陷落柱突水三維大型模擬實驗研究

張文忠

(1.中煤科工集團西安研究院 水文地質研究所,西安 710054;2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室,西安 710077)

陷落柱突水三維大型模擬實驗研究

張文忠1,2

(1.中煤科工集團西安研究院 水文地質研究所,西安 710054;2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室,西安 710077)

為了深入研究陷落柱突水過程，確定具體的突水通道和臨界突水水壓,針對駱駝山煤礦16號煤回風大巷掘進導致陷落柱突水,設計了三維大型模擬實驗模型,再現了駱駝山煤礦陷落柱突水的過程。研究得出，回風大巷掘進工作面臨界突水水壓為0.6 MPa,突水通道位于陷落柱和巷道迎頭處之間,推翻了原來技術人員推測的16煤回風大巷底鼓處的結論。本研究成果可為今后開展陷落柱突水機理實驗研究提供技術支撐。

陷落柱;突水;三維模擬實驗;隔水層

陷落柱突水三維大型實驗研究,由于技術難度大,因此國內外在該方面的研究尚屬空白。有關陷落柱突水的研究,多集中在陷落柱的發(fā)育特征[1]、陷落柱突水力學模型[2]以及突水災害治理[3]等方面。筆者利用中煤科工集團西安研究院最新研制的礦井突水三維相似模擬實驗平臺,以駱駝山煤礦2010年3月發(fā)生的陷落柱突水為實驗對象展開研究。根據前期技術人員研究及后期治理過程中的探查[4],對陷落柱臨界突水水壓和突水通道尚存在爭議。在對駱駝山煤礦16號煤回風大巷地質、水文地質條件及陷落柱形態(tài)分析的基礎上,為解決存在爭議的問題,利用該實驗系統平臺對陷落柱突水過程進行模擬實驗研究,再現了駱駝山煤礦發(fā)生的陷落柱突水狀況,獲得了陷落柱臨界突水水壓及突水點位置。本研究技術成果可為今后開展陷落柱突水機理的實驗研究提供技術支撐。

1 地質條件分析

選取神華烏海能源有限責任公司駱駝山煤礦地質原型作為分析研究對象,模擬2010年3月1日發(fā)生在16號煤+870水平回風大巷掘進工作面的突水。

駱駝山煤礦屬基建礦井,斜井-立井開拓,有主、副、風井3個井口，分兩個水平(+920，+870)。2010年3月1日7：29，16煤+870水平回風大巷掘進工作面涌水突然增大；至8：40,突水量達76 000 m3,此時段平均涌水量為65 000 m3/h。由于突水量遠遠大于礦井排水能力,導致礦井被淹。突水水源為奧陶系石灰?guī)r巖溶含水層。

根據水文地質補充勘探L01和L02號鉆孔，對石灰?guī)r含水層進行的抽水試驗:含水層厚度20.04～26.62 m,平均23.33 m；地下水位標高1 259.21～1 269.49 m；涌水量Q=0.029 1～0.031 1 L/s,單位涌水量q=0.000 480～0.000 512 L/s·m;滲透系數K=1.62～2.05 mm/d。由此可知,含水層的富水性弱,巖溶裂隙不發(fā)育,透水性與導水性能差,地下水的水質較差。16號煤回風大巷底板承受奧灰水壓4.1 MPa左右,井田內距突水點200 m的L01孔16煤下距奧灰33 m。

根據后期治理勘探研究分析,可知陷落柱形態(tài)詳見陷落柱推測平面、剖面示意圖1和圖2。在突水點附近施工的T1鉆孔,可知突水點附近鉆孔揭露的地層結構詳見圖3所示。16煤回風大巷凈斷面積17.8 m2,凈寬5 m,凈高3.56；掘進斷面積19 m2,寬5.2 m,高3.66 m;地層物理力學性質參數[5]詳見表1所示。

由圖1和圖2可知,突水構造為正在發(fā)育的小型奧灰導水巖溶陷落柱。該陷落柱有2個高點,稱為主溶洞和次溶洞,一個在巷道迎頭前方,隱伏于16煤層之下,該高點在奧灰頂界面處陷落柱長軸不大于10 m,但陷落柱四周導水裂隙非常發(fā)育。

圖1 陷落柱推測平面示意圖

圖2 陷落柱推測剖面示意圖

表1 地層物理力學特性參數

Table 1 Parameters of property for Stratum

層號巖性厚度/m抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa天然容重/(g·cm-3)彈性模量/GPa1泥巖2415.61.42.5210.9216號煤7.810.41.01.4110.03粉砂巖16.258.74.22.556.424泥巖17.815.61.42.5210.95奧陶系灰?guī)r1035.01.832.7444.2

