采场上覆岩层裂隙发育模拟及实证研究.pdf

第4 7 卷 第7 期 煤炭工程 C OAL E NGI N EE RI N G Vo 1 ． 4 7． No ． 7 d o i 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 5 O 7 02 8 采场上覆岩层裂 隙发育模拟及实证研 究 杨本生 ， ，王华斌 ， ，贾永丰 ，靳 飞 ，李辉亮 I ．河北工程大学 资源学院，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 ；2 ．河北省资源勘测研究重点实验室，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 ； 3 ．河北省煤炭矿井建设工程技术研究 中心 ，河 北 邯郸0 5 6 0 3 8 ； 4 ．河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 摘要 基于深部开采 富含水层及老空水下煤层 易受水灾影响这一状况，以鸡西新发煤矿采 空区积水下 2 9 煤首采工作面地质条件为背景 ，依据关键层理论、顶板运移规律、采场裂隙发 育 特性等理论 ，采用相似材料模拟 实验研究 了工作 面顶板裂隙带发育高度、应 力变化分布及规律 ， 通过实验测定的现场取芯岩石的物理参数确定合理相似材料配比，进而构建相似实验模型模拟采 场回采，模拟实验结果表明裂隙带高度 2 1 ． 8 m，冒落带高度 4 ． 5 m，老顶最大应力峰值 3 0 k P a ，与 地面钻孔实测数据做对比分析 ，钻孔实测裂隙带高度 2 3 ． 1 I l l ，冒落带高度 4 m，实验数据较实测 分别相差 一1 ． 3 m、0 ． 5 m，最大差值小于 9 ％ ，符合误差标准要 求，验证 了相似模拟研 究导水裂 隙带的可靠性，揭示了鸡西矿区2 9 煤导水裂隙带发育情况。 关键词 相似模拟 ；采空区积水 ；裂隙带；深部开采 ；科学开采 中图分类号 T D 3 2 5 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 7 - 0 0 8 2 - 0 4 S i mi l a r S i mul a t i o n a n d Emp i r i c a l Re s e a r c h o n Fr a c t ur e De v e l o pme n t o f Ov e r l y i n g Ro c k S t r a t a i n St o p e YAN G Be ns h e n g ， ，WA NG Hu ab i n ， ，J I A Yo n gf e n g 。 ，J I N F e i ，L I Hu i l i a n g ， 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e ，He b e i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ，H a n d a n 0 5 6 0 3 8 ，C h i n a ； 2 ． Ke y L a b o r a t o r y o f Re s o u r c e S u e y a n d Re s e a r c h o f He b e i Pr o v i n c e ；h a n d a n 0 5 6 0 3 8， C h i n a 3 ． He b e i T e c h n o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r o f Co a l Min e C o n s t r u c t io n E n g i n e e r i n g， Ha n d a n 0 5 6 0 3 8， C h i n a； 4 ． C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r o f t h e C o m p r e h e n s i v e D e v e l o p m e n t a n d U t i l i z a t i o n o f C o a l R e s o u r c e ，H a n d a n 0 5 6 0 3 8 ，C h i n a Ab s t r a c t As t h e d e e p mi n i n g o f e n ric h e d a q u i f e r a n d c o a l s e a m u n d e r g o a f p o n d i n g i s o