小浪底水庫(kù)下采煤覆巖破壞規(guī)律的相似模擬研究

摘要：文章以新安煤礦11201、14141及14191三個(gè)工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件為工程背景，采用相似材料模擬試驗(yàn)方法，先后進(jìn)行了4個(gè)工程地質(zhì)力學(xué)模型的8次模擬開(kāi)采，得出了礦井不同工作面在同樣開(kāi)采方法和推進(jìn)速度下、相同工作面在不同開(kāi)采方法下、相同工作面在有無(wú)斷層條件下以及相同工作面在是否留設(shè)煤柱情況下的覆巖破壞規(guī)律。研究結(jié)果為解決水下采煤遇到的相關(guān)難題奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：覆巖破壞；相似材料模擬；水下采煤

中圖分類(lèi)號(hào)：TD325文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2012）08-0010-02

水體下采煤是在地表或煤層上覆巖層中存在水體情況下如何實(shí)現(xiàn)安全采煤的技術(shù)。正確評(píng)價(jià)水體下采煤的安全合理性，真正掌握水體下安全采煤技術(shù)對(duì)于提高煤炭資源回收率，以及保護(hù)地表水和地下水資源等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通常采礦問(wèn)題研究方法有理論分析、實(shí)際觀測(cè)及模擬實(shí)驗(yàn)三種。模擬實(shí)驗(yàn)與前兩種研究方法相比，其優(yōu)點(diǎn)為:可人為控制和改變?cè)囼?yàn)條件，從而可確定單因素或多因素對(duì)采礦問(wèn)題影響的規(guī)律，試驗(yàn)效應(yīng)直觀清楚，試驗(yàn)周期短、見(jiàn)效快，相似模擬試驗(yàn)的成功關(guān)鍵在于抓住研究問(wèn)題的本質(zhì)，以相似理論為根據(jù)，采用先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度得到極有參考價(jià)值的結(jié)果。本模擬試驗(yàn)以新安礦為原型，采用相似材料模擬方法，研究礦井不同工作面在實(shí)際地質(zhì)和開(kāi)采條件下、相同工作面在不同開(kāi)采方法下、相同工作面在有無(wú)斷層情況下以及相同工作面在是否留設(shè)煤柱情況下的覆巖破壞規(guī)律。

1工程模擬概況

1.1工程概況

新安煤礦于1988年底建成投產(chǎn)，開(kāi)采范圍50.3 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a，主采二疊系山西組二1煤層，煤種為貧瘦煤，設(shè)計(jì)服務(wù)年限83年。當(dāng)小浪底水庫(kù)蓄水達(dá)到設(shè)計(jì)水位高程+275 m時(shí)，新安井田40%面積將位于庫(kù)盆之下，水體下可采煤炭?jī)?chǔ)量高達(dá)8 000萬(wàn)t。蓄水后，煤層頂?shù)装宓闹苯雍烷g接充水層及第四系孔隙含水層都將得到庫(kù)區(qū)地表水常年的補(bǔ)給，庫(kù)區(qū)水可以通過(guò)庫(kù)區(qū)內(nèi)的塌陷區(qū)、廢棄鉆孔、廢棄井筒等通道以灌入式方式進(jìn)入礦井，對(duì)新安煤礦安全開(kāi)采形成極大影響，存在嚴(yán)重的突水危險(xiǎn)，其威脅的嚴(yán)重程度屬?lài)?guó)內(nèi)外罕見(jiàn)。

1.2模擬概述

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)和開(kāi)采條件，模型比例定為200：1，即模型的相似比為200，模型在平面應(yīng)變模型架上進(jìn)行，模型體的尺寸：2.0 m×1.0 m×0.24 m（長(zhǎng)×高×寬），煤層覆巖施加的應(yīng)力采用施加外力荷載補(bǔ)償法來(lái)實(shí)現(xiàn)，模型開(kāi)采的時(shí)間相似系數(shù)為14.14。為調(diào)配適合本次試驗(yàn)研究的相似材料，在取得研究工作面覆巖物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取重晶石粉、石膏、甘油、河砂、澎潤(rùn)土等為模型相似材料，在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室先后進(jìn)行了多次配料的調(diào)配以滿(mǎn)足力學(xué)模型試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的要求，制成11201工作面、14141工作面、14191工作面工程地質(zhì)力學(xué)模型。

