深部承压水上煤层开采底板的破坏特征.pdf

第 2 5卷第 1 期 2 0 1 5年 1月 黑龙江科技大学学报 J o u r n a l o f H e i l o n g j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y V0 1 ． 2 5 No ． 1 J a n ．2 0 1 5 深部承压水上煤层开采底板 的破坏特征 张周鑫 ， 张缓缓 1 ． 淮南矿业集团 朱集东煤矿 ，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 安徽理工大学 地球与环境学院 ，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要 淮南煤 田潘谢新 区 煤层受底板承压水威胁 ， 为研究其在深部开采条件下的底板破 坏特征 ， 根据 井田水文工程地质条件 ， 采用 F L A C 分析软件建立数值计算模型 ， 模拟分析不同承压 条件及开采进度时底板的破坏深度和应力重分布特征 。结果表 明 煤层底板的采动效应随开采 步距增大发 生规律性变化 ， 底板破坏影响深度约 1 6 m， 应力重分布的峰值点在停采线前约 l 1 m和 开切 眼后 6～ 8 m处。煤层回采以后 ， 采 区四周发生剪切破 坏， 中部发生拉伸破坏， 容 易出现底臌。 该研究为潘谢新区深部 A组煤的安全开采和矿井水 害防治提供 了依据。 关键词 深部开采 ； 承压底板 ；破坏深度 ；应力分布 ； 数值模拟 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 - 7 2 6 2 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 3 中图分类号 T D 3 2 5 文章编号 2 0 9 5 7 2 6 2 2 0 1 5 0 1 0 0 1 1 0 5 文献标志码 A Si mu l a t io n s t u d y o n f l o o r f a i l u r e a b o v e c o n f i n e d wa t e r i n d e ep c o al mi ni n g ZHANG Zh o u xi n ， ZHANG Hu a nh u a n 1 ． Hu a i n a n M i n i n g I n d u s t G r o u p C o ． L t d ． ，Z h u j i d o n g C o a l Mi n e ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f E a r t h S c i e n c e＆E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e＆T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c t Th i s p a pe r i s d e v o t e d t o a n o v e l s t u dy o f f e a t u r e s o f flo o r f a i l u r e r e s u hi n g f r o m a d e e p e r mi n i n g i n A3 c o a l s e a m i n P a n x i e mi n i n g i n Hu a i n a n c o M fie l d whe n e x p o s e d t o t he fl o o r c o nfi ne d wa t e r ． T h i s s t u d y i s p e r f o r me d b y e s t a b l i s h i n g n u me ric a l c a l c u l a t i o n mo d e l b a s e d o n h y d r o l o g y a n d e n g i n e e rin g g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d u s i n g FL AC a n a l y s i s s o f t wa r e，a n d s i mu l a t i o n a n a l y s i s t h e c h a r a c t e ris t i c s o f fl o o r f a i l u r e d e p t h a n d s t r e s s r e d i s t ri b u t i o n i n d u c e d b y d i f f e r e n t c o n f i n e d c o n d i t i o n a n d mi n i n g p r o g r e s s ． T he r e s u l t s s ho w t h a t a n i n c r e a s e i n mi n i n g dr a wi n g p a c e l e a v e s t h e flo o r s t r a t a o f A3 mi n e t y p i c a l l y s u b j e c t e d t o t h e d e f o r ma t i o n a n d f a i l u r e p r o c e s s o f c o mp r e s s i o n i n fl a t i o n - r e c o mp r e s s i o n ， w i t h t h e fl o o r f a i l u r e d e p t h o f a bo u