厚煤層綜放開采富水覆巖采動裂隙動態模擬研究?

楊玉亮 李永明 徐祝賀

(山西大同大學煤炭工程學院,山西省大同市,037003)

厚煤層綜放開采富水覆巖采動裂隙動態模擬研究?

楊玉亮 李永明 徐祝賀

(山西大同大學煤炭工程學院,山西省大同市,037003)

以陜西省旬耀礦區水文地質資料為基礎,通過相似模擬試驗研究了綜放開采上覆巖層的運移、周期破斷及裂隙擴展規律。結果表明關鍵層的破斷對覆巖裂隙向上發育起決定作用,在其破斷前一定時期內裂隙發育保持相對穩定;隨著工作面的推進,裂隙發育是動態發展的,采動導水裂隙的演化可分為發展期、貫通期和壓實閉合期3個階段;導水裂隙帶高度擴展到了直羅組上部巖層,并未發育到洛河組砂巖含水層,覆巖破壞高度最大為78.7 m,約為采高的9倍。

厚煤層 綜放開采 富水覆巖 采動裂隙 相似模擬 導水裂隙帶高度

在處理富水覆巖下采煤問題時,主要考慮開采引起的覆巖中裂縫是否會相互連通及相互連通的裂縫是否擴展到水體。針對厚煤層綜放高強度開采過程中富水覆巖采動裂隙貫通造成的突水問題,以旬耀礦區水文地質資料為基礎,通過實驗室相似模擬研究采動裂隙形態及不同開采階段動態分布特征對工作面安全、高產、高效生產有實際意義。前人對采動裂隙形態、規律、發育高度等方面的研究較多,但基于特定地質條件富水含水層下開采時裂隙動態發育及擴展規律研究較少。本文以西川煤礦1109工作面地質條件為依據,對其采動裂隙發育情況進行了研究,為該礦區煤炭開采提供了指導。

1 礦區地層結構及水文地質特征

旬耀礦區位于黃隴侏羅紀煤田中段,礦區內地層由老到新依次為三疊系中統銅川組,三疊系上統胡家村組,侏羅系下統富縣組,侏羅系中統延安組、直羅組,白堊系下統宜君組、洛河組、華池組,新近系上新統保德組及第四系地層。第四系表土厚11.85 m,基巖厚度超過400 m,主要由含礫砂巖、粗砂巖、粉砂巖及中粒砂巖等組成,強度較高。其中主采4#煤層位于侏羅系中統延安組,平均煤厚8.5 m,傾角5°。覆巖中直接充水含水層為洛河砂巖水,間接充水水源為煤層頂板直羅組砂巖裂隙含水層。

(1)白堊系下統洛河組砂巖裂隙含水層(K1l)。該層礦區廣泛分布,厚度200～430 m,巖性以棕紅色中粒砂巖為主,上部為礫巖層,膠結松散,有大型斜層理,在溝谷泉水出露較多,流量0.01～3.4 L/s,水質屬HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Ca·Mg型淡水。

(2)侏羅系中統直羅組下段砂巖裂隙含水層(J2z1)。該層分布廣泛,厚度0～59.33 m,巖性以灰白色中粗粒砂巖為主,底部粒度變粗,局部為含礫粗砂巖。該層在礦區露頭較少,在露頭區有泉水出露,流量0.11～0.78 L/s,礦化度0.446～0.892 g/L,屬HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Na·Mg型水。

其中洛河組砂巖含水層分布廣、厚度大、富水性較強,對礦區煤層的安全開采構成了威脅。

2 試驗方案及模型制作

為了研究厚煤層含水層下綜放開采采動裂隙動態演化過程,對西川煤礦1109工作面進行相似材料模擬試驗。本試驗應該滿足開采過程引起巖體變形和破壞的整個運動過程相似。模型與原型各部分的尺寸按照同樣的比例縮小,模型寬度同時應滿足可使工作面基本達到充分采動,并且不受開采邊界的影響。根據需要模型選用2.5 m×0.2 m×2 m的模型試驗架,采用1∶80的比例。由相似理論確定相似常數。幾何相似常數為80,容重相似常數為1.5,時間相似常數為8.94,位移相似常數為80,強度、彈模、粘結力相似常數為120。

最后算得模型的高度為1500 mm。根據巖樣物理力學參數來確定模型配比參數,見表1。

表1 模型試驗各巖層相似材料配比

模型中可用普通河砂作為骨料,以石膏和碳酸鈣作為膠結材料,云母粉作為分層材料。模型左右各留300 mm煤柱,沿工作面走向每步開挖50 mm,采高為85 mm,間隔應按照時間相似比進行。模型加載采用液壓水袋加載,泵站壓力0.094 MPa。同時用三維攝影測量系統拍照測出各點相對于基準點的位移變化值。

