煤炭深部开采界定及采动响应分析.pdf

第 44 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 44 No. 5 2019 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2019 移动阅读 张建民,李全生,张勇,等. 煤炭深部开采界定及采动响应分析[J]. 煤炭学报,2019,4451314-1325. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2019. 6018 ZHANG Jianmin,LI Quansheng,ZHANG Yong,et al. Definition of deep coal mining and response analysis[J]. Journal of China Coal Society,2019,4451314-1325. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2019. 6018 煤炭深部开采界定及采动响应分析 张建民1,李全生1,2,张 勇1,曹志国1,2,王新中3 1. 煤炭水资源保护与利用国家重点实验室,北京 100021; 2. 国家能源投资集团有限责任公司,北京 100021; 3. 中国矿业大学北京 能源与 矿业学院,北京 100083 摘 要科学界定深部是深部开采理论发展与技术实践的重要问题,探讨适于我国煤炭现代开采实 践的深部开采界定方法具有重要意义。 为此,综合考虑我国煤矿矿区深部岩石、地下水环境和现代 开采方式,将区域应力场与采动应力场分析相结合,基于我国地壳浅部、煤矿矿区深部准静水应力 状态分析,进一步研究我国煤矿矿区的深部界定、基于不同矿区煤岩状态岩性及组合、含水性等 差异的相对深部界定和开采时动态深部区确定方法。 研究表明,原岩初始状态和开采方式共同决 定了采动力学状态及变化规律和其他伴生状态变化。 基于深部与浅部的力学状态差异,将深部开 采界定为在高地应力环境且具有采动非线性力学响应的煤岩体空间实施的采矿活动;依据我国煤 矿矿区应力场统计变化规律和准静水应力状态分析,采用平均侧压系数 Kav即水平最大主应力和 最小主应力的平均值与垂直应力之比确定煤矿矿区深部临界深度,结合我国中东部深部开采实 践确定的参考深部临界深度 Hm为 850 900 m;基于不同矿区原岩差异性岩性及组合、含水性 等,建立了不同初始状态时实际深部临界深度 Hs简称为视临界深度与 Hm比较模型,分析发现 采动煤层覆岩越软和含水性越强,其深部临界深度越浅或“趋浅”,降低幅度可达 30 50; 基于开采“应力拱”现象构建了深部采动应力状态 Kav模型和 Hs计算方法,采动响应分析表明开 采工作面切眼外侧及采场前端局部 Hs呈变浅→变深→正常的变化特征或“端部效应”,工作面 中部区域呈变浅趋势或“趋浅”,采高越大其 Hs“趋浅”效应越显著,而随工作面推进距离增加端 部效应变小;东、中、西部典型矿区 Hs与 Hm比较表明东部矿区 Hs偏深,中部矿区深度相近,西部 陕、蒙等地下水丰富的矿区偏浅,在 500 600 m 即可达到实际深部临界深度,采深 400 500 m 时大采高工作面两端外侧局部也可显现深部力学状态。 研究基于我国深部岩石力学研究成果和开 采条件及现代开采方式,探讨提出的深部界定方法和结果,与已有深部开采理论研究与实践成果比 较证实,该方法具有理论合理性和结果可靠性。 关键词煤炭开采;深部界定;视临界深度;趋浅效应;西部矿区 中图分类号TD32 文献标志码A 文章编号0253-9993201905-1314-12 收稿日期2019-01-31 修回日期2019-04-30 责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目2016YFC0600708 作者简介张建民1957,男,河北张家口人,教授级高级工程师。 Tel010-57337362,E-mailsh_zhangjm126． com Definition of deep coal mining and response analysis ZHANG Jianmin1,LI Quansheng1,2,ZHANG Yong1,CAO Zhiguo1,2,WANG Xinzhong3 1. State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining,Beijing 102209,China; 2. National Energy Investment Group Co. ,Bei- jing 100011,China; 3. School of Energy deep definition;apparent critical depth;shallow effect;west mining area 地球深部是人类未来获取有价资源的主要区域 之一。 