神东矿区浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征.doc

第40卷 第1期 2011年1月 中国矿业大学学报 Vol.40 No.1 Journal of China University of Mining overburden movement; distribution of mining-induced fractures; key strata; simulation analysis 神东矿区地处中国内蒙古南部和陕西省北部，动影响而降低的水位仍可恢复；文献[4]通过物理模其探明储量达2236亿t，约占全国的1/4，属世界拟分析了坚硬岩层在水平面上垮落特征，并用于指八大煤田之一，2005年以来年总产量均超过1亿t，导放顶煤开采的可行性；文献[5-7]则对比分析了地为中国最大的现代化矿区。煤层埋藏浅（大部分在表深陷和采动裂隙对土壤质量和植物生长的影响。100 m以浅）、上覆基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层但上述文献对采动裂隙在覆岩中动态分布特征都且层下蕴藏着的宝贵的潜水，是神东矿区煤层赋存没有论证。虽然在浅埋煤层的矿压控制方面有不少条件的突出特点[1]。大规模长壁开采浅埋煤层，导研究成果[8,9]，但对浅埋煤层采动裂隙的时空演变致井下开采活动对地表的影响更为敏感和强烈，采规律还没有系统性的阐述，而岩层控制关键层理论 [10]为这一问题的研究提供了新的指导，认为，关键动裂隙可直接沟通地表，易引起煤层自燃、地下水 层运动对离层产生、发展的时空分布起控制作用，流失与地表植物死亡等安全与环境灾害。而掌握覆 覆岩离层一般出现在关键层下。 岩中采动裂隙扩展与分布特征，则是有效解决上述 为此，本文采用物理模拟和数值模拟两种方难题的重要基础。文献[2-3]已通过实测证实了采动 法，以神东矿区典型的煤层赋存条件为主要研究对裂隙对上覆含水层的不利影响, 并认为只要覆岩 象，选取大柳塔矿12305工作面、上湾煤矿的51201中存在合适的岩层组, 采后一定时间，含水层受采 收稿日期2010-01-11 基金资助新世纪优秀人才支持计划项目NCET-05-0480；国家自然科学基金项目（50904063）；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题 项目（SKLCRSM08X2） 作者简介范钢伟1985-，男，汉族，河南省汝州市人，博士研究生，从事矿山压力与岩层控制等方面的研究。 E- Tel13655203693 工作面和补连塔32201工作面为模拟原型，分析了浅埋煤层长壁开采覆岩采动裂隙在水平面方向、垂直面工作面走向及倾向的动态演变特征，可为保水开采方案的选择、防灭火技术的应用、抽放瓦斯的钻孔布置及地表植物的选择提供可靠依据。 表3 神东矿区典型柱状Ⅲ（补连塔矿32201工作面） Table 3 Typical stratigraphic column of Type Ⅲ 层厚弹性模量 内摩擦角抗压强度 岩性 （m）（GPa） （） （MPa）风积沙松散层风化砂岩 粉砂质泥岩 中粒砂岩 粉砂岩 粉砂质泥岩 中细砂岩 粉砂质泥岩 2煤层 粉砂质泥岩 -2 46.069.089.099.0105.0115.0121.0126.5131.5 5 18 32 15 44 36 38 20 32 25 18 32 15 42 36 37 18 32 15 13.5 38 15 18 32 15 6.0 10 1 矿区典型煤层赋存条件与覆岩力学参数 1.1 3类典型煤层赋存条件 通过对神东矿区的煤层钻孔柱状图及相关地质资料分析，按基岩厚度、对覆岩运动起控制作用的较坚硬岩层数（即关键层层数）及风积沙松散层厚度与煤层上覆基岩厚度比（K）的不同，神东矿区有三类典型煤层赋存条件①Ⅰ类。