2模型開(kāi)采及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律對(duì)比分析

模型開(kāi)采為模擬現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)速度45 m/月，采用模擬推進(jìn)速度21.2 m/d的方法開(kāi)采，模型上的觀測(cè)內(nèi)容包括巖層移動(dòng)的觀測(cè)和覆巖破壞特征的觀測(cè)，通過(guò)每次各個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果相對(duì)于控制點(diǎn)的相對(duì)變化，確定該測(cè)點(diǎn)的位移，對(duì)模型開(kāi)采中的特殊現(xiàn)象進(jìn)行照相、丈量等對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行測(cè)量。并記錄出現(xiàn)的位置與開(kāi)采推進(jìn)距離、時(shí)間之間的關(guān)系。

2.1原始條件開(kāi)采

我們首先以14141工作面的開(kāi)采為例進(jìn)行如下分析和說(shuō)明。整個(gè)14141工作面工程地質(zhì)力學(xué)模型的開(kāi)采過(guò)程中，在采厚一定的情況下，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度隨著推進(jìn)距離的增加而增大，但工作面推進(jìn)到一定距離后，導(dǎo)水裂隙帶不再向上發(fā)展。當(dāng)工作面初次垮落前，覆巖能夠維持較好的穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有較大范圍的巖層垮落，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度也較低，隨著回采的進(jìn)行，當(dāng)工作面推進(jìn)到54 m時(shí)，出現(xiàn)初次來(lái)壓，覆巖急劇垮落，導(dǎo)致冒落帶以及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度迅速增大，此后，冒落帶發(fā)育高度逐漸回落，穩(wěn)定在17～20 m之間。當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，煤層頂板中砂巖及粉砂巖層全部垮落，冒落帶高度達(dá)到最大值21.82 m，此時(shí)的冒采比為5.46。隨著工作面推進(jìn)尺寸的逐步增大，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度也持續(xù)穩(wěn)定增大，裂隙迅速向上擴(kuò)散，并穿透頂板第一泥巖層，當(dāng)推進(jìn)到104 m時(shí)，發(fā)育到最大63.36 m（導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大值滯后于回采工作面72.5 m，按該工作面的實(shí)際推進(jìn)速度1.5 m/d，則該工作面采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙帶高度在開(kāi)采后約48 d發(fā)育到最大），此時(shí)的裂采比為15.84。同時(shí)，在導(dǎo)水裂隙帶上方形成明顯的彎曲變形帶。隨后，隨著推進(jìn)長(zhǎng)度的進(jìn)一步加大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度逐漸回落，并穩(wěn)定在57～60 m之間。

同時(shí)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察到，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育呈“馬鞍型”分布，兩邊略高，中間略低，降低的范圍出現(xiàn)在采空區(qū)中部，與覆巖破壞的理論研究得出的結(jié)果完全吻合，這是由于采空區(qū)邊界受到煤巖壁的支撐，采空區(qū)中部斷裂、垮落的巖層的受壓程度大于采空區(qū)邊界的壓實(shí)程度而造成的。

與此同時(shí)，11201工作面在同樣開(kāi)采方法和推進(jìn)速度的條件下，由觀測(cè)數(shù)據(jù)其得出冒采比和裂采比明顯小于14141工作面。分析兩個(gè)工作面的主要地質(zhì)參數(shù)后得出產(chǎn)生以上結(jié)果的主要影響因素是由于11201工作面的覆巖結(jié)構(gòu)呈軟硬巖互層、且層厚較薄交替明顯的特征。統(tǒng)計(jì)兩工作面覆巖的泥巖比發(fā)現(xiàn)，11201工作面泥巖比為55.8%，14141工作面的泥巖比為33.7%。可見(jiàn)，軟硬互層結(jié)構(gòu)明顯且具有更高泥巖比例的覆巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)不利于導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育。工作面覆巖破壞高度與推進(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)系如圖1、圖2所示。

