model grid plot 作面走向长度365 m,倾向长度平均为3114 m,采深1 100 m; 伪倾斜掩护支架开采,一次采全厚.该工作面上方为1237 西 下工作面,于2002年回采结束,回采过程中最大涌水量为 116 m 3 /min,采空区内有积水.为防止上工作面采空区水突入, 在2137 西下工作面回风道至1237老半道间留设60 m垂高防 水煤柱,于2007年实现安全回采.应用FLAC 3D软件对该工作 面进行模拟分析.模型长走向、 宽倾向、 高分别为150, 150和200 m.模型网格密度为2 m5 m5 m,共划分为34 950个六面体单元,生成网格节点38 285个,如图3所示.依 照地层柱状图共划分11层顶板.以岩层层面为主要结构面,设 置15个节理面. 依据体积应变模拟结果,划定其覆岩变形分带如图4所示.垮落带最大高度为1014 m,顶板断裂带 最大高度为6318 m,将断裂带最大高度视为防水煤柱高度,该工作面上方应设置6318 m防水煤岩 柱.依据开滦矿区现行经验公式估计,导水断裂带高度为75168 m,防水煤岩柱高度应大于75168 m. 该工作面已在60 m防水煤岩柱保护下实现安全回采.可见,与经验公式相比,采用该数值模拟方法 223 第3期马亚杰等急倾斜煤层开采覆岩变形分析及其应用 图4 2137工作面覆岩变形分带 Fig14 Roof rock mass deation zoning plot in 2137 workface 确定的防水煤柱高度更为经济合理. 5 结 论 碎屑结构岩体破坏的岩体力学特征及顶板 断裂带导水机理的分析表明,依据覆岩体积变 形分带特征划分垮落带、断裂带及整体移动带 具有合理性.应用计算机数值模拟方法,分析 覆岩体积变形分带,以扩容区外边界最大高度 为防水煤柱留设高度,具有一定的参考意义. 在扩容区内,合理划分导水断裂带与微断裂带 有待进一步的研究,需要广泛开展煤系地层岩 体剪胀特性及破坏过程中渗透特性的实验研究 [14 - 15 ]. 参考文献 [1] 王双美.导水断裂带高度研究方法概述[J ].江苏地质, 2006, 30 1 64 - 66. 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