ft e n i n fl u e n c e d b y fl o o d ， a c c o r d i n g t o t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f t h e 2 9 fi r s t c o a l mi n i n g f a c e u n d e r g o a f p o n d i n g o f J i x i Xi n f a c o a l mi n e，a n d b a s e d o n t h e k e y s t r a t a t h e o r y，r o o f mi g r a t i o n l a w，f r a c t u r e d e v e l o p me n t c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e s t o p e，t h e s i mi l a r ma t e ri a l s t i mu l a t i o n e x p e r i me n t w a s c o n d u c t e d t o s t u d y t h e h e i g h t o f r o o f fi s s u r e z o n e d e v e l o p me n t ．a s we l l a s t h e s t r e s s d i s t ri b u t i o n a n d v a r i a t i o n ． T h e r a t i o n a l r a t i o o f s i mi l a r ma t e r i a l w a s d e t e r mi n e d a c c o r d i n g t o t h e p h y s i c al p a r a me t e r s t e s t o f t h e c o ri n g r o c k s f r o m t h e s i t e ， a n d a s i mi l a r e x p e r i me n t mo d e l wa s e s t a b l i s h e d t o s t i mu l a t e mi n i n g c o n d i t i o n ． Ac c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ， t h e h e i g h t o f fi s s u r e z o n e wa s 2 1 ． 8 m ， c a v i n g z o n e wa s 4 ． 5 m a n d t h e ma x i mu m s t r e s s p e a k o f t h e ma i n r o o f i s 3 0k Pa，whi l e t h e fie l d t e s t i n g d a t a o f t he h e i g h t o f fis s u r e z o ne a n d c a v i n g z o n e we r e 23 ．1 m a n d 4m r e s p e c t i v e l y． T h e ma x i mu m d i f f e r e n c e o f e x p e r i me n t a l d a t a wa s b e l o w 9 ％ ．t h e r e q u i r e me n t o f e r r o r s t a n d a r d i s s a t i s fi e d ． T h e r e l i a b i l i t y o f s t u d y i n g wa t e r d i v e r s i o n fi s s u r e z o n e wi t h s i mi l a r s t i mu l a t i o n w a s v e r i fi e d， a n d t h e d e v e l o p me n t o f 2 9 c o a l w a t e r d i v e r s i o n fi s s u r e z o n e i n J i x i C o a l Mi n e l o t w a s i n t r o d u c e d ． Ke y wo r d s s i mi l a r s i mu l a t i o n； g o a f p o n d i n g ；fi s s u r e z o n e ； d e e p mi n i n g ； s c i e n t i fi c mi n i n g 东北老矿区由于初期开采规划不合理，造成煤炭资源 丢失 、回收率低 。