目前,世界上主要矿业大国开采超过千米矿井 已有 100 余座。 其中,煤矿深井主要在德国、波兰、俄 罗斯、英国、日本、比利时等国家,最大开采深度逼近 2 000 m 水平[1]。 我国随着浅部资源的逐步开发与 枯竭,深部开采亦将进入常态,开采深度也以 10 25 m/ a 的速度延伸,现有超过千米深井达 47 座,采 深 1 000 1 100 m,最大达到 1 500 m[2]。 我国深部开采中冲击地压、突水、地热等灾害出 现频率显著增加。 据不完全统计,现有 150 余个冲击 地压矿井中具有冲击倾向性的占 40,130 余处大型 煤矿中一、二级热害矿井超过 43 [3]。 为解决深部 安全高效开采遇到的理论与实践问题,前人系统研究 了深部 “三高一扰动”的复杂力学环境、岩体力学特 性及工程灾害响应特点[4],深部岩石大变形和强流 变特点[5], 赋存深度 对 岩 石 力 学 行 为 的 影 响 规 律[6-7],动力失稳的能量特征与判别标准[8-9],发现了 应力场分区破裂化[10-11]、综放工作面上覆围岩宏观 5131 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 应力壳下低应力区[12]、应力拱发育高度与采动裂隙 发育高度的关系[13],现场探测证实应力拱拱高与覆 岩断裂带上限位置具有较好的对应性[14]。 同时,基 于我国地壳浅部和煤矿矿区大量地应力观测结果,统 计获得不同尺度应力场侧压系数与深度的线性变化 关系[15-16], 典型采动区应力侧 压 系 数 的 基 本 关 系[17],为深部开采应力场研究提供了有力支撑。 如何确定煤炭开采的深部,前人研究已从多角度 给出不同的诠释。 “深部”是一种由地应力水平、采 动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态,深部采 煤环境与浅部比较可概括为“三高”高地应力、高地 温、高岩溶水压和深部岩体工程响应“三强”强流 变性、强湿热、强动力灾害特点[18];此时,深部工程 岩体具有非线性变化的力学特点,应用现有的线性力 学系统理论与技术部分或全部失效,深部工程围岩控 制可基于岩体力学特性与工程特性,采用难度系数和 危险指数作为稳定性难易程度的评价指标[19]。 深部 应力条件下,现有基于弹性理论的煤炭开采理论难以 适用[20]。 针对我国煤矿开采中遇到的灾害问题和采 动效应影响,综合地质条件、采煤方法、支护方式等, 提出深矿井、深矿井类型与临界深度,深矿井的深度 上限 为 600 800 m, 深 井 分 为 800 1 200 m 和 1 200 m 以上 2 个亚类[21]。 根据岩石实验结果提 出了深部的亚临界深度、临界深度、超临界深度定量 分析方法[22]。 还有将地壳应力场特征深度作为确定 深部“临界深度”的指标[23]。 目前,深部开采的界定方式分别从地应力场特征 深度、开采绝对深度、开采煤岩体地应力环境、开采引 发的灾害程度和方式、巷道支护及维护成本和岩体力 学状态等角度,由表及里的诠释了深部开采的特点, 提出了深部开采理论与实践的针对性解决方案。 然 而,深部开采也是在高地应力环境下对煤岩体进行持 续施加扰动的过程,原岩初始状态和开采方式共同决 定了岩石力学状态及变化规律。 笔者基于我国深部 岩石力学研究成果和现代开采方式,构建深部开采系 统时-空模型,探索性提出深部煤炭开采定义,探讨 了适于我国煤炭现代开采实践的深部界定方法和主 要影响因素,并结合我国东、中、西部的煤炭资源区域 禀赋特点分析深部界定可行性,旨在进一步丰富和完 善深部开采理论与方法。 1 煤炭深部开采定义 1． 1 煤炭开采系统 煤炭开采是指采用现代采掘装备和开采工艺持 续采取或采动煤炭的采掘活动。 煤炭开采导致采 动区原岩初始状态应力场、水力场、原岩裂隙等发 生变化,原岩初始状态和开采方式的采动耦合作用决 定了采动围岩状态变化规律。 根据采动作用空间关 系,煤炭开采也可视为由采动源、采动区和矿区区域 3 部分组成的系统。 其中,采动源包括动力源如综 采装备和动力作用区工作面要素及作用状态如 采动强度;采动区是采动源作用直接影响区,主要 包括岩性组合体、含水层等要素及采动状态如应力 场、水力场;矿区区域是采动影响区外部区域,主要 包括区域综合岩性组合体和含水层等要素及原岩状 态如区域应力场和水力场。 