W矿深部煤层开采底板突水性分析.pdf

第2 9卷 第 2期 2 0 1 1年 4月 青 海 大 学 学 报 自 然 科 学 版 J o u r n a l o f Q i n g h a i U n i v e r s i t y N a t u r e S c i e n c e Vo 1 ． 2 9 No ． 2 Ap r ． 2 01 1 W 矿深部煤层 开采底板 突水 性分析 徐 慧 ， 1 、 万奎 ’2 1 ．菏泽学 院机 电工程系，山东 菏泽2 7 4 0 1 5 ； 2 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2 2 1 0 0 8 摘要 基 于层状岩体渗流失稳理论 ， 分析 了 w 矿深部煤层开采时底板 突水的影响因素为 隔水 层泥岩的厚度、 渗透率和非 D a r c y流 因子， 实验测 出了隔水层泥岩的渗透率、 非 D a r c y流卢因 子在应力 一应变过 程和 变围压 过程 中的 变化规 律。结果表 明 隔水层泥岩厚度超过 3 7 ． 7 m 时， 才能保证 开采过程 中煤层底板不发生渗流失稳。这一结论为 w 矿实现安全开采提供 了科 学依 据 。 关键词 深部开采 ； 渗流失稳 ； 底板突水； 非 D a r c y流 中图分类号 T D 7 4 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 8 9 9 6 2 0 1 1 0 20 0 2 5 0 5 An a l y s i s o n t h e g us h i ng wa t e r p r o pe r t y i n c o a l flo o r i n t he de e p mi ni n g o f W c o a l m i n e XU Hui ．BU W ank ui ， 。 1 ．De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l E n g i n e e r i n g，He z e U n i v e r s i t y，He z e S ha n d o n g 2 7 40 1 5，Ch i n a；2． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r Ge o me c ha n i c s De e p Un d e r g r o un d E n g i n e e r i n g C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u ， J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e t h e o ry a b o u t t h e i n s t a b i l i t y o f wa t e r s e a pa g e flo w i n s t r a t i fie d r o c k， t h e i n flu e n c e f a c t o r s o n t h e g us h i n g wa t e r i n c o a l flo o r i n t h e d e e p mi ni ng o f W c o a l mi n e a r e a n a l y z e d a nd c o n c l ud e d a s f o l l o ws t he t h i c k ne s s o f mud s t o n e i n wa t e rr e s i s t i n g l a y e r 。 p e r me a b i l i t y a n d t h e n o n Da r c y flo w B f a c t o r ． Th e c h a n g e l a ws o f t h e p e rm e a b i l i t y o f mo d s t o n e i n wa t e r r e s i s t i n g l a y e r a n d t h e n o n- Da r c y f l o w B f a c t o r i n t h e p r o c e s s o f s t r e s s - s t r a i n a n d t he p r o c e s s o f c o n fini n g p r e s s u r e v a r i a t i o n a r e o bt a i n e d f r o m e x p e r i me n t s ． Th e r e s u h i nd i c a t e d t h a t t he i n s t a bi l i t y o f wa t e r s e e p a g e flo w i n c o a l flo o r c a n t h a p p e n i n mi n i n g p r o c e s s whe n t h e t h i c k n e s s o f mu d s t o n e i n wa t e r r e s i s t i n g l a y e r e x c e e d s 3 7 ． 