在 全国推广“ 绿色开 采 、科学 采矿 ” 背 8 2 景下 ，东北老矿井开采富含水层及老空水下煤层时，为 了避免深部采场遭受水害影响，如何准确划分该地质条件 收稿 日期 2 0 1 5一 O 1 0 9 基金项目国家自然科学基金项 目 5 1 1 7 4 0 7 0 ；河北省自然科学基金项 目 E 2 0 1 1 4 0 2 0 4 6 作者简介杨本生 1 9 5 6一 ，男，河北武安人，教授，主要从事深部软岩巷道支护研究和矿山压力研究工作，E ma i l y a n g b e n s h e n g s i n a ． c o n。 引用格式杨本生，王华斌 ，贾永丰，等．采场上覆岩层裂隙发育模拟及实证研究 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ，4 7 7 8 2 85． 2 0 1 5年第7期 煤炭工程 下采空区 “ 三带” 形态显得尤为重要。 针对黑龙江新发煤矿利用经验公式计算 “ 三带”范围 与生产实际相差甚远，而采用钻孔反水计量法 l4 耗时长等 问题，采用相似模拟实验对新发煤矿 2 9 煤上覆岩层动态运 移规律、覆岩移动垮落空间形态、裂隙带高度及顶板岩层 应力转移过程 进行 了研究 。 1 相似模拟实验 1 ． 1 物 理 实验原 型 新发煤矿 2 9 煤首采工作面为高档普采，走向 5 2 0 m， 倾向 1 2 4 m，采用走向长壁后退式采煤方法，平均厚度 2 m、 倾角 l 0 。 ，普氏系数f1 ． 2 ，埋深 1 2 1 m，煤层节理、层理 较发育，煤层上部有 0 ． 1 5 m伪顶，层理状发育明显，3 6 煤 层采空区距 2 9 煤层 3 7 m，采空区积水严重 ，成为下层煤开 采的重大 隐患 。煤 层 底板 为细 砂 岩 ，厚 5 6 ． 2 m，呈 块 状 、 坚硬 。 1 ． 2 模 型参数 的确 定 为准确测定 2 9 煤 上覆岩层物理力学参数 ，在区段平巷 顶底板进行取芯 ，岩样加工成几何尺寸为 1 0 0 m m1 0 0 m m x 1 0 0 ra m的立方体试件和 5 0 mm1 0 0 m m的圆柱形试件， 采用 S A S一2 0 0 0三轴压缩试验机、直剪仪分别进行抗压、 抗拉、抗剪等测试，结果见表 1 。 实验室 按 照模 型 强度 相 似 比 ，以河 砂 为 骨料 ，石 膏 、 碳酸钙为胶结物进行多组正交实验 ，最终确定各岩层配比 号 。模型构建初期对 2 9 煤上覆 岩层关键层进行判别 ，通 过 关键层 位置与裂隙带临界高度经验值 71 0 M，M为开 采煤层厚度，m 进行对比分析，预测裂隙带发育至亚关键 层 2底部。 表 1 2 9 上覆岩层的物理力学参数及关键层位置 注岩层由2 9 煤顶板向地表排列；配比号的意义为第 1 位数代表骨料河砂沙胶比，第2 、3 位分别代表胶结物中石膏、碳酸钙两种胶 结物的 比例关系。 1 ． 3 模型构建及测点布置 实验 采用 C M2 5 0 ／ 1 8平 面应 力 实验 台，模 型 规格 2 5 0 0 ra m X1 8 0 0 m m1 2 0 0 m m 长 宽 高 ，几何相似 比 C L1 1 0 0 ，时间相似常数 C r1 0，容重相 似常数 C 1 ． 6 0，应力相似常数 C 1 5 6 ． 2 5 。 如图 I 所示，模型中布置7排位移测点 黑色测点 ，分 别距 2 9 煤顶板 3 m、8 m、1 9 m、2 8 m、3 9 m、5 8 m、6 7 m 按照 几何相似比换算成原型尺寸，以下均为原型尺寸 ，采用 T K S一 2 0 2 全站仪进行观测 2 9 煤上覆岩层位移变化；3排应 力测点，分别距 2 9 煤层顶板 2 ． 7 2 m、2 5 m、4 1 ． 8 m，3排测 点分别对 2 9 煤直接顶、老顶及上覆主关键层进行应力监测， 采用 D H 3 8 1 5 N高速静态电阻应变测量系统监测记录。 ■ ㈨实物图 b 示意图 图 1 观测点布置 图 2上覆岩层采动影响实验结果分析 2 ． 1 模型开挖及采场上覆岩层破坏特征 8 3 2 0 1 5 年第7期 煤炭工程 第一排 1 、2 、3号测点在开采过程中的应力曲线如图4 a 所示，沿工作面推进方向分别标记为 11 ，1 2 ，1 3 。I一1 测点位于切眼正上方 ，数据为波动起伏状形态，最 大应力峰值约为 3 0 k P a ，1 2 、1 3测点分别距切眼 1 5 m、 3 0 m，1 2测点在推进至5 m时，应力开始增大直至1 5 m时 应力开始降低，推进至 4 8 m时，13测点应力突然减小 ， 这时老顶出现垮落，集聚在老顶中的应力得到释放；推进 至 9 O～1 8 0 m，1 1 、1 2 、1 3测点应力均表现出先增大 后减小 ，分析认为 是在采 空 区后方 出现二 次垮 落现象 ，埋 有应变片的岩层 被重 新压 实 ，之后应 力趋 于稳 定状 态 ，超 前支承压力峰值区在工作面前 1 2 m左右。 