采动源与采动区的 “采动源-煤岩”之间的持续耦合作用或采动耦合 实现了煤炭采取,也引发了采动覆岩破坏和地下水与 原岩的“水-岩”动态耦合响应,导致采动区应力场及 水力场状态发生变化,形成采动状态 S10 0 Vm⊂Vsm { 1 6131 第 5 期张建民等煤炭深部开采界定及采动响应分析 式中, Vm为任意系统中原岩力学状态空间;F 为原岩 参数包括岩石组分和岩层组合、岩层含水率等;C 为开采工艺参数;t 为系统要素间相互作用时间; S0 m 和 f0分别为未采动时的状态值和状态函数; Stm和 ft 分别为采动时的状态值和状态函数; ξ 为任意的状态 参数; Vs m为煤岩采动影响的深部力学状态空间范围。 式1提出的 Sm函数可表征深部力学状态与原 岩物理性质、采动源参数、空间位置等参数之间的关 系。 根据采动耦合作用时间,将深部力学状态分为静 态深部力学状态t0与动态深部力学状态t0。 前者代表了原岩无采动作用时初始力学状态,主要与 原岩参数 F 有关,高地应力环境是深部力学状态的 静态显现特征;后者则是原岩受持续采动作用时动态 力学状态,其采动影响区力学状态不仅与 F 有关,还 与采动源参数 C 有关,原岩受采动作用时非线性力 学响应是深部力学状态的动态显现特征,也是深部岩 体工程显现的强流变性和强动力灾害的致因。 1． 2 深部煤炭开采 深部力学状态显现是煤炭开采由浅部进入深部 的基本条件,高地应力环境和原岩非线性力学响应是 深部力学状态的基本特征。 因此,与浅部煤炭开采比 较,深部煤炭开采则指在高地应力环境且具有采动非 线性力学响应的煤岩体空间的采矿活动。 其内涵主 要包括 1深部开采是原岩处于深部高地应力状态下 的采矿活动。 高地应力状态是深部应力状态的基本 特征。 目前东部主要矿井平均开采深度已达到 800 1 000 m,而西部矿区也由 100 300 m 逐步进 入 400 700 m。 相对浅部开采,不同区域开采向较 大深度转移时逐步进入高地应力环境。 此时,原岩应 力状态由构造应力为主逐步转向以垂直应力为主,当 进入二向等压的三轴压缩应力状态时或准静水应 力状态进入深部应力状态[22]。 2深部开采是采动煤岩出现显著非线性力学 响应特征的采矿活动。 采动煤岩非线性响应是深部 与浅部力学状态的动态特征差异。 深部状态下煤岩 力学响应由完全弹性形变过渡到脆塑性形变塑性 流动状态,开采中出现塑性大变形、动力灾害、围岩大 规模动力失稳等非线性力学现象。 与浅部开采相比, 弹性形变、脆塑性形变、塑性形变现象共存,传统线性 理论与方法解释困难。 3深部开采过程也是采动耦合作用与煤岩力 学状态时空演化过程。 采动煤岩初始状态反映了 采动煤岩静态属性和力学状态,采动耦合状态反映了 煤岩的动态属性和力学状态,采动煤岩力学状态变化 与深度、原岩岩性组合和采动源参数都相关。 与浅部 开采相比,不仅采动煤岩初始状态时处于准静水压力 环境为深部开采,而且在开采过程中出现深部力学状 态的空间也视为深部区域,此时显现的动态高应力区 和煤岩非线性力学响应,也需用深部开采理论与方法 解释图 1。 因此,根据我国煤矿矿区分布和煤岩体岩性组合 特点,可将深部开采划分为中东部深部开采和西部深 部开采,前者主要成煤期为石炭二叠纪,含煤岩系 主要是二叠系山西组和石炭系太原组等;后者主要成 煤期为侏罗纪,含煤岩系主要是侏罗系延安组。 2 深部判断方法 2． 1 判断准则 深部力学状态作为判定开采进入深部的主要标 志,并基于实验测定或深部岩石原位测试确定特征深 度是深部开采理论研究的重要突破。 深部状态是与 区域地应力水平、开采地质环境和采动力学行为密切 相关,而矿区地应力研究的采样随机性和样本离散 性,使矿区范围深部界定具有局限性。 基于我国地壳 浅部和煤矿矿区应力场变化趋势确定区域深部,同时 结合采动区岩性组合特点和采动耦合力学时-空响 应变化规律确定采动区深部,从而界定开采是否进入 深部是合理的。 我国地壳浅部区域应力场研究主要是基于沉积 岩、岩浆岩和变质岩 3 大类岩性的地应力测试数据。 其原岩侧压系数 KH,Kh和 Kav即最大水平主应力、 最小水平主应力和水平平均主应力分别与垂直主应 力之比与深度间统计分布规律[15]表明图 2,浅部 Kh和 KH变化范围较大,意味着局部构造应力为主。 随深度增加,实测值相对收敛。 当 Kh 1 时,KH≈ 1． 61,Kav≈1． 29,深度为 363 m,随后逐步减少且趋于 0． 6 左右;当 KH1 时,Kh≈0． 61,Kav≈0． 80,深度达 到 3 125 m,此后逐步趋于稳定值;当 Kav1 时,KH≈ 1． 25 和 Kh≈0． 77,深度为 768 m。 当深度为 1 100 m 时,KH,Kh和 Kav的相对变化率已小于 1。 