基岩厚度30 m，只覆存一个较坚硬岩层（称之为关键层），且K≥1，如表1所示。② Ⅱ类。30 m≤基岩厚度60，只覆存一层关键层，但K1，如表2所示。③ Ⅲ类。基岩厚度≥60 m，覆存两层关键层（一个称主关键层，一个称亚关键层），主关键层位于垮落带之上，基本顶为亚关键层，且K1，如表3所示。 三类典型赋存条件中，在基岩顶部都有一强风化带（5～10 m），风化后趋于粘土化，其塑性显著增大，抗变形破坏能力大大增强，且浸水后易迅速崩解和泥化，能够抑制采动冒落裂隙向上扩展。强风化带的上部即为潜水层，厚10 m左右，被厚度为2040 m的风积沙松散层覆盖。 表1 神东矿区典型柱状Ⅰ（大柳塔12305工作面） Table 1 Typical stratigraphic column of Type Ⅰ 层厚 弹性模量 内摩擦角 抗压强度 岩性 （m） （GPa） （） （MPa）风积沙松散层 风化砂岩 30 5.62 10 2.37 20 42 5 15 1.2 覆岩主要力学参数 1）Ⅰ类煤层大柳塔矿12305工作面 大柳塔12305工作面基岩厚度1618 m，上覆风积沙松散层30 m，松散含水层厚度在14 m左右，煤厚3.74 m，采用长壁采煤法开采，工作面长240 m，煤层及顶、底板岩层的主要力学指标参见表1。 2）Ⅱ类煤层（上湾矿 51201工作面） 上湾煤矿51201工作面煤层平均厚度5.8 m，设计最大采高5.3 m，上覆岩层厚度为40 m左右，松散含水层厚度在10 m左右。具体覆岩参数参见表2。 3）Ⅲ类煤层（补连塔矿32201工作面） 补连塔煤矿32201工作面基岩厚度78 m，岩性主要为砂岩，上覆松散含水层厚度约10 m。具体覆岩参数参见表3。 2 模拟方法与目的 2D 采用RFPA（Rock Failure Progress Analysis）粉砂岩 9.50 42 48 39 专业软件进行计算机数值计算和实验室相似材料中细砂岩 2D 2.68 15 39 15 试验两种模拟方法。应用RFPA软件主要分析覆粉砂质泥岩 3.74 13.5 38 15 岩赋存单一关键层（Ⅰ和Ⅱ两类煤层）时，随工作2-2煤层 采动裂隙在垂直面沿工作面推进方向与2.10 18 32 15 面的开采，粉砂质泥岩 表2 神东矿区典型柱状Ⅱ（上湾矿51202工作面） 垂直面沿工作面倾向的动态演化规律。 Table 2 Typical stratigraphic column of Type Ⅱ 而应用实验室相似材料模拟试验，主要针对覆 层厚 弹性模量 内摩擦角 抗压强度 岩性 岩赋存单一关键层和两层关键层（Ⅱ和Ⅲ两类煤（m） （GPa） （） （MPa） 20 层）时，分析在水平面岩层及垂直面沿工作面推进风积沙松散层 并与同类的5.0 10 5 方向的覆岩采动裂隙扩展与分布特征，风化砂岩 10.0 20 42 15 数值计算结果进行对比。 粉砂质泥岩 粗砂、泥岩互 层 中细砂岩粉砂质泥岩 1-2煤层 粉砂质泥岩 9.3 42 48 39 12.3 15 39 15 3.4 13.5 38 15 3 RFPA2D 数值分析 RFPA2D可以计算并动态演示材料从受载到破 5.8 18 32 15 裂的完整过程，整个系统具有较强的开放性、可扩 在分析煤层顶板具有较好的后处理功能[11]。5.0 15 15 15 展性， 的离层、冒落、垮落、裂隙扩展情况方面，RFPA2D 软件是较为理想的模拟软件。 此软件在计算过程中执行分步开挖功能，每开挖一步，模型自动计算一步，并将单元的破坏移动过程通过弹模图或应力图显示出来。