7 me t e r s a n d t h i s r e s u l t p r o v i d e d a s c i e n t i fi c b a s i s f o r s a f e t y mi n i n g i n W c o a 1 mi n e ． Ke y wo r dsd e e p mi n i n g； i n s t a b i l i t y o f wa t e r s e e p a g e flo w ；g u s hi n g wa t e r i n c o a l fl o o r； n o n - Da r c y flo w 煤矿水害是与瓦斯 、 煤尘等并列 的煤矿生产过程中的主要安全灾害之一 ， 一直是煤矿灾害防治 的重 点 。特别是随着煤炭生产的发展 ， 开采水平不断延深 ， 灰岩承压水水压不断增加 ， 突水 的潜在危险 也随之加大。对底板灰岩承压水的防治 ， 更是许多学者研究的重点 _ 3 一 。从 2 0世纪 4 0年代起 ， 国际上 就开始注意底板突水机理的研究。我国在突水机理的研究 中先后提 出一系列理论 ， 为我国煤矿防 治水提供了理论基础。实际上 ， 煤层底板突水是应力应变场与渗流场共 同作用的结果 ， 底板的分层特性 决定了突水是 由各岩层 的厚度 、 应力应变状态 、 渗透特性以及边界条件共同制约 的。根据非线性动力学 的分岔 理论 ， 控 制参 量 的微 小 变化 可能 导致 系 统运 动性 态 的变 化 从 量 变到 质变 ， 即结构失 稳 ， 因此底 收稿 日期 2 0 1 01 2 3 1 基 金项 目江苏省创新 学者攀登 项 目 B K 2 0 0 8 0 0 7 ； 菏泽学院科研基金 X Y1 0 B S 0 4 ； 中国矿业大 学深部岩土力 学与地下工程 国家 重点实验 室博 士后基金 P D 1 0 0 5 作 者简 介 徐慧 1 9 8 2 一 ， 女 ， 陕西临潼人 ， 助教 。 青海大学学报 第 2 9卷 板各岩层的作用 都是 不可忽视 的。近年来 ， 缪 协兴教授提 出的隔水 关键层原理n ， 和渗 流失稳模 型 在煤矿底板突水分析中有着良好的应用前景。 本文基于层状岩体渗流失稳理论 ， 对 w 矿深部煤层开采时底板突水 的影响因素进行了分析， 在此 基础上 ， 通过实验方法测定了泥岩渗透特性 的数值 ， 为 w 矿开采深部煤层提供了科学依据。 1 含有 隔水关键层 的底板渗流失稳条件 设 围岩由 儿层岩石组成， 各层的厚度为 ， 渗透率为 ， 动力黏度为 ， 非 D a r c y流J B因子为卢 ， ， 加速 度为 c ， 两端的压力为p 和P i 1 ， 2 ， ⋯ ， n 。文献[ 1 6 ] 给出了系统的失稳条件， 但在 F o r c h h e i me r 关 系式中， 平方项存在符号错误。因此 ， 将文献[ 1 6 ] 给出的失稳条件改写为 仃 4 n n 等一 ni C C C 1／ 。 1 l n J l n ＼ j 式 中， 7 『 是层状岩体渗流失稳系数， 当7 r0时 ， 底板岩层产生渗流失稳 ， 形成底板突水事故； 反之 ， 底板岩层不会产生渗流失稳。 在大多情况下， 渗流稳定性决定于几层隔水性能最强的岩层， 即隔水关键层。特别是在只有一个隔 水关键层的情形下 ， 岩层中渗流的稳定性主要由这个隔水关键层 的渗透特性决定。这样 ， 可将式 1 表 示的失稳条件 ， 近似地简化为 4 v o p 1一P 0 ／ 3 r k h r k 一、 ／ Z 7 g ． tw r k s ，0 2 或 4 p 二 k 2 l ／ - h k s 3 其中， 是 隔水关键层 的厚度 ； k w r k 是隔水关键层的渗透率 ； 卢 是隔水关键层的非 D a r c y流 因 子 。 2 隔水层 泥岩 渗透 特性 参量 测定 从式 3可以看 出， 含有泥岩隔水层的底板发生渗流失稳的必要条件是泥岩的非 D a r c y流 因子为 负。根据柯钦挪 、 I m a y的研究 引， F o r c h h e i m e r 型非 D a r c y渗流动量守恒方程中， 渗流速度平方项的系数 不可为负。因此 ， 人们通常认 为岩石的非 D a r c y流 因子为正。这样说来 ， 任何渗流系统， 包括采动岩 体渗流都不会发生失稳。实际上， 在煤矿工程中煤层顶 、 底板经常发生突水事故。在一些事故中， 突水 伴随着明显 的结构破坏 顶板冒落 、 底板鼓裂 ； 在 另一些事故中， 突水前并没有明显的结构破坏 ， 但是 涌水量却在瞬间增大几十倍甚至更高 ， 具有典型的渗流失稳特征。岩层中渗流是否能够失稳非 D a r e y 流 因子究竟能否为负我们通过试验来回答这一问题。 根据所选取的 w 矿 1 6 9号孔柱状图 ， 1 5 3 } } 煤层与奥陶纪灰岩间只有一层泥岩隔水层 表 1 。因 此 。 对于该矿区的失稳条件可以写成 ．L 2 万 4 p o P 一P 0 一 0 4 式中， P 。 是水的质量密度 ； 是底板灰岩含水层压力 ； p 是煤层底板泥岩水压力； 是泥岩的非 D a r c y 流因子； 是泥岩岩层的厚度 ； 是水的动力黏度 ； k是泥岩岩层的渗透率。 式 4中， P o 1 0 0 0 k g ／ m ， P 0 5 MP a ， P I 0 M P a ， I ． O l1 0 ／ P a s 。因此 ， 隔水层泥岩 的厚度 h 、 渗透率 七 、 非 D a r c y 流 因子， 这 3个因素决定 了 w矿在开采 1 53 群 煤层时 ， 确定底板渗流是 否 失稳 。 第2期 徐 慧等 w 矿深部煤层开采底板突水性分析 2 7 2 ． 