图 2 我国地壳浅部区域侧压系数变化趋势 Fig． 2 Trend of geostress confining pressure in the shallow crust,China 7131 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 我国煤矿矿区涵盖东、中、西区域地应力研究 主要是基于煤矿矿区地层的沉积岩组地应力测试数 据。 获得原岩侧压系数 KH,Kav和 Kh与深度变化的 统计分析规律[16]表明图 3,在 5 000 m 深度范围 内,KH始终大于1． 0 并渐趋于1． 31,Kh始终小于1． 0 并渐趋于 0． 74,而 Kav由始终大于 1． 0 到渐趋于 1． 03,在深度 850 900 m 时 Kav相对变化已小于 10 -4 / m。 图 3 我国煤矿矿区侧压系数变化趋势 Fig． 3 Trend of geostress confining pressure coefficient in coal mining areas,China 地壳浅部区域应力场水平与煤矿矿区的应力场 水平相比较,前者的 KH和 Kh在浅部较大,显示水平 构造应力较强,总体上反映了地壳浅部沉积岩、岩浆 岩和变质岩 3 大岩类的平均应力场变化特征。 煤矿 矿区应力场水平普遍大于地壳浅部应力场水平,总体 上属于高地应力区,且 KH和 Kh随深度增加逐步趋 于相对稳定值,Kav逐步趋近于 1． 0,总体上代表了我 国煤矿矿区煤系地层的平均地应力水平。 由于 Kav综合了原岩三轴应力参数,反映了平均 水平应力与垂直应力的关系,Kav≈1 时近似体现了原 岩三轴应力关系处于准静水应力状态。 因此,在目前 可测和可采深度范围内,基于深部准静水压力环境和 Kav参数作为判断煤炭开采是否进入深部的准则是合 理和适用的。 同时,参照我国煤矿矿区平均地应力水 平和研究矿区煤系地层的局部地应力水平差异性,区 别界定深部的具体范围是必要的。 2． 2 确定方法 深部力学状态分为静态状态与动态状态,前者是 深部原岩状态下基本物理特性的综合显现,后者则是 原岩与采动源耦合作用时的动态显现。 根据深部判 断准则,可基于静态和动态力学状态时 Kav是否达到 准静水应力状态确定开采是否进入深部和临界深度。 2． 2． 1 静态无开采扰动深部确定 静态深部是指开采系统为静态时t 0具有深 部力学状态显现的区域 V0 m,Hm 为深部的临界深度, 该区域原岩称为深部原岩。 其深部力学状态函数为 K0 av f sx,y,z,σ,Fz Hm 2 在深部区域 Vm外原岩应力场以水平构造应力 为主,显现为浅部状态;在深部区域 Vm内的原岩应 力场显现为深部准静水应力状态。 静态深部区域界定时,原岩参数 F 是主要影响 因素,即原岩成分及物理性质、岩性组合和岩层含水 性对界定深部状态有重要影响。 依据我国煤矿矿区 应力场统计规律,结合东部煤炭开采实践,我国煤矿 矿区选择在 Kav≈1 附近且随深度相对变化约小于 10 -4 / m 的深度850 900 m 为参考深部临界深度 Hm。 而在具体开采区域符合深部状态的实际深部临界深 度 Hs或视深部临界深度与采动区原岩和区域岩石 组合及物性差异有关。 2． 2． 2 动态开采扰动时深部确定 动态深部是指开采系统为动态时t0,原岩在 开采扰动耦合作用时深部力学状态显现kav趋近于 1． 0的空间区域 Vm,深部力学状态函数可表达为 Ktav f sx,y,z,σ,F,C kav≈1 z Hm 3 深部区 Vm包括了静态深部区 V0 m 和动态深部区 Vd,在 Vm外侧压参数 kav1 时,原岩与采动耦合的应 力状态显现为浅部状态,应力场以水平构造应力为 主;在 Vm内,原岩物性参数 F 和采动源参数 C 共同 决定了应力场状态及深部范围 Vd。 若设 KR av为受区域指煤矿矿区应力场控制的 原岩应力状态,ΔKc av 为采动耦合作用产生的采动增 量,则采动应力场状态函数采动影响范围内应力场 状态函数Ks av为 Ks av K R av ΔKc av 4 此时,ΔKc av0 的区域显示浅部力学状态,采动耦 合作用区构造应力增强或垂直应力相对下降,以构造 应力为主;在 ΔKc avHm 区域Ks avx,y,z 25,软岩层占比最小43,东大矿、麦垛 山煤矿和红庆河煤矿以中硬岩为主,阳煤二矿以软岩 为主占比 87,东大矿、麦垛山煤矿、母杜才煤矿 和红庆河煤矿均以中硬岩和软岩为主,母杜才煤矿占 比最大,软岩层占比为 39． 6。 2含水层对比表明,王楼煤矿的含水层占比为 41． 9;中部典型矿井的东大煤矿和阳煤二矿的含水 表 4 典型矿区实际深部临界深度计算比较 Table 4 Comparisons of