承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律的试验研究 - 图文-.doc

万方数据 第28卷第2期冯梅梅,等.承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律的试验研究・337.含水层上部,底板隔水层厚度仅为30--一100m,受 底板突水威胁较为严重。长期以来,国内众多学 者【6￣20L一直致力于底板突水机制这方面的研究工 作。目前,开采受底板奥灰承压水威胁的煤层,主 要采用2种方法一是疏降强排,二是带压开采。 带压开采具有成本低、对环境危害小、可实现对水 资源的保护等优点,但由此带来的底板突水危险性 也随之加大。 由于底板突水过程的隐蔽性和复杂性,人们很难深入细致了解底板突水的破坏过程及特征。采用物理模拟试验,对带压开采底板突水过程进行研究,以探讨底板隔水层裂隙生长、发育、贯通,并最终形成导水通道的动态过程,揭示底板突水的力学机制,为承压水上安全开采方案设计及突水事故的预测提供参考。 2模拟试验系统设计 试验采用自行设计的底板突水危险性物理模拟试验系统。试验设备主要包括1130cmx12crux 140cm长宽高的二维模拟试验台;2自制承压水模拟加载系统见图1,包括加压槽、水袋、水箱、液压泵及水压控制调节装置等;3数据采集系统。 图i承压水加载系统 Fig.1Loading system ofconfined aquifer 如图2所示,将加压槽固定于二维试验台上,并将水袋置于加压槽内,水袋上面均匀铺设一层宽1.5cm的钢片以保证水压力的传递,钢片上方铺设模型,并将位移传感器和压力盒分别埋设在底板隔水层上部的第1,2层,引线与数据采集系统相连,以检测底板位移和应力变化见图3;覆岩载荷通过千斤顶施加在模型项部,并通过测试系统实时监测,以保证近似恒压q0.05MPa。将试验模 图2试验模型及测试系统 Fig.2Test model and testing instrument g 水压水压力尸0.03MPa 图3测点布置简图 Fig.3Layout of measuring points 型、承压水加载系统、覆岩加载系统及数据采集系统相连,并确定无误,给水袋注水加压,使承压水的水压力保持P0.03MPa不变。这样,其边界条件为试验模型上部是均布载荷g作用,两侧及底部为固定端约束。 3试验方案及步骤 试验旨在分析承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律及导水通道的形成机制,以常见的软、硬岩层组成的底板隔水层为例【211,试验岩性材料主要力学性能参数见表1。试验中,取几何相似比G1200,容重相似比el1.6,则应力相似比CGGl 。 设 置 相 似 模 型 的 尺 寸 为 o 320130 emx12cmx60cm这里模拟的采场埋深为600m,煤层厚度为3m煤层下面为30m的隔水层,由2层软岩层和3层硬岩层复合而成,每层岩层的厚度分别为6m隔水层F方是灰岩含水层。模型制作好后须养护4“--5d方可达到试验强度要求,准备工作就绪后,即可进入模拟开采阶段。开切眼位于模型右侧距离模型边界30em。共设10个开挖步,前4步每次开挖10cm,隔30min开挖一次;后6步每次开挖5cm,每隔60rain开挖一次,模型中每开挖5cm相当于工作面推进10 m。 万方数据 ・338・岩石力学与工程学报 2009盆 表l试验岩层材料配比及物理力学性能参数 Table l Material ratios of test strata and physico-mechanical parameters 注模拟材料配比号是指砂子、CaC03和石膏之间的比例,具体见有关研究结果122J。 4试验结果及分析 4.1煤层底板变形及破坏特征 图4,5分别为底板隔水层的垂直位移和垂直应力分布。从图4可以看出,工作面开采初期底板最大垂直位移v较小,随着工作面的推进,逐渐增 量 羞 怒 萋 蓬 图4底板隔水层最大垂直位移变化曲线 Fig.4Curves ofvariation ofmaximum vertical displacement ofaquifuge in floor 垂 菩 韫 遄 蓬 蓬 图5底板隔水层垂直应力变化曲线 Fig.5Curves ofvariation ofvertical stress ofaquifuge in floor 大,而底臌的最大点向前推移,当工作面推进到80m时,v增加到356mm,此时,底板隔水层上部底臌程度加剧;当工作面推进100m时,v急剧增大到1100mm,此时底板隔水层失稳破坏。 由图5可知,工作面推进过程中,采空区前方底板隔水层是不断压一拉一压一拉向前交替变化的过程,随着采窄区范围的不断增大,原来工作喵前方的峰值区不断被卸压,采空区底板上部中间附近在拉应力作用下局部破坏,但下部则在压应力作用下仍然保持完整。而采空区底板两端隔水层上部由于压剪作用产生采动裂隙;下部则在含水层承压水作用下,由于拉剪作用而产生递进导升裂隙。随着新的应力峰值区不断增大,采空区底板隔水层两侧的裂隙发育范围不断增大。 4.2煤层底板导水通道形成过程 图610反映,煤层底板导水通道的形成过程。当工作面推进40m时,采空区底板开始出现底臌且有微裂隙产生见图6;当工作面推进到60m 时,底臌现象更加明显,采空区底板中部裂隙向深部扩展见图7。当工作面推进到80m时,底臌此时加剧,采空区底板中部裂隙宽度增大,并延伸到10m,而开切眼底板弱面裂隙已经延伸到15m处,并且部分岩层内裂隙开始贯通,煤壁附近出现弱面裂隙见图8。当工作面继续向前推进到90m时见图9,底板开切眼处采窄区底板及煤壁附近底板岩层之间裂隙开始部分贯通,裂隙较发育,达到了20m,且隔水层底部出现了导升裂隙,但底板隔水层还没有完全失稳,裂隙没有完全贯通,没有形成导水通道,仍具有一定的阻隔水特性。 枷 咖 啪 啪 栅 抛。 伽 万方数据 第28卷第2期715梅梅,等.