深部开采煤层底板采动变形破坏规律研究.pdf

Vo 1 ． 4 0 No ． 4 Aug ． 2 01 3 矿 业安全 与环保 MI NI NG SAF ETY ENVI RONMENTAL P ROTECTI ON 第 4 0卷第4期 2 0 1 3年 8 月 唐鑫， 姜振泉， 雷娟， 等． 深部开采煤层底板采动变形破坏规律研究[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 3 ， 4 0 4 8 1 0 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 3 0 4 0 0 0 8 - 0 3 深部开采煤层底板采动变形破坏规律研究 唐鑫 ， 姜振泉 ， 雷娟 ， 李彦彬 1 ． 中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 四 1 1 煤田地质局一三五勘察设计有限公司， 四川 泸州 6 4 6 0 0 0 摘要 针对某矿煤层埋藏深， 受底板承压水威胁严重的问题， 确定底板采 动破坏 的深度是实现对其 深部开采的关键和前提。根据该矿 1 3 0 5工作面的水文地质条件、 煤层力学性质 以及顶底板岩层结构和 性质， 运用 F L A C 3 D数值模拟方法研究煤矿深部开采过程中应力分布与塑性 区分布特征， 结合现场实测 数据及煤层不同深度的超前段底板超声图像观测规律 ， 得 出该 工作面采动煤层底板变形破坏的深度约 为 2 2 IT I 。 关键词 底板破坏 ； 数值模拟 ； 采动； 超声成像 中图分类号 T D 3 2 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 3 - 0 7 - 2 2 1 0 2 7 网络出版地址 h t t p ／ ／ w w w． c n k i ． n e t ／ k c m s ／ d e t a i l ／ 5 0 ． 1 0 6 2 ． T D． 2 0 1 3 0 7 2 2 ． 1 0 2 7 ． 0 0 3 ． h t m l S t ud y o n Fl o o r De f o r ma t i o n a nd Fa i l ur e La w o f De e p M i n i n g Co a l Se a m T A NG Xi n ， J I A NG Zh e n q u a n ， L EI J u a n 。 ， L I Y a n b i n 。 ． S c h o o l ofR e s o u r c e a n d E a r t h S c i e n c e ， C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a ； 2 ． N o ． 1 3 5 S u r v e y a n d D e s i g n C o ． ， L t d ． ， S i c h u a n C o a lfie l d G e o l o g y B u r e a u ， L u z h o u 6 4 6 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d e t e r mi n a t i o n o f t h e fl o o r f a i l u r e d e p t h b y mi n i n g i s t h e k e y a n d p r e c o n d i t i o n s f o r r e a l i z i n g d e e p mi n i n g o f t h e c o a l s e a m s w h i c h b u r i e d d e e p l y a n d w e r e s u b j e c t e d t o t h e t h r e a t o f t h e c o n fi n e d w a t e r i n a m i n e ． B a s e d o n t h e h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f 1 3 0 5 wo r k i n g f a c e i n t h i s mi n e ， t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o a l s e a ms a n d t h e s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f r o o f a n d fl o o r r o c k s t r a t a ， s t u d y w a s ma d e o n t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e ris t i c s o f s t r e s s a n d p l a s t i c z o n e i n t h e d e e p mi n i n g p r o c e s s b y u s i n g F L AC 3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d ．