1 测试原理与方法 岩石非 D a r c y流渗透特性 的测定是在 MT S 8 1 5 ． 0 2岩石力学系统上 ， 采用瞬态渗透试验原理 图 1 ， 得到 专 P 一 P 。 ／ H，毛为岩样 的压力 梯度 。 图 1 瞬态渗透试验 系统的力 学模 型 Fi g ． 1 Me c h a n i c a l mo d e l f o r t r a n s i e n t p e r me a t i o n t e s t i n g s y s t e m 在岩石应力 一应变的全过程中， 预先设置应变值 8 o ， s 1 ， ⋯ ， s N 0s 0 8 1 8 2 ⋯ 8 N l 8 N 。按 应变增加的方向加载。当应变达到预设 的各应变值时 ， 轴向加载系统保持岩样的轴向位移不变 ， 利用压 力系统在岩样两端施加压力 P 。 P P 。 ， 可瞬间降低一端 的水压力 ， 使岩样两端形成压差 卸。 ， 并采集 压差随时间变化的系列 ， 释放压力 ， 对岩样继续加载到下一预设 的应变值 ， 并进行渗透特性 的测量 ， 直到 预设应变 的最大值为止。 2 ． 2 泥岩非 D a r c y流渗透特性 对采 自W 矿的泥岩试样进行瞬态渗透试验 ， 岩样高度 H 9 9 ． 8 mm， 截面直径 d 4 9 ． 9 mm， 渗流液 体为水 ， 质量密度 p1 0 0 0 k g ／ m ， 动力粘度 1 ． 0 11 0 ／ P a s ， 压缩 系数 为 C r 0 ． 4 7 5 l 0 ’ Pa～ ，稳压器体积 B 0 ． 3 3 21 0 m 。根据试验采集 的孔隙压差 时间序列 ， 计算 出泥岩 的渗 透率和非 D a r c y流 JB因子在应力一应变和变围压过程中的变化规律 图 2和图 3 。 8 渗透率 应 变 h 非 D a r c y 流 B因子 图 2 泥岩应力一应变过程 的渗透特性 围压 4 Mp a F i g ． 2 p e rm e a b i l i t y p r o p e r t i e s i n t h e p r o c e s s o f mu d s t o n e s t r e s ss t r a i n c o n fin i n g p r e s s u r e 4MPa 青海大学学报 第 2 9卷 围压 ／ MP a ＆ 渗透率 喽 o 非 D a , y 流 13 因子 图 3 泥岩变 围压过程 的渗透特性 应变 ￡ 0 ． 0 0 9 F i g ． 3 p e r me a b i l i t y p r o p e rt i e s i n t h e p r o c e s s o f m u d s t o n e v a r i a t i o n c o n f i n i n g p r e s s u r e s t r a i n s 0 ． 0 0 9 由图 2可以得出 在弹性阶段 ， 随着应变的增加 ， 泥岩的孔隙和微裂隙压缩闭合 ， 渗透率有所降低 ， 非 D a r c y流J B因子也相应有所减小。当应变过了0 ． 0 0 6后 ， 泥岩的渗透率逐渐增大 ， 非 D a r c y 流 因子 相应逐渐增大。这是因为在单 向压缩时 ， 随着应变的继续增加 ， 泥岩内部产生了裂隙的扩张和贯通。 由图 3可以得出 随着围压的增大， 泥岩的渗透率逐渐减小 ， 非 D a r c y 流 因子也相应逐渐减小 ， 这 是因为围压对裂隙的扩张起到 了限制作用。 3 结 果 分析 根据表 1中岩层的岩性和力学参数 ， 估算出隔水层泥岩所受压力为 1 1 Mp a左右 。因此 ， 采用试验 结果 中围压 盯分别为 1 0 MP a 、 1 2 Mp a 时 ， 渗透率 k和非 D a r c y流 因子之值 ， 代人式 4中计算 ， 得出发生 渗流失稳时 ， 隔水层泥岩厚度分别为 3 7 ． 7 m、 2 6 ． 1 13 “1 。从安全角度考虑 ， 本文认为底板泥岩厚度在3 7 ． 7 m 以上时才不发生渗流失稳 ， 从而保证不发生突水的危险。 4 结 论 1 W 矿开采 1 5 3 煤层时， 底板突水的因数主要为隔水层泥岩的厚度 h 、 渗透率 和非 D a r c y流 因子 。 2 通过实验测得了底板隔水层泥岩应力一应变和变围压过程的渗透率 和非 D a r c y 流 卢因子的 变化规律 ， 得出在单向压缩时， 随着应变的增加 ， 泥岩内部产生 了裂隙 的扩张和贯通， 泥岩渗透率 k增 大 ， 非 D a r c y流 JB因子相应地增大 ； 围压对裂隙的扩张有限制作用 ， 随着围压的增大， 泥岩的渗透率 逐 渐减小 ， 非 D a r c y流 JB因子也相应逐渐减小。 3 计算结果表明 隔水层泥岩厚度在 3 7 ． 7 m以上时 ， 才能保证 1 5 3 煤层底板不发生渗流失稳 。 因此， w 矿在开采 1 53 煤层时 ， 应对底板厚度情况勘探准确 ， 以确保安全开采。 参考文献 [ 1 ]靳德武 ．我 国煤层底板突水问题 的研究现状及展望[ J ] ． 煤 炭科学技术 ， 2 0 0 2 ， 3 0 6 1 4 ． [ 2 ]虎维岳 ， 王广 才 ．煤矿水害防治技术 的现状及发展趋势[ J ] ．煤 田地质与勘探 ， 1 9 9 7， 2 5 S 1 1 7 2 3 [ 3 ]王成彦 ．底板奥灰水的防治方法[ J J ．煤矿开采 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