图中颜色灰度越亮表示压应力越大，灰度越暗表示拉应力越大。 3.1 垂直面沿工作面推进方向 3.1.1 Ⅰ类煤层大柳塔矿12305工作面 1）模型建立 为了尽量减小边界情况的影响，模型划分为30070个单元。采用连续开采的力学模型，覆岩各层相变力学参数如表1中所示。 利用RFPA中的分步开挖功能，从第二步开始开挖，为符合工作面快速推进（15 m/d）要求，开 挖步距为1.8 m，共开挖135 m。 2）基岩（厚度18 m）破断过程 采场开挖后，工作面推进到30 m时直接顶初次冒落。当推进到42 m时，基本顶初次来压连同地表一起切落。工作面推进至58 m时，基本顶发生第一次周期性整体切落；工作面推进到73 m时，基本顶发生第二次周期性整体切落，如图1所示。 3）模拟结果分析 工作面基本顶初次来压时，覆岩直至地表整体切落；顶板周期性切落时，顶板及其上覆厚松散风积沙层也几乎是整体下沉。随着工作面快速推进，整体破断的顶板岩块可以挤压并快速闭合，仍具有阻水作用。 （a）基本顶初次垮落 （b）基本顶周期性整体切落 图1 第一类覆岩垮落状况 Fig. 1 Overburden movement of type 1 1-基本顶初次垮落 2、3-基本顶周期垮落 3.1.2 Ⅱ类煤层上湾矿51201工作面 模型、参数和加载方式等同上，覆岩各层相变力学参数如表2中所示。 1）基岩（厚度40 m）破断过程 工作面开挖到28 m时, 直接顶开始冒落；工 作面开挖到40 m时，基本顶开始垮落，到55 m时，基本顶初次垮落，但未涉及到松散层，如图8所示；当工作面开挖到近76 m时，基本顶出现第一次周期来压，上覆松散层开始破坏，如图2所示。 图2 第二类覆岩垮落状况 Fig. 2 Overburden movement of type 2 1-基本顶初次垮落 2-基本顶周期垮落 2）模拟结果对比分析 可见，与基岩厚18 m的模拟结果相比，在基岩厚度增加到40 m时，相应的来压步距也增大，且基本顶初次与第一次周期性垮落时，覆岩没有整体性垮落，更不会波及到地表。但在第二个周期来压时，地表与覆岩同步运动。 3.2 垂直面沿工作面倾向 以上湾矿51201工作面为代表的Ⅱ类煤层为模拟分析基础条件。 1）开采方案 先掘出三条顺槽，两相邻顺槽间的间距分别为30 m（区段煤柱的宽度）和230 m（工作面的宽度），然后再进行开采。 - 3 - 2）模型建立 模型长400 m，高100 m，共划分400100个基元，采用单元自身重力实现加载。在试验过程中，采用库仑准则作为破坏的判别准则。 3）覆岩垮落与裂隙扩展过程 采空区最终垮落情况，如图3 所示。 图3 覆岩垮落最终状况 Figure 3 The caving process response to mining 可见，大尺寸工作面开采导致上覆岩层不断产生离层与断裂，并一直发展到地表，最终导致自采空区到地表之间的岩层沿倾向整体切落。覆岩整体切落，将采动产生的离层压实，使断裂岩块闭合，且地表下沉宽缓底平、地表裂缝不发育且被挤实；工作面越长，裂缝密度越小。以上特征不仅有利于保水开采，也有利于井下工作面防灭火，而且由于整体切落，对土壤结构破坏小，还有利于生态建设。 4 相似材料模拟分析 4.1 水平面岩层 1）模型关键参数 实验使用简易立体模型架，模型架长250 cm，宽150 cm，两侧边为20 cm宽的支座用以模拟边界条件。模型采用底卸式开采，底片长150 cm，宽6 cm。开采模型的原始模型如图4所示。按照快速推进要求，模拟过程中设置每班割6～10刀，截深为865 mm，每班工作面推进距离为5.19～8.65 m。 （a）原始模型 （b）基本顶初次垮落 （c）基本顶周期来压 图4 实验室相似材料模型 Figure 4 Similar material modeling in laboratory 2）基本顶岩板初次破断 当采至55 m时，基本顶下位岩层发生冒落；当工作面推进至61 m时，产生沿整个工作面的基本顶初次垮落，基本顶初次破断后形成两个主板块，板快回转运动后形成V形沟。1号和3号成为张开裂隙组，2号成为闭合裂隙组，如图4b所示。 3）基本顶岩板周期性破断 当工作面推进到80 m时，产生第一次周期性破断，断开的岩板产生回转，原张开裂隙（3号）变为闭合裂隙裂，并产生新的张开裂隙组（5号），由于岩板的回转，相邻的两岩板沿断裂线呈铰接结构，处于稳定状态，如图4c所示。随着工作面继续推进，第二次周期来压时，5号张开裂隙将转为闭合裂隙，工作面前方又出现新的张开裂隙，如此岩板出现周期性的张开与闭合现象。 4）模拟结果 随着工作面的推进，水平面岩层在工作面中央破断，形成基本顶的初次破断；基本顶周期来压时，相邻断开的两岩板能相互铰接，并使相应的张开裂隙出现闭合的现象，但采场开切眼及上、下端头附近，采动裂隙发育，易形成导水通道和漏风通道。 4.2 垂直面沿工作面推进方向 4.2.1 试验介绍 实验采用1100的几何比例，根据相似三定理，确定主要相似系数为模拟线比αl＝100；容重相似比αγ＝1.67；时间相似比αt＝10。使用简易立体模型架，模型架长250 cm。按照时间比沿走 向每5 m开挖一步。 51201工作面试验模型的基岩规格为长宽高 2.5 0.2 0.4 m，设计采高5.3 m。覆岩各层相变力学参数如表2中所示。 32201工作面试验模型的基岩设计规格为长宽高 2.5 0.2 0.78 m，实验设计采高5.5 m。覆岩各层相变力学参数如表3中所示。 4.2.2 模拟结果及其分析 1）Ⅱ类典型浅埋煤层（51201工作面） 当开采空间达到30 m时，直接顶发生了冒落；开采空间达到45 m时，基本顶开始垮落，如图5（a）所示。开采空间达到52 m时，基本顶发生初次来压，垮落高度约8 m，垮落范围长40 m，但基本顶覆岩没有随之整体下沉，如图5（b）所示（与数值计算结果相近）。开采空间达到近72 m时，基本顶第一次周期来压，采动裂隙贯通至松散层底部。开采空间达到93 m时，基本顶第二次周期来压；开采空间达到113 m时，基本顶第三次周期来压，此时，采空区中部采动裂隙开始闭合。图5（c）所示的是开采空间达到134 m发生第四次周期来压时的情况。可见，采动裂隙已到达松散含水层底部，岩层断裂角度约55˚，采空区中部断裂带内的采动裂隙已被压实闭合，开切眼一侧的纵向采动裂隙仍以约60˚角贯穿至松散层底部，但能在工作面 加快工作面推进速一端形成了较稳定的铰接结构。 度可使破断岩块尽快朝反方向与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接并挤压闭合。 采动裂隙压实区 基本（a）推进45m时 （b）推进52m时 （c）推进134m时 图5 覆岩垮落状况 Fig. 5 Overburden movement in similar material modeling A-开切眼侧纵向裂隙组；B-工作面侧纵向裂隙组；1-基本顶初次垮落 ；2、3、4-基本顶周期垮落 2）Ⅲ类典型浅埋煤层（32201工作面） 开采空间达到50 m时，直接顶初次垮落。开采空间达到65 m时，基本顶初次来压，靠近工作面一侧断裂块的长度约为靠近开切眼一断裂块的2倍，但基本顶上覆岩层没有立即随着基本顶的垮断而破断，采动裂隙发育至基本顶顶部上部约4 m的层位，如图6a所示。 开采空间达到80 m时，基本顶第一次周期来压；达到95 m时，基本顶第二次周期来压；开采空间达到110 m时，基本顶发生第三次周期来压，此时，主关键层没有破断，其下方的最大离层量达到2.7 m，离层发育区域长65 m, 覆岩采动裂隙的发育高度也终止于此层位, 如图6b所示。 