t 1 6 m ，a n d t h e s t r e s s r e d i s t r i b ut i o n pe a k o f a pp r o x i ma t e l y 1 1 m i n fro n t o f t h e s t o p p i ng l i n e a nd 6～8 m a f t e r t h e s t a r t i n g c u t ；a nd t h e c o a l s e a m mi n i n g i s f o l l o we d b y t h e o c c u r r e n c e o f s h e a r f a i l u r e s u r r o u nd i n g t h e mi n i n g a r e a a n d t e n s i l e f a i l ur e i n t h e c e n t r a l ，wi t h a h i 【g h e r l i k e l i h o o d o f flo o r h e a v e ．Th e r e s e a r c h ma y p r o v i d e a b a s i s f o r s a f e t y mi n i n g o p e r a t i o n a n d wa t e r d i s a s t e r p r e v e n t i o n a nd c o n t r o l g r o up A d e e p s e a ms i n Pa n x i e ne w c o a l fie l d． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g；p r e s s u riz e d flo o r ；d e p t h o f f a i l u r e；s t r e s s d i s t rib u t i o n；n u me ric a l s i mu l a t i o n 收稿 日期 2 0 1 41 1 0 4 第一作者简介 张周鑫 1 9 8 8一 ， 男 ， 安徽省安庆人 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 研究方向 矿井地质 ， E - ma i l z h x z h a n g 8 8 1 6 3 ． e o m。 1 2 黑龙江科技大学学报 第2 5 卷 0 引．言 我国深部煤层开采 的力度和规模逐年增大， 水 文地质、 工程地质等开采技术条件更加复杂 ， 进而导 致突发性工程灾害和重大恶性事故时有发生。煤层 受采动影响 ， 顶底板应力状态发生变化 ， 造成顶底板 岩体发生位移变形甚至破坏 ， 给安全生产带来威胁。 因此 ， 研究煤层底板 的应力重分布规律和变形破坏 特征 J ， 尤其是受底板水害威胁严重的煤层 ， 对于 矿井安全生产具有重要意义。多年来 ， 学者们针对 此类问题开展 了大量 的理论研究、 现场测试及模拟 研究工作 ， 得到 了诸 如原位张裂与零位破坏理 论 、 关键层理论 等研究成果。数值分析方法对于模 拟分析承压水上采煤工程底板变形 、 破坏及应力重 分布等 问题具有很好的应用价值 J 。淮南矿区 A 组煤开采受底部太原组与奥陶系灰岩承压水水害影 响 ， 底 板 发 生 破 坏 。笔 者 根 据 地 质 资 料 ， 采 用 F L A C 如数值计算软件对深部承压水条件下 的煤 层 开采安全性进行分析与评价 ， 为开采工作提供一定 的依据 1 工作面概况 潘北矿、 潘二矿是淮南潘谢矿区率先开采 A组 煤的两个矿井 ， 地质条件复杂。潘二矿 1 1 2 2 3工作 面为该矿 A组煤首采工作面。该工作面位于 1 1采 区， 标高 ⋯ 4 5 9 5 5 6 m， 平均 一5 3 0 m； 其上方地 面标高 2 0 ． 4～ 2 4 ． 7 m， 平均 2 2 ． 5 m。工作面 主采 3煤层 ， 煤层总厚平 均 局部夹矸 6 ． 0 m， 倾 角平均 1 8 。 ， 结构简单 ， 相对稳 定。顶底板 岩层主 要 以泥岩 、 砂泥岩 为主 ， 见 图 1 。3煤层距 底板 c 灰岩平均距离 2 1 ． 1 7 m。据西一 B一 5 3 0 m水平钻 孑 L 1 2一放 1实际揭 露 ， 底板 灰岩最大单 孔水量为 7 0 m ／ h ， 水头压力 3 ． 8 MP a ， 对 3煤层的安全开采 构成威胁 。 2 数值模 拟 2 ． 1 计算模型 根据钻孔揭露地层情况 ， 采用 F L A C 如数值计算 软件对潘二矿 1 1 2 2 3工作面 A 煤层工作面底板采 动效应进行数值模 拟。假设如下 采用补偿荷载代 替初始应力 ； 煤岩组视为均匀连续材料介质 。根据 煤层综合柱状图 图 1 和开采情况 ， 建立三维数值 计算模型 ， 如图 2所示 。 d ／ m 柱状 岩性描述 0 ．2 0 - 1 4 ． 7 O 砂质泥岩 8 ． O 0 3 ．0 0 - l 3 ． 8 0 _ 3煤 层 6．oo l 3 6 ～ 2 0 o ■■一 泥岩 1 5 0 4 0 ／ 1 煤 层 3 ．5 O l 5 U ～ 5 ．9 o 泥岩 2 ．2 O ● ●■ I 1 8 0 - 3 ． 8 0 _ 砂 泥 岩 互 层 2 ． 4 0 1 ． 6 0 ●l 鲕状泥岩 8 ． 8 O 砂质泥岩 ． Q ． 皇苫； C 石灰岩 1 ．5 O ／ 。＼ 图 1 3煤层底板煤岩层柱状简图 Fi g．1 Co l u m n ar di a gr a m o f 3 c oa l flo or s t r a t a ●一 图2 数值计算模型 Fi g ．2 Nume r i c al c al c ul at i o n m o de l 文 中建立的计算模型走 向长度 Y方 向 、 水平 宽度 方向 、 垂直高度 方向 分别为 2 0 0、 1 0 0、 7 0 m。