圖3 T1孔地層結構圖

2 模型參數設定及測點布設

在高度2 m,直徑2 m的圓柱形礦井突水三維相似模擬實驗平臺上,開展陷落柱突水三維大型模擬實驗,實驗平臺詳見圖4。該實驗平臺據調查尺寸在國內最大。

圖4 礦井突水三維相似模擬實驗平臺

2.1 相似參數

根據模擬對象特征以及礦井突水三維相似模擬實驗平臺尺寸,實驗選取幾何相似比為1∶100；相似條件[6]包括幾何相似,采動巖土體變形和破壞過程的本構相似,單值條件相似以及由無因次參數所確定的相似準則。這些相似條件由與采動巖土體變形破壞過程有關的物理力學參數、幾何尺寸 、容重、運動時間t、運動速度、重力加速度g、巖土層性質(強度，彈模E，粘結力c，內摩擦角，等)及作用力f給出(參數下標p表示原型,下標 m表示模型):

幾何相似條件:

重力相似條件:

重力加速度相似條件:

時間相似條件:

速度相似條件:

位移相似條件:

彈模、粘結力相似條件:

內摩擦角、泊松比相似條件:

αφ=αμ=1 ；

應變與原型相等,

αε=1 ；

作用力相似條件:

2.2 相似材料配比

基巖相似材料研究目前已基本成熟,在存在“地下水-地層”的固液[7]兩相相似模擬實驗中,隔水層相似材料的選取是實驗成功的基礎與前提。為了更好地完成模擬實驗,專門配制了隔水層相似材料[8],通過調整材料配比,隔水層相似材料的滲透性能完全滿足試驗要求,隔水層相似材料滲透性詳見圖5所示。

圖5 潤滑脂石蠟質量比與滲透系數的關系

由圖5知,當潤滑脂與石蠟質量比為19∶1時,隨著重鈣粉含量的增加,材料的滲透性主要由重鈣粉體現;隨著潤滑脂與石蠟質量比減少,石蠟對滲透性的影響逐漸增大;當潤滑脂與石蠟質量比達到一定程度,滲透性能也趨于穩(wěn)定；當膠結劑的質量比達到8∶1和6∶1時,其對滲透性能的影響程度已不是很大,且滲透非常低。

根據圖3及表1內地層賦存情況及地層物理力學特征參數,選取相應的相似材料配比參數,如表2所示。

表2 相似材料配比參數Table 1 Ratio parameters of similar materials kg/cm3

2.3 測點布設

測點布設的目的是監(jiān)測發(fā)生突水時的巷道底板水壓變化情況,試驗共埋設傳感器40個(水壓傳感器9個,土壓傳感器31個)。模擬實驗過程中傳感器埋設情況詳見圖6所示。埋設方式如下。

1) 在距巷道頂端25cm及12.5cm巷道正下方處和巷道頂端,每隔1cm布設一個傳感器,共計4層。

2) 陷落柱主溶洞頂端水壓傳感器編號為2384;主溶洞與16號煤回風巷迎頭延長線交叉處水壓傳感器編號為2385;陷落柱次溶洞頂端水壓傳感器編號為2576。傳感器布設平面圖詳見圖6所示。

圖6 傳感器布設平面圖

3 實驗結論及分析

3.1 16號煤回風巷涌水量變化情況

實驗模型按照設計鋪裝完畢后,首先調試監(jiān)測儀器,再進行16號煤回風巷道的掘進模擬。實驗模型全景如圖7所示。

實驗開始時間08:40;實驗結束時間10:50;模型圍壓及軸壓開始加壓時間08:40;模型壓力穩(wěn)定時間09:00;模型開始加水壓時間09:12。

圖7 模型全景圖

當模擬實驗進行到上午09:46時,16號煤回風巷出現一定流量的滲水,出水量隨水壓和時間的關系詳見表3所示。

由表3中數據可知,當水壓為0.004MPa時,16號煤回風巷出現滲水;當將水壓加到0.026MPa時,出水量出現了較大幅度的增加。分析原因，一方面是水壓增大導致壓差增大；另一方面在高水壓的作用下,陷落柱和巷道之間的煤巖層遭到破壞,形成突水通道,突水量增大。

表3 突水量與時間及水壓的關系Table 3 Relationship between waterinrush field,time & water pressure

3.2 應力與水壓傳感器變化情況

模型頂壓按照T1鉆孔地層揭露情況以及相似理論,經計算模型頂壓需加載至0.04MPa；按照地層地應力分布情況模型圍壓需加載至0.07MPa；水壓按照每半小時增加0.002MPa進行加載。