承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律的试验研究・339・ c开切眼附近 图6采场推进40m时底板隔水层裂隙分布 Fig.6Cracks distribution ofaquifuge in floor when working face advancing to40m 图7采场推进60m时底板隔水层裂隙分布 Fig.7 Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing to60m a煤壁附近 图8采场推进80m时底板隔水层裂隙分布 Fig.8Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing tO80m 图9采场推进90m时底板隔水层裂隙分布 Fig.9Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing tO90 m 万方数据 ・340・ 岩石力学与工程学报2009焦 当工作面推进到100m时,底臌急剧增大,底板采动裂隙带与导升裂隙带相互贯通,底板隔水层失稳,形成导水通道,引发底板突水,如图10所示。 图lO采场推进100m时底板隔水层裂隙分布 Fig.10Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing to100m 由此可见,随着工作面的推进,采空区范围的加大,采空区底板隔水层上部被卸压,其两端上部处于支承压力区内,主要受到压剪作用而产生采动裂隙带;采空区底板隔水层下部则在含水层承压水作用下,其两端丰要受到拉剪作用而产生递进导升裂隙带,最终两带相连,形成导水通道,引发突水。5结论 1自主设计了煤层底板承压水水压加载系统,实现了采用压力水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟。 2实验结果表明,采空区底板两端容易形成导水通道。事实上,随着工作面的推进,采空区范围的加大,采空区底板隔水层上部被卸压,其两端上部处于支承压力区内,主要受到堰剪作用而产生采动裂隙带;采空区底板隔水层下部则在含水层承压水作用下,其两端主要受到拉剪作用而产生递进导升裂隙带,最终两带相连,形成导水通道,引发突水。 3采场底板突水过程实质上是采动矿压和承压水水压共同作用下底板隔水层裂隙生长、发育、扩展和贯通,并最终形成导水通道的动态过程。 参考文献References 【l】钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术川.中国矿业大学学报,2003,324343347.QIAN Minggao,XU Jialin,MIAO Xiexing.Green technique in coal mining[.1].Journal of China University of Mining and Technology,2003,324343347.in Chinese 【2】钱鸣高,缪协兴,许家林.资源与环境协调绿色开采及其技术体系闭.采矿与安全工程学报,2006,23115.QIAN Minggao, MIAO Xiexing,XU Jialin.Rcsonrceand environment tmrmonics greenmining and its technological system叨.Journal ofMining and Safety Engineering,2006,231;l一5.in Chinese 【3】钱鸣高。缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论【M1.徐州; 中国矿业大学出版社,2003.QIAN Minggao,MIAO Xiexing, XU Jialill,et a1.Theory of key stratum in ground control[M]. 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Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，１９９６，２５（１） ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｄｅｘｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ３３３６．（ｉｎ Ｍｉｎｉｎｇ 【１７】 ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，２８（５）；４４２４４６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 【９】 杨普安．采场底板断层突水及其防治方法川．煤炭学报，１９９４， １９（６）６２０６２５．（ＹＡＮＧ Ｓｈａｈ’ａＩＬ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ－ 胡耀青，赵阳升，杨栋，等．承压水上采煤突水的区域监控理 论与方法明．煤炭学报，２０００，２５（３）２５２２５５．（ｎＵ ＺＨＡＯ ｍｅｔｈｏｄ Ｙａｏｑｉｎｇ， ａｎｄ ｉｎｒｕｓｈ ｆｒｏｍ ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ｆｌｏｏｒ ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｏａｌ ｗｏｒｋｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｙａｎｇｓｈｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｄｕｎｇ，ｅｔ ｏｆ ａ１．Ｒｅｇｉｏｎａｌ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅｏｒｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９４，１９（６）６２０６２５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ｗａｔｅｒ－ｉｎｒｕｓｈ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ＯＶｅｌ＂ｃｏｎｆｉｎｅｄ ａｑｎｉｆｅｒ［Ｊ］． ［１０１ 靳德武，王延福，马培智．