3 試驗結果及分析

3.1 采場上覆巖層垮落裂隙演化特征

(1)隨著工作面不斷向前推進,煤層上方直接頂粉砂巖在推進至36 m時開始出現離層裂隙,工作面開采不斷進行,其上方的橫向裂隙擴張范圍逐漸增大,當推進至40 m時,粉砂巖直接頂突然垮落,垮落高度約為1.5 m,垮落步距為40 m,如圖1(a)所示。

圖1 頂板初次來壓

由于垮落巖層未充滿采空區,上覆巖層出現橫向離層裂隙,工作面繼續推進,直接頂發生多次垮落,并造成采空區老頂懸空現象。當工作面推進至72 m時,老頂達到極限跨距,發生初次垮落,如圖1(b)所示。老頂初次來壓時,因工作面開采范圍較大,冒落巖層很難充滿采空區,從而發生回轉失穩,對工作面及下覆巖層沖擊較大。老頂破斷后,上覆巖層中部出現縱向拉裂隙。此時導水裂隙帶發育高度為14.2 m。

(2)當工作面推進至92 m時,老頂發生第一次周期來壓,來壓步距20 m,煤壁側巖層破斷角為52°。頂板破斷是沿煤壁形成貫通裂隙處開裂,貫通裂隙為上開下閉合狀態。關鍵層及其上方巖層出現明顯裂隙,橫、縱向裂隙導通,如圖2(a)所示。工作面繼續向前推進至100 m時,老頂發生第二次周期來壓,此時上覆巖層中的關鍵層出現橫向裂隙開始彎曲下沉,關鍵層的破斷引起上覆1.8 m厚的泥巖、3.3 m厚的礫巖及5.2 m厚的中粒砂巖同時破斷,呈現關鍵層的承載特性。關鍵層的破斷促使上覆巖層發生離層,導致裂隙繼續向上發育,同時其下方的離層裂隙開始逐漸壓實,只在開切眼及工作面上方仍有明顯離層裂隙,關鍵層的破斷如圖2(b)所示。此時導水裂隙帶發育高度46.2 m。

(3)工作面繼續向前推進至120 m,工作面第三次周期來壓,這時上覆巖層大范圍產生冒落和運移,關鍵層上方垮落巖體形成的離層裂隙在新垮落巖體的壓力作用下逐步閉合。此時水平裂隙繼續向上發育同時縱向裂隙也向前發育,由于冒落巖層基本充填采空區,裂隙雖繼續向上發育,但離層裂隙減小。此時導水裂隙高度為58 m,如圖2(c)所示。工作面向前推進至124 m,工作面第四次周期來壓并伴隨10.6 m厚的中粒砂巖關鍵層破斷,破斷距離大約為36 m。其覆巖的破斷角約為55°,此時關鍵層中粒砂巖破斷導水裂隙發育高度約為64 m。在開切眼和工作面附近有縱向裂隙貫通區,但在采空區中部重新壓實,裂隙基本閉合,如圖2 (d)所示。

(4)工作面向前推進至160 m,模擬試驗結束。如圖3所示,覆巖最終垮落尺寸為最上方長約72 m,左邊斜長96 m,右邊斜長92 m,采動引起覆巖導水裂隙帶發育高度約為78.7 m。垮落帶高度約為28 m,未導通上覆洛河組砂巖。

工作面開采過程中經歷了多次周期來壓,關鍵層也出現了周期性的破斷,形成了較穩定的鉸接結構。隨著工作面不斷向前推進,上覆巖層發生破斷,其后方巖層慢慢壓實,變形逐漸趨于穩定。在工作面停采時,采空區中部導水裂隙基本壓實閉合,導水貫通裂隙僅在工作面及開切眼上方巖層處發育,但已基本趨于穩定,不再向上發展。覆巖破斷裂隙發展主要分為3個階段：開切眼到初次來壓前,基本頂隨著工作面的推進,巖層由彈性形變向塑性形變發展,直到出現裂隙,裂隙密度也不斷增加,到來壓前裂隙密度達到最大值;初次來壓到周期性礦壓顯現,隨著覆巖的垮落,破斷裂隙向較高層位發展,當推進到一定程度時,采空區中部垮落巖層重新壓實,裂隙密度迅速減小;工作面和開切眼附近,由于煤巖體受到支承應力作用,縱向裂隙較發育,且裂隙密度較大。

圖2 老頂周期來壓

圖3 試驗最終巖層垮落形態

3.2 開采過程中上覆巖層垂直位移變化規律

從不同監測點的垂直位移曲線可知,在采場不斷向前推進過程中在關鍵層上布置的測點的垂直位移呈增大趨勢。如圖4所示,在采場向前推進到65 m時,垂直位移開始增大,上覆巖層老頂發生彎曲下沉,當其推進到100 m左右時,垂直位移達到最大值,判斷其上覆關鍵層受到采動影響開始彎曲變形。