开采空间达到130 m时，主关键层（4号岩层）破断，其下方的离层闭合。纵向裂缝止于风化砂岩。开采空间达到165 m时，伴随着4号岩层及其上覆岩层的整体下沉，主关键层发生第一次周期来压，基本顶也随之垮落，但纵向裂隙仍止于风化砂岩。开采空间达到190 m时，主关键层发生了第二次周期来压，基本顶也随之垮落，但采动裂隙仍中止在风化带下部。工作面一侧的岩层断裂角约为65˚。在采空区中部，基本顶与4号岩层（主关键层）之间各岩层内的横向、竖向通道均已被压实，几乎全部闭合，开切眼侧纵向裂隙高度也有减小，但没有完全闭合，如图6c所示。 主关键层 主关键层 采动裂隙压实区 基本顶 （a）工作面推进65 m （b）主关键层初次破断 （c）工作面推进190 m 图6 覆岩垮落状况 Fig. 6 Overburden movement in similar material modeling A-开切眼侧纵向裂隙组；B-工作面侧纵向裂隙组；C-最大离层区；1-基本顶初次垮落；2、3、-基本顶周期垮落 3）两类浅埋煤层比较分析 两类典型浅埋煤层的工作面一侧采动纵向裂隙随开采空间变化的发育过程，及最终稳定后的状态，如图7所示。 （a）Ⅱ类典型浅埋煤层 （b）Ⅲ类典型浅埋煤层 图7 纵向采动裂隙分布特征与开采空间关系 Figure 7 Relationship between mining space and caving height 比较可知1）工作面侧纵向裂隙的分布特征 具有由硬岩层控制下的明显的突变跳跃性。基本顶破断后，Ⅱ类典型浅埋煤层的采动裂隙直接发育到松散含水层；而Ⅲ类典型浅埋煤层基岩中因为还有一个主关键层，故当基本顶破断后，纵向裂隙迅速向上发育，但当到达主关键层所控制的岩层组底部时，暂时停止；而当主关键层破断时，纵向裂隙又迅速向上发育，但都止于风化带。 - 5 - 2）开切眼和两端头附近区域的采动裂隙不易闭合，这是工作面防突水与保水开采、工作面漏风以及瓦斯抽放应重点关注的区域。 3）工作面后方1～2个周期来压距离后，采动覆岩断裂带内的采动裂隙就开始压实闭合。 5 结论 1）浅埋煤层随着长壁工作面的推进，覆岩会 出现与地表同步垮落现象，但不同的典型赋存条件，其出现的时间不一样。Ⅰ类煤层发生在基本顶初次来压时，Ⅱ类煤层发生在第二次周期来压时，Ⅲ类煤层发生在主关键层破断时。 2）覆岩与地表同步垮落，对地表土壤和植物的破坏程度较小，并能充分压实采动层间裂隙，有利于保水开采及防止工作面漏风。但纵向裂隙相对发育，易将含水层的水导入井下；易导通采空区，引发煤层自燃；易损伤部分地表植被的生长根系。且工作面开采面积越大，层间裂隙压实效果越好，纵向垂直裂隙的密度也越小。 3）随着工作面的推进，上覆岩层中的张开裂隙会产生闭合现象，且工作面推进越快，裂隙扩展的时间越短，裂隙闭合也越快，但采场切眼及上、下端头处的裂隙不易闭合，易形成导水和漏风通道。此外，工作面快速推进，还有利于工作面基本顶破断岩块相互铰接，并形成稳定的“力学平衡结构”，而不易产生顶板“台阶”下沉。 4）风化带的存在，有利于消解部分采动裂隙。保护住风化带这个准隔水层，既可实现保水开采，又可避免地表空气导入井下采空区。 ground collapse caused by coal mining activities on the water characteristics of sandy soil in arid and semi-arid area[J]. 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