煤层底板突水的动力学分析【刀．西安矿 业学院学报，１９９７，１７（４）３５４３５６．（ＪＩＮ Ｄｅｗｕ，ＷＡＮＧ ＭＡ Ｐｅｉｚｈｉ．Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｙａｎｆ＝ＩＩ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０００・２５（３）２５２２５５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 【ｌ ８】 张红日，张文泉，温兴林．矿井底板突水过程中岩溶承压水的作 用阴．中国地质灾害与防治学报，１９９９，ｌＯ（１）８８９５．（ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇｒｉ，ＺＦＩＡＮＧ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ－ｉｎｒｕｓｈ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏａｌ ｂｏｔｔｏｍ ｌａｙｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ）（ｉ铀Ｍｉｎｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９７，１ ７（４）；３５４～３５６． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） Ｗｅｎｑｕａｎ，ＷＥＮ Ｘｉｎｇｌｉｎ．Ｐｌ＿ｏ∞嚣ｏｆ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｋａｒｓｔ ｗａｔｅｒ ａｃｔｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｌｌ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｉｎｒｕｓｈ ｍｉｌｌ＠ｆｌｏｏｒ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ 【Ｉ １】 王连国，宋 杨．煤层底板突水突变模型明．工程地质学报， Ｌｉａｎｇｕｏ，ＳＯＮＧ Ｙａｎｇ．Ａ ｃａｔａｓ廿ｏｐｈｉｃ ｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｈａｚａｒｄ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９９９，ｌＯ（１）８８９５．（ｉｎ ２０００，８（２）１６０１６３．（ＷＡＮＧ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ－ｉｎｒｕｓｈ ｆｒｏｍ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 【１９】 李白英．预防矿井底板突水的“－Ｆ＝带”理论及其发展与应用忉． 山东矿业学院学报，１９９９，１８（４）１１１８．（ＬＩＢａｉｙｉｎｇ．“Ｄｏｗｎｔｈｒｅｅ ｚｏｎｅｓ”ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｆｌｏｏｒ［ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ，２０００，８（２）１６０１６３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 【１２】 白晨光，黎良杰。于学馥．承压水底板关键层失稳的尖点突变模 型田．煤炭学报，１９９７，２２（２）１５１１５４．（ＢＡＩ Ｌｉａｎｇｊｉｅ，ＹＵ ｓｔｒａｔｕｍ ｆｌｏｏｒ ＸｕｅｆｌＬ Ｃｕｓｐ ｗｉｔｈ Ｃｈｅｎｇｕａｎｇ，ＬＩ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｉｎｒｕｓｈ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ ｂｅｄ ｆｌｏｏｒ ａｑｕｉｆｅｒ ｔｈｅｏｒｙ・ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＳｈａｎｄｏｎｇ ＭｉｎｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９９，１８（４）１１１８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［２０】 高延法，李白英．受奥灰承压水威胁煤层底板变形破坏规律研 究【Ｊ】．煤炭学报，１９９２，１７（２）３３３８．（ＧＡＯ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｎ ｃａ纽ｓｎ．ｏ曲ｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｋｅｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ ｗａｔｅｒ－ｉｒｕ＇ｕｓｈ［ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） Ｓｏｃｉｅｔｙ・ １９９７，２２（２）１５１１５４．（ｉｎ Ｙａｎｆａ，ＬＩ Ｂａｉｙｉｎｇ． １１３１ 王作宇，刘鸿泉，王培彝，等．承压水上采煤学科理论与实践明． 煤炭学报，１９９４，１９（１）；４０４６．（ＷＡＮＧ ＷＡＮＧ Ｚｕｏｙｕ，ＬＩＵ Ｈｏｎｇｑｕａｎ， ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｆｌｏｏｒ ｒｏｃｋ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｒｉｓｋ Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｐｅｉｙｉ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ ｏｉｌ １９９２，１７（２）３３３８．