F i n a l l y ， i t o b t a i n e d t h a t t h e fl o o r f a i l u r e d e p t h o f t h e s e a n l b e i n g mi n e d i s a b o u t 2 2 m a c c o r d i n g t o t h e me a s u r e me n t d a t a a t t h e s i t e a n d t h e o b s e r v a t i o n rul e o f t h e u l t r a s o n i c i ma g e s o f s e a m fl o o r a n d r o o f i n d i f f e r e n t d e p t h ． Ke y wo r ds flo o r f a i l ur e； n ume r i c a l s i mu l a t i o n； mi n i ng； u l t r a s o ni c i ma g i n g 针对煤层开采底板变形破坏 问题 的研究一直是 煤矿安全生产 的重要课题 ， 正确确定底板 采动破坏 深度是准确预测底板阻水能力的首要条件⋯ 。由于 底板采动变形破坏特点与矿井地应力场 、 采动地压 、 煤层力学性质、 顶底板 岩层结构及性质等多种因素 相关 J ， 因此在对工作 面开采 引起 的底板 变形破 坏规律进行评价 时， 可以从底板岩体变形破坏机理 上给出不同角度 、 不同内容的描述 一 ， 这些描述能 在一定程度上加深对工作面开采引起的底板变形破 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 1 1 ； 2 0 1 3 0 3 2 4修订 基金 项 目 国家 自然科 学基 金 青年 科 学 基 金项 目 4 1 1 0 2 2 0 1 作者简介 唐 鑫 1 9 9 1 一 ， 男， 安徽芜湖人， 硕士研究 生， 主 要 研 究 方 向为 工 程 地 质 及 岩 土 工 程。Ema i l t a n g x i n1 9 91 0 52 7 1 2 6． c o n。 8 ． 坏的认识 』 。笔者 采用数 值模 拟 的方 法 ， 对某 矿 1 3 0 5工作面煤层采动变形破坏规律及其破坏深度进 行研究 ， 分析深部开采煤层底板变形破坏的特征 ， 最 后与现场采动底板超声 成像观测 图像 进行综合 对 比， 得 出该工作面的底板变形破坏深度 ， 对于指导煤 矿的安全开采工作有着重要意义 。 1 工作面概况 某矿 1 3 0 5工作面位于一采区， 工作面标高一 5 1 0～ 一 5 9 0 I n ， 平均为一 5 5 0 I n ； 其上方地面标高 4 6 ． 3 8～ 5 0 ． 3 4 In， 平均为 4 8 ． 3 6 In。地质构造 中部 以 c 向 斜为主 ， 东部以 C 背斜为主 ， 断层 比较发育 。受其 影响， 煤层波状起伏 ， 产状变化较大 ， 呈 中部低 、 两侧 高 ， 运输巷一侧较高 、 轨道巷一侧较低的构造形态 ， 并且岩层 中裂隙及断层 比较发育。1 3 0 5工作面由于 第 4 0卷第 4期 2 0 1 3年 8月 矿 业安全 与环保 MI NI NG S A F E T Y E NVI RONMEN T AL P ROT E C T I ON Vo 1 ． 40 No ． 4 Au g ． 2 01 3 煤层埋藏深 ， 不受地表水 、 第 四系砂岩水 的影响 ， 回 采过程中直接充水水源为 3煤顶底板砂岩水 、 J 。 红层 水和 1 3 0 4综放工作面回采后形成的采空区老空水。 2 数 值模拟研究 2 ． 1 模型建立 根据某矿 1 3 0 5工作面煤层开采情况 ， 选取在三 维坐标系统 中， 以煤层底板基点为坐标原点 ， 以底板 底面为 X O Y平 面， 倾 斜水平投影方 向为 l ， 正方 向， 煤层走 向为 方向 ， 垂直向上为 Z轴正方 向。通过 对相关地质资料的综 合分析 ， 将研究 区内岩层按岩 性和完整性划分为灰岩 、 粉砂岩 、 粗砂岩、 中细粒砂 岩 、 泥质岩 、 3煤 6个工程地质岩组 ， 从上到下划分为 1 8层地层。沿倾斜方 向采 动底 板主要影 响因素 的 工程地质模型见图 1 。 