圖8 壓力傳感器數據歷時曲線

2545壓力傳感器埋設在16號煤回風巷下部5m處(詳見傳感器布設平面圖6)。由圖8可知,壓力傳感器在頂壓加載時(08:40)變化較大;當壓力加載穩(wěn)定,16號煤回風巷道出現滲水時(09:46),由于一部分應力的突然釋放,導致數值減少,2545土壓傳感器數據歷時曲線反映了實驗從頂壓加載、穩(wěn)定到16號煤回風巷道出現滲水的整個過程。

圖9 2574水壓傳感器數據歷時曲線

2385水壓傳感器埋設在主溶洞與16號煤回風巷迎頭延長線交叉處(詳見傳感器布設平面圖6)。從16號煤回風巷道出現突水時(09:46),2385水壓傳感器監(jiān)測的水壓值急劇下降,2385水壓傳感器數據歷時曲線反應了從水壓加載、水壓穩(wěn)定到到16號煤回風巷道出現突水的變化歷程，如圖9所示。

3.3 實驗結果

根據水量、應力及水壓監(jiān)測情況,可知16號煤回風巷道突水時間為09:46，突水水壓為0.004MPa,換算成實際水壓為0.6MPa。此外，根據不同地方埋設的水壓傳感器監(jiān)測數據變化情況,可推測出突水點位于陷落柱和巷道迎頭處,并不是在巷道底鼓處。

模擬實驗完成后,將模型切除1/4,可看到模型內突水通道,詳見圖10所示。

由上述分析可知,隨著16號煤回風巷道的不斷掘進,回風巷道與陷落柱之間隔水層厚度不斷減少。當回風巷道與陷落柱之間隔水層厚度減少至5m時,形成了突水,此時突水系數已經達到0.8MPa/m。

4 結論

陷落柱突水大型三維模擬實驗是開展陷落柱突水防治研究的一種重要技術手段。筆者以駱駝山煤礦2010年3月發(fā)生的陷落柱突水為實驗對象,利用中煤科工集團西安研究院最新研制的礦井突水三維相似模擬實驗平臺,針對存在爭議的陷落柱臨界突水水壓和突水通道,設計開展了陷落柱突水大型三維模擬實驗。

圖10 模型中突水通道位置

實驗再現了陷落柱突水過程,根據實驗現象的分析和后期切開模型的情況顯示,得到了陷落柱臨界突水水壓和突水通道位置。實驗研究數據可為今后開展陷落柱突水機理實驗研究提供技術支撐,并可為同行在設計、建造實驗平臺及開展該類實驗提供參考。

[1] 賀志宏.雙柳煤礦陷落柱發(fā)育特征及突水機理研究[D].北京:中國礦業(yè)大學,2012.

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[3] 南生輝,蔣勤明,郭曉山,等.導水巖溶陷落柱堵水塞建造技術[J].煤田地質與勘探,2008,36(4):29-33.

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[5] 王世東,朱開鵬,姚珂君,等.駱駝山煤礦奧灰水文地質補充勘探報告[R].西安：中煤科工集團西安研究院，2011:110-111.

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[7] 龔召熊.地質力學模型材料試驗研究[J].長江水利水電科學研究院院報,1984,10(1):32-46.

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(編輯：龐富祥)

Three-dimension large-scale Simulation ExperimentalResearch on Water Inrush of Collapse Column

ZHANG Wenzhong1,2

(1.DepartmentofEnergyScienceandEngineering,Xi′anUniversityofScienceandTechnology,Xi′an710054,China;

2.ShaanxiProvinceKeyLaboratoryofCoalMineWaterDisasterPreventionandControlTechnology,Xi′an710077,China)

In order to study the process,channel and pressure of water inrush,we carried out the 3D large-scale simulation experiment research,reappeared water inrush of collapse column.The critical water inrush pressure is 0.6 MPa.The position of water inrush of collapse column is at the juncture of roadway and collapse column,and not at the floor heave of air return roadway.This research provides technical support for experimental research on mechanism of water inrush of collapse column in future,and the results can provide experimental data for research on water inrush mechanism of collapse.

collapse column;water inrush;three-dimensional simulation experiment;aquiclude

1007-9432(2015)06-0685-06

2014-03-18

十二五國家科技支撐計劃課題資助：煤礦水害隱患探查與防治關鍵技術及示范(2012BAK04B04)

張文忠(1980-)，男，河南人，博士，主要從事礦井水害防治方面的研究工作，(E-mail)zhangwenzhong@cctegxian.com， (tel)13891910020

TD745

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.010