由于新安礦煤厚變化大，為了研究對(duì)厚煤層進(jìn)行分層開(kāi)采后的覆巖破壞規(guī)律，本研究還根據(jù)新安礦實(shí)際煤層厚度大的特點(diǎn)進(jìn)行了分層模擬開(kāi)采試驗(yàn)。本部分主要選取14141工作面的分層模擬開(kāi)采情況進(jìn)行說(shuō)明。

14141工作面在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際4 m煤厚開(kāi)采后，再進(jìn)行二分層共8 m厚度的開(kāi)采，14141工作面煤層采高為8 m時(shí)，其裂采比為13.08，明顯小于采高為4 m時(shí)的15.84。這說(shuō)明雖然導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與煤層開(kāi)采厚度的關(guān)系最為密切，一般隨著采厚增大，破壞高度也相應(yīng)增加，但隨著煤層采厚的增加，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的增大趨勢(shì)有所減緩。

2.3一次采全高

為了研究特厚煤層一次采全高和分層開(kāi)采分別對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響，本次模擬以14191工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，先后進(jìn)行了分層以及一次采全厚情況下開(kāi)采的覆巖破壞規(guī)律。由觀測(cè)一次采全高和分層開(kāi)采兩種開(kāi)采方式下覆巖破壞的數(shù)據(jù)顯示，在二者總采厚都在9 m的情況下，分層開(kāi)采的冒落帶發(fā)育高度為31.38 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為106.72 m，而在一次采全高的開(kāi)采方式下，冒落帶高度為30.59 m，與分層開(kāi)采基本一致，而導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度則達(dá)到了113.73 m，明顯大于分層開(kāi)采的情況。

2.4斷層影響模擬

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采煤活動(dòng)存在著巨大的影響，為了研究新安礦區(qū)斷層發(fā)育對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的影響程度，以11201工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，新安礦區(qū)90%以上斷層特征為參照對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的斷層影響情況進(jìn)行模擬。

模擬過(guò)程顯示，在斷層上下盤(pán)進(jìn)行開(kāi)采活動(dòng)時(shí)，各留設(shè)不小于20 m的煤柱時(shí)可有效防止覆巖破壞范圍波及到斷層帶，當(dāng)開(kāi)采接近斷層帶時(shí)，覆巖破壞受斷層帶影響強(qiáng)烈，斷層的存在使得覆巖破壞的高度也較無(wú)斷層影響的冒落帶23.77 m，導(dǎo)水裂隙帶68.98 m有明顯的增大：冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度分別達(dá)25.96 m和75.22 m。

同時(shí)，在采動(dòng)過(guò)程中，斷層的上下盤(pán)運(yùn)動(dòng)整體分異明顯：在斷層上盤(pán)進(jìn)行采煤活動(dòng)時(shí)，上盤(pán)呈整體移動(dòng)趨勢(shì)而下盤(pán)移動(dòng)不明顯；在斷層下盤(pán)進(jìn)行采煤活動(dòng)時(shí)，覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律則反之。當(dāng)在上下盤(pán)各留設(shè)不小于20m煤柱時(shí)，上述運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象微弱。

2.5模擬結(jié)果

以11201、14141及14191三個(gè)工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及其物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)先后進(jìn)行了4個(gè)工程地質(zhì)力學(xué)模型的8次模擬開(kāi)采，得出了不同開(kāi)采條件下的覆巖破壞規(guī)律，其不同開(kāi)采條件下的覆巖破壞情況如表1 所示。

3研究展望

期望以此為基礎(chǔ)并結(jié)合實(shí)測(cè)資料及其它的分析研究手段，例如近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的拉格朗日數(shù)值模擬分析研究等，并加強(qiáng)對(duì)不同采煤工藝及狀態(tài)下煤層覆巖破壞的測(cè)試物探，獲得更多的技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行綜合分析對(duì)比，為提高新安煤礦小浪底水體下安全開(kāi)采及頂板水害防治問(wèn)題提供更多的技術(shù)保證，從而為煤礦的高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)服務(wù)。

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