Z f L 单 位 m 图 1 工程地质模 型 模型空间范围取包含测试孔在内的4 0 0 mx 3 0 0 m 的地块 ， 高取 1 5 0 m， 煤厚取 4 m， 煤层顶板厚取 6 6 m， 底板厚取 8 0 m， 共划分出9 0 0 0 0个单元， 9 6 5 9 6个节 点。模型前后 、 左右侧 面采用 水平方 向 固定 、 垂直 方向 自由边界 ； 底面采 用垂直方 向固定 、 水平方 向 自由边界 ； 模型顶部按 4 5 0 m的补偿荷载施 加 ， 约 为 1 1 MP a 。数值模拟过程 中采用 Mo h r C o u l o m b本 构模型对煤层底板采动破坏特征进行计算 ， 各岩层 具体物理力学参数见表 1 。 表 1 煤层顶底板岩层物理力学参数 2 ． 2 数值模拟结果分析 2 ． 2 ． 1 采动底板应力分布特征 1 垂直应力变化特征。根据煤层开采垂直应力 分布图 2可知 ， 工作 面前后 的煤壁 中出现 2个应力 增高区， 应力最大值 出现在开切眼后约 1 2 m和停采 线前约 1 2 m处。随着工作面推进长度 的增加 ， 应力 值也相应增大， 应力集中的现象更加明显； 当工作面 推进至2 0 0 m时， 工作面两端煤壁内的竖向应力最 大值达到 3 4 MP a ， 且开切眼处 的竖 向应力最大值要 比停采线附近大一些 。在煤层底板 内出现 了反拱形 的卸压区， 并随着工作面推进长度 的增加 出现 了拉 应力区 ， 在顶板垮落与底板接触之前 ， 拉应力区分布 在采空区中部 的较大范围 内， 在底板 中影响深度约 为2 0 m； 当工作面推进2 0 0 m之后， 顶板垮落与底板 接触并开始重新承受荷 载 ， 此时拉应力区主要出现 在工作面两端 ， 影响范 围也较小 ， 采空区中部又重新 成为受压状态 ， 并逐渐 出现 了较明显的应力集 中现 象 。拉应力 区 的发展 将控制受 拉屈服 塑性 区的发 育 ， 且与顶板垮落的产生相一致 。 a 走 向垂直剖 面 b 倾 向垂 直剖 面 图2 煤层开采垂直应力分布图 2 剪应力变化特征 。根据煤层开采剪应力分布 图 3可知 ， 采空区周 围形成了一个剪切带 ， 剪切应力 值为 0～3 ． 5 M P a ， 这个剪切带是煤层底板岩层受破 坏最严重的部位。随着工作面的推进 ， 顶板垮落并与 底板接触， 剪应力分布发生明显变化 ， 不仅在开切眼 和停采线附近出现应力集 中， 在垮落部分与底板接触 的部位也出现了剪应力的集中， 且最大剪应力较开切 眼和停采线附近小。当工作面推进2 0 0 m之后， 剪应 ． 0 第 4 0卷第 4期 2 0 1 3年 8月 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AF E T Y ENV I R ONME NT AL P RO T EC T I O N Vo 1 ． 40 No ． 4 Au g ． 2 0 1 3 关键层可能发生破断 见图 5 ， 将会继断层 突水通 道 f 形成另一条突水通道 f 。 图 7 不同断层倾角下的临界水压与残余水压的大小关系 3 结论 1 通过建立底板承压水上断层 的力学模型并对 其进行解析， 得出 ①采动对断层浅部的影响较大， 断 层深部的活动较为平稳 ； ②断层面上 的剪应力峰值在 ≤6 0 。 时是随着倾角增大而增大的， 在 B 6 0 。 时是 随 着倾角增大而减小的； ③随着工作面 向断层 推进 ， 断 层面上的剪应力变化越来越剧烈， 剪应力峰值也逐渐 向浅部转移。从工作面距断层 5 0 m处开始， 断层面 上的剪应力峰值增幅较大， 需要加强监测预报。 2 基于隔水关键层理论 ， 对 断层影 响下的临界 水压进行 了公式推导 ， 得 出临界水压 随着断层倾 角 的增大经历 了先增 大、 后减小 的过程。当断层倾 角 在 卢≤4 0 。 或 卢≥6 5 。 时 ， 隔水关键层可能发生破断 ， 将会继断层形成另一条突水通道。 参考文献 [ 1 ]李青锋， 王卫军， 朱川曲， 等． 基于隔水关键层原理的断层 突水机理分析[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 0 9 ， 2 6 1 8 7 9 0． [ 2 ]陈忠辉， 胡正平，李辉， 等． 煤矿隐伏断层突水的断裂力 学模型及 力学判据 [ J ]． 中国矿业大 学学报， 2 0 1 1 ， 4 0 5 6 6 7 - 6 7 3 ． [ 3 ]黎良杰， 钱鸣高， 李树刚． 断层突水机理分析[ J ] ． 煤炭学 报 ， 1 9 9 6 ， 2 1 2 1 1 9 1 2 3 ． [ 4 ]缪协兴，陈荣华，白海波． 保水开采隔水关键层的基本概 念及力学分析[ J ] 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