受采煤工艺限制 ， 煤层采厚取 5 m， 岩层法 向 上取 3 7 m， 共划分出 1 9 5 0 0 0个单元 、 2 0 6 0 4 0个单 元节点。 2 ． 2 边界条件与参数选择 边界条件是控制地质体内外应力联合作用效应 的外部因素， 模拟模型底部为 固定 、 Y方 向的全约 束边界 ； 顶部为 自由边界 ； 左 、 右两侧为固定 、 Y方 向的 自由边界。该类边界条件的选择有利于计算精 度和计算时间的均衡 。初始应力按相关修正理论公 式 ， 模型顶部施加至地表 的岩体 自重荷载， 底板竖向 应力按 照岩体 自重和承 压水压 力 P 共 同确定 。 取边界 系数 0 ． 3计算水平应力 ， 由此确定的补偿荷 载为 1 2 M P a ， 水平应力为 4 ． 8 MP a 。天然岩体 由于 受采动影响， 产生弱化 ， 力学性质有所降低 ， 文 中采 用胡克 一布朗岩体强度准则计算 O- 1 3 ／ m o- c o -3 十 S o - ， 第1 期 张周鑫 ， 等 深部承压水上煤层开采底板 的破坏特征 [ 3 ] [ 4] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 坏规律研究[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 3 ， 4 0 4 8 一 l O ， 1 5 ． 高召 宁 ，孟 祥瑞．采 动 条件 下煤 层底 板 变形 破坏 特 征研 究 [ J ] ．矿业安全 与环保 ， 2 0 1 0， 3 7 3 1 7 2 O ． 李锋．深部煤层 开采底板破坏特征研究 [ D] ．邯郸 河北工 程大学 ， 2 0 1 2 ． 彭永贵．承压水体上 厚煤层开 采底板破 坏规律 研究 [ D] ．淮 南 安徽理工大学 ， 2 0 1 2 ． 刘树才．煤 矿底板 突水机理及破坏裂 隙带演化 动态探 测技术 [ D] ．徐州 中国矿业 大学 ， 2 0 0 8 ． 董东林 ，洪益清 ， 钱增 江．基于 F L AC 的千米埋 深的煤层底 上接第 l O页 板影响深度模拟[ J ] ．煤炭工程 ， 2 O L O 2 7 1 7 4 ． [ 8 ] 徐瑞朋 ，姜振泉 ， 段宏 飞， 等．承压水上 开采煤层底板 破坏深 度数值模拟及实测研究[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 2 ， 3 9 3 14 ． [ 9 ] 朱术 云 ， 姜振泉 ，姚普 ， 等．采场底板岩层应力 的解析法计 算及应用[ J ] ．采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4 2 1 9 1 1 9 4 ． [ 1 O j 蒋金泉．采场围岩应 力与运 动[ M] ．北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 2 ． 参考文献 [ 1 ] 吴立新 ，刘善军 ，吴育华．遥感 一岩石力学引论 岩石受力灾 变 的红外遥感 [ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 0 6 1 1 81 2 6 ． [ 2 ] 刘善军 ，吴立新 ，吴焕萍 ， 等．多暗色矿物类 岩石单 轴加 载过 程 中红外辐射定量研究 [ J ] ．岩石力学 与工程学报 ，2 0 0 2， 2 1 1 1 1 5 8 51 5 8 9 ． [ 3 ] 刘善军 ，徐忠印 ，吴立新 ， 等．遥感 一岩石力 学在 矿山应用 的 实验研究 [ J ] ．金属矿山 ， 2 0 1 1 ， 4 2 1 7 6 1 6 5 ． f 4 ] F R E U N D F ．O n t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y s t r u c t u r e o f t h e s t a b l e c o n t i n e n t a l C F U s t [ J ] ．J o u rnal o f G e o d y n a mi c s ，2 0 0 3 ，3 5 3 3 5 33 8 8 ． [ 5] 马立强 ， 李奇奇 ，曹新奇 ，等．煤岩受压过程 中内部红外辐射 温度变化 特征研 究 [ J ] ．中国矿业 大学 学报 ，2 0 1 3 ， 4 2 3 3 313 3 6 ． [ 6] [ 7] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 编辑荀海鑫 郭文奇 ， 张拥军 ，安里千 ， 等．红外辐射探测预测煤矿冲击地 压的实验研究[ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 0 7， 3 5 1 7 3 7 7 ． 赵 毅鑫 ．煤矿 冲击地 压 机制 研 究 [ D] ．北 京 中国 矿业 大 学 ， 2 0 0 6 ． 赵毅鑫 ， 姜耀东 ，韩志茹．冲击倾 向性煤体破坏过程声热效应 的实验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 5 9 6 5 9 7 1 ． 钟晓晖 ， 朱令起 ，郭立稳 ， 等．煤体 破裂过程辐射温度场 的研 究 [ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 0 6， 3 2 2 5 75 9 ． 徐子杰 ， 齐庆新 ，李宏艳 ，等．冲击倾 向性 煤体加 载破坏 的 红外辐射特征研究 [ J ] ．中国安全科学学报 ， 2 0 1 3 ， 2 3 1 0 1 21 1 2 5 编辑徐岩