（ｉｎ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ａｑｕｉｆｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９４，１９（１） 【２１】 张金才，张玉卓，刘天泉．岩体渗流与煤层底板突水【Ｍ】．北京 地质出版社ｒ １９９７．（ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｃａｉ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｚｈｕｏ，ＬＩＵ Ｔｉａｎｑｕａｎ． ４０４６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） （１４】 王作宇，刘鸿泉，葛亮淘．采场底板岩体移动ｍ．煤炭学报，１９８９， Ｒｏｃｋ ｓｅｅｐａｇｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ－ｉｎｒｕｓｈ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ ｓｅ蚴ｆｌｏｏｒ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ １４（３）６２７０．（ＷＡＮＧ Ｚｕｏｙｕ，ＬＩＵ Ｈｏｎｇｑｕａｎ，ＧＥ Ｌｉａｎｇｔａｏ．Ｆｌｏｏｒ ｒｏｃｋ ｎⅦｌｓｓ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ，１９９７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ｍｏｖｅｍｅｉｌｔ ｉｎ ｗｏｒｋｊｎｇｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， 【２２】 顾大钊．相似材料和相似模型嗍．徐州中国矿业大学出版社。 １９９５．（Ｇｕ Ｄａｚｈａｎ．Ｓｉｍｉｌａｒ ｍａｔｅｒｉａｌ １９８９，１４（３）６２～７０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 【１５】 靳德武，陈健鹏，王延福，等．煤层底板突水预报人工神经网络 ａｎｄ ｓｉｍｉｌａｒ ｍｏｄｅｌ［Ｍ］．Ｘｕｚｈｏｕ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎ崦ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｅｓｓ，１９９５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）） 万 方数据 承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律的试验研究 作者 作者单位 冯梅梅， 茅献彪， 白海波， 王鹏， FENG Mei-mei， MAO Xian-biao， BAI Hai-bo， WANG Peng 冯梅梅,茅献彪,FENG Mei-mei,MAO Xian-biao中国矿业大学,理学院,江苏,徐州,221008;中 国矿业大学,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏,徐州,221008， 白海波,BAI Hai-bo中国矿业大学,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏,徐州,221008， 王 鹏,WANG Peng中国矿业大学,理学院,江苏,徐州,221008 岩石力学与工程学报 CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 2009,282 3次 刊名 英文刊名 年，卷期 被引用次数 参考文献22条 1.钱鸣高;缪协兴;许家林 岩层控制的关键层理论 2003 2.钱鸣高;缪协兴;许家林 资源与环境协调绿色开采及其技术体系[期刊论文]-采矿与安全工程学报 200601 3.钱鸣高;许家林;缪协兴 煤矿绿色开采技术[期刊论文]-中国矿业大学学报 200304 4.杨善安 采场底板断层突水及其防治方法 199406 5.黎良杰;钱鸣高;殷有泉 采场底板突水相似材料模拟研究[期刊论文]-煤田地质与勘探 199601 6.黎良杰;钱鸣高;李树刚 断层突水机制分析 199602 7.冯梅梅 带压开采煤层底板阻隔水性能的力学分析及应用研究 2007 8.缪协兴;刘卫群;陈占清 采动岩体渗流理论 2004 9.顾大钊 相似材料和相似模型 1995 10.张金才;张玉卓;刘天泉 岩体渗流与煤层底板突水 1997 11.高延法;李白英 受奥灰承压水威胁煤层底板变形破坏规律研究 199202 12.李白英 预防矿井底板突水的“下三带“理论及其发展与应用 199904 13.张红日;张文泉;温兴林 矿井底板突水过程中岩溶承压水的作用[期刊论文]-中国地质灾害与防治学报 199901 14.胡耀青;赵阳升;杨栋 承压水上采煤突水的区域监控理论与方法[期刊论文]-煤炭学报 200003 15.施龙青;韩进;宋杨 用突水概率指数法预测采场底板突水[期刊论文]-中国矿业大学学报 199905 16.靳德武;陈健鹏;王延福 煤层底板突水预报人工神经网络系统的研究[期刊论文]-西安科技学院学报 200003 17.王作宇;刘鸿泉;葛亮淘 采场底板岩体移动 198903 18.王作宇;刘鸿泉;王培彝 承压水上采煤学科理论与实践 199401 19.白晨光;黎良杰;于学馥 承压水底板关键层失稳的尖点突变模型 199702 20.王连国;宋杨 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