垂 磊 奋 5 量 2 0 4 0 6 0 8 0 l O 0 l 2 O l 4 0 1 6 0 l 8 0 b 1 1 7 、2 - 7 、3 7 煤层上覆岩层应力随时间变化曲线 图 4 模型开挖过程 中上覆岩层应变 曲线 模型中部 水平方向 的三排7号测点在开采过程 中的 应力曲线如图4 b 所示 ，标记为 1 7 ，27 ，37 。研究 发现煤层开挖过程中老顶 、亚关键层 2距离煤层较近，受 采动影响较为明显，开采过后垮落、被压实，而主关键层 在开采结束后表现为下沉，无明显节理发育，37应力监 测结果显示 ，开采结束后该层岩层受竖向拉应力作用，表 明其承载上方岩层载荷，且随时间变化逐渐趋于稳定状态。 研究表明在工作面回采过程中，老顶周期垮落明显 ， 来压步距为 9 ． 2 m，亚关键层 2表现出明显拉应力效应，能 对其上覆岩层起到有效承载作用，使工作面压力处于低压 状态，且该层压力峰值变化稳定，减小了上覆采空区对采 场的影响，保护了老顶的稳定性，同时有效的阻止了上覆 采空区积水对采场的影响。 3 模拟与实测对比 为准确获得新发煤矿 2 9 煤层导水裂隙带高度 ，同时验 证相似模拟方法的准确性，为其他矿井生产提供宝贵经验 ， 结合该矿地质条件及实际回采情况，决定在工作面回采结 束滞后一个月在地面进行钻孔施工，钻孔位置如图5所示 ， S 1 X 4 4 4 1 1 7 0 1 ，Y 5 0 2 2 0 7 8 孔深为 1 4 5 ． 0 7 m，s 2 X 4 4 4 1 7 5 4 0，Y 5 0 2 3 8 7 8 孔深为 2 0 3 m，采用水下摄像机实 测钻孔裂隙带高度 2 3 ． 1 m m、冒落带高度 4 m；相似模拟实 验结果裂隙带高度 2 1 ． 8 m、冒落带高度 4 ． 5 m。 相似模拟与现场实测分别相差 1 ． 3 m、0 ． 5 m，最大差值 小于 9 ％，这有效的证明了相似模拟实验在研究采场上覆岩 层垮落过程及空间形态具有一定的可靠性，同时裂隙带最 大发育高度位于上覆采空区积水下部 1 l m处，分析认为2 9 煤上覆采空 区积水不会对采场造成影 响。 4结论 而 『 I l 图 5 钻孔位置布置图 1 通过相似模拟实验测量裂隙带高度 2 1 ． 8 m，冒落带 高度4 ． 5 m，现场实测裂隙带高度 2 3 ． 1 m，冒落带高度 4 m， 相似模拟与现场实测分别相差 一1 ． 3 m、0 ． 5 m，最大差值小 于9 ％ ，证明采用相似模拟实验研究导水裂隙带高度具有科 学性 、可靠性与现场实测具有互补性 ，可作为裂隙带高度 研究的有效手段。同时，实验测得裂隙带最大发育高度位 于上方采空区积水下 1 l m处，分析认为2 9 煤上方采空区积 水对采场造成影响较小。 2 通过相似模 拟实验研究得出 采场上覆岩层 下沉量 表现 为由下到上逐渐减小 ，在 回采过程中老顶至亚关键层 2 之间岩层裂隙发育明显，最大发育高度至亚关键 2下方中 粒砂岩层 ，测量得煤壁侧破断角为6 8 。 ，采空区侧破断角为 7 2。。 3 实验数据表明，工作面压力较小，实验模型应力最 大峰值约为 3 0 k P a ，超前支护距离 1 2 m，亚关键层 2明显表 现出拉应力效应，能有效支撑其上覆载荷，减小了工作面 压力，使老顶周期垮落趋于稳定 ，平均垮落步距约 9 ． 2 m。 参考 文献 [ 1 ] 钱鸣高 ，许家林 ，缪协兴．煤 矿绿色开 采技术 [ J ]．中 国 矿业大学学报 ，2 0 0 3，3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． [ 2 ] 钱 鸣 高． 绿 色 开 采 的概 念 与 技 术 体 系 [ J ] ．煤 炭 科 技 ， 2 0 0 3 4 1 3 ． [ 3 ] 蔡尔芬．钻孔多段注水试验方法介绍 [ J ] ．水文地质工程 地质．1 9 5 8 5 4 3 4 4 ． [ 4 ] 王桦 ，程桦 ，刘盛东．基于并行电阻率法 的导水裂隙带 适时检测技术研究 [ J ] ．煤矿安全 ，2 0 0 7 7 1 4 ． [ 5 ] 刘天泉．煤矿地表移动与覆岩破 坏规律极 其应用 [ M] ．北 京 煤炭工业出版社 ，1 9 8 1 ． [ 6 ] 许家林 ，朱卫兵 ，王晓振．基 于关键层位置 的导水裂隙带高 度预计方法 [ J ] ．北京 煤 炭学报 ，2 0 1 2 ，3 7 5 7 6 2 7 6 5． 责任编辑郭继圣 8 5