圖4 不同監測點的垂直位移變化

4 現場實測

根據1109工作面現場實際情況,沿工作面面長方向上、中、下3個部位布置測區,上部測區布置在93#、94#液壓支架,中部測區布置在49#、50#液壓支架,下部測區布置在6#、7#液壓支架,如圖5所示。采用YHY60(B)礦用本安型數字壓力計自動采集壓力,對工作面來壓進行觀測。

圖5 工作面測線布置示意圖

在1109工作面實際生產過程中,工作面向前推進到70 m左右,液壓支架工作阻力明顯增大, 49#、50#支架工作阻力最大值達到8140 kN,可以判斷此時基本頂初次來壓。工作面不斷向前推進,裂隙不斷向前擴展,每隔20 m左右液壓支架工作阻力有明顯增大趨勢,可以判斷周期來壓步距約為20 m。在整個工作面生產過程中,頂板未出現涌水,由此判斷未導通工作面上覆洛河組砂巖。

5 結論

(1)工作面停采時,裂隙發育比較穩定,采空區中部斷裂帶內導水裂隙已基本壓實閉合,導水貫通裂隙僅在工作面上方及開切眼附近發育。由此說明在工作面走向方向上,隨著工作面的推進,裂隙發育是動態發展的。采動導水裂隙的演化可分為發展期、貫通期和壓實閉合期3個階段。

(2)相似材料模擬研究揭示了采空區覆巖上部巖層裂隙閉合而邊界處裂隙不易閉合的事實。邊界處與采空區中部的導高差還要考慮覆巖破壞狀態及其受力狀態因素。

(3)煤層開采過程中,其覆巖的巖層破斷角約為55°左右,覆巖導水裂隙帶發育高度約為78.7 m,約為采高的9倍。

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(責任編輯 張毅玲)

2020年現代煤化工耗煤量將達1.2億t

日前,在國際環保機構自然資源保護協會(NRDC)的協助下,中國煤控項目在京發布最新研究報告《煤化工產業煤炭消費量控制及其政策研究執行報告》(以下簡稱《報告》)。

《報告》稱,近年來,隨著現代煤化工技術的突破,以及一批示范項目的建設運行,我國煤化工產業規模增長較快,已成為世界上現代煤化工最大生產國。化工用煤整體呈增長態勢,占比不斷提高,預計到2020年,化工用煤將比2015年增長20%左右。

2016年前5個月,其他行業耗煤量多呈下降趨勢,但煤化工逆勢增長6%。究其原因在于煤炭消費量處于下降期,許多地方政府和企業利用用煤價格低,投資現代煤化工行業,為煤炭行業尋找新的生產增長點。現代煤化工的耗煤量從10年前不足幾千萬噸標準煤,如今迅速上升。但是,現代煤化工產業在我國還處于示范階段,還沒有形成真正的產業規模,要先做好示范項目,防止盲目擴張。

據該課題研究,在基準情景下,2050年煤化工整體耗煤量將達到7.8億t標準煤以上,其中現代煤化工煤炭消費量達3.7億t標準煤;而通過施行嚴格的煤控措施,現代煤化工煤炭消費量到2050年可降到2.2億t標準煤左右,降低煤耗40%左右。而從煤炭消費的中長期情景預測來看,現代煤化工的耗煤量到2020年將達1.2億t標準煤,2050年將達2.2億t標準煤。煤化工行業在總煤耗的占比將在2020年上升到5%～6%,2050年將會占到23%～24%。因此,化工產業煤炭消費增量不可小覷。要控制中國的煤炭消費總量,控制化工用煤總量是重要途徑之一。

Simulation study on dynamic mining-induced fractures in overlying stratum with rich water above fully mechanized caving face in thick seam

Yang Yuliang,Li Yongming,Xu Zhuhe
(School of Coal Engineering,Datong University,Datong,Shanxi 037003,China)

Based on hydrogeology data of Xunyao mining area in Shaanxi province,the movement,periodic breaking and fracture propagation rules of overlying stratum in fully mechanized caving face were studied by similar simulation tests.The results showed that the upward developing of the fractures were determined by the breaking of key stratum,and before that,the fracture development kept relatively stable in a certain time;the fractures were developing dynamically along with the working face advance,and the evolution of mining-induced water flowing fracture divided into three stages,developing period,break-through period and compaction closing period;the water flowing fractured zone reached upper stratum of Zhiluo Formation,but didn＇t reach the sandstone acquire of Luohe Formation,the height of overlying stratum failure was up to 78.7 m,about 9 times of mining height.

high seam,fully mechanized caving mining,overlying stratum with rich water, mining-induced fracture,similar simulation,height of water flowing fractured zone

TD821

A

楊玉亮(1988-),男,山西朔州人,助教,碩士,2014年畢業于中國礦業大學。主要從事采礦專業教學和礦山壓力控制方面的教學與研究工作。

大同大學2015年度青年科研基金項目(2015Q8)