承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律的实验研究.pdf

第 28 卷 第 2 期 岩石力学与工程学报 Vol.28 No.2 2009 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2009 收稿日期收稿日期2008–10–06；修回日期修回日期2008–12–12 基金项目基金项目国家重点基础研究发展计划973项目2007CB209400；国家自然科学基金资助项目50574090，50874103；国家自然科学基金重点项目 50634050；高等学校学科创新引智计划资助B07028 作者简介作者简介冯梅梅1979–，女，博士，2002 年毕业于山东科技大学机电工程专业，现任讲师，主要从事岩石力学及工程方面的教学与研究工作。 E-mailfm7906 承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化 规律的试验研究规律的试验研究 冯梅梅 1，2，茅献彪1，2，白海波2，王 鹏1 1. 中国矿业大学 理学院，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008 摘要摘要奥陶系岩溶水是我国华北矿区煤矿安全生产的一大隐患，而带压开采是开采受底板突水威胁的煤层的有效 方法之一。为深入分析承压水上煤层底板突水的危险性，自主设计煤层底板承压水水压加载系统，实现采用压力 水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟；分析底板隔水岩层的变形及破坏特征，得到底板隔水层的裂隙产生、 发育直至导水通道形成规律。研究结果可为揭示承压水底板突水的力学机制提供参考。 关键词关键词采矿工程；底板突水；带压开采；物理模拟；导水通道；力学机制；隔水层 中图分类号中图分类号TD 163 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200902–0336–06 EXPERIMENTAL RESEARCH ON FRACTURE EVOLUTION LAW OF WATER-RESISTING STRATA IN COAL SEAM FLOOR ABOVE AQUIFER FENG Meimei1 ，2，MAO Xianbiao1，2，BAI Haibo2，WANG Peng1 1. School of Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China； 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Xuzhou，Jiangsu 221008，China AbstractThe Ordovician karst water is one of the hazards in the safe mining in North China. Mining above aquifer is one of the effective s，which is used to exploit the coal seam threatened by water-inrush from floor. In order to analyze the water inrush risk from coal seam floor above aquifer， a water pressure loading system of the confined aquifer on coal seam floor is self-developed to realize the physical simulation of the confined aquifer acting on the aquifuge in floor using pressure water bags. The deation and failure characteristics of aquifuge in floor are analyzed to obtain the rules of the fractures of floor developing，extending and running through each other. And then，the water-inrush passageway will be ed. The research results can provide references to the mechanical mechanism of water-inrush from floor. Key words mining engineering； water inrush from floor； mining above aquifer； physical simulation； water inrush passageway；mechanical mechanism；aquifuge 1 引引 言言 随着矿井开采深度的不断加大，煤层底板奥陶 纪灰岩高承压水的危害日趋加剧[1 ～5]。华北石炭二 叠系煤田是我国重要的产煤矿区之一，上部煤层近 乎枯竭，因而许多矿井纷纷转入下组煤开采阶段。 下组煤位于含水丰富的奥灰含水层或太原组灰岩 第 28 卷 第 2 期 冯梅梅，等. 承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律的试验研究 337 含水层上部，底板隔水层厚度仅为 30～100 m，受 底板突水威胁较为严重。长期以来，国内众多学 者[6 ～20]一直致力于底板突水机制这方面的研究工 作。目前，开采受底板奥灰承压水威胁的煤层，主 要采用 2 种方法一是疏降强排，二是带压开采。 带压开采具有成本低、对环境危害小、可实现对水 资源的保护等优点，但由此带来的底板突水危险性 也随之加大。 由于底板突水过程的隐蔽性和复杂性，人们很 难深入细致了解底板突水的破坏过程及特征。采用 物理模拟试验，对带压开采底板突水过程进行研 究，以探讨底板隔水层裂隙生长、发育、贯通，并 最终形成导水通道的动态过程，揭示底板突水的力 学机制，为承压水上安全开采方案设计及突水事故 的预测提供参考。 2 模拟试验系统设计模拟试验系统设计 试验采用自行设计的底板突水危险性物理模拟 试验系统。试验设备主要包括1 130 cm12 cm 140 cm长宽高的二维模拟试验台；2 自制承 压水模拟加载系统见图 1，包括加压槽、水袋、水 箱、液压泵及水压控制调节装置等；3 数据采集 系统。 图 1 承压水加载系统 Fig.1 Loading system of confined aquifer 如图 2 所示，将加压槽固定于二维试验台上， 并将水袋置于加压槽内，水袋上面均匀铺设一层宽 1.5 cm的钢片以保证水压力的传递，钢片上方铺设 模型，并将位移传感器和压力盒分别埋设在底板隔 水层上部的第 1，2 层，引线与数据采集系统相连， 以检测底板位移和应力变化见图 3；覆岩载荷通 过千斤顶施加在模型顶部，并通过测试系统实时监 测，以保证近似恒压q 0.05 MPa。将试验模 图 2 试验模型及测试系统 Fig.2 Test model and testing instrument 图 3 测点布置简图 Fig.3 Layout of measuring points 型、承压水加载系统、覆岩加载系统及数据采集系 统相连，并确定无误，给水袋注水加压，使承压水 的水压力保持P 0.03 MPa 不变。这样，其边界条 件为试验模型上部是均布载荷 q 作用，两侧及底 部为固定端约束。 3 试验方案及步骤试验方案及步骤 试验旨在分析承压水上开采煤层底板隔水层裂 隙演化规律及导水通道的形成机制，以常见的软、 硬岩层组成的底板隔水层为例[21]，试验岩性材料主 要力学性能参数见表 1。试验中，取几何相似比 l C 1∶200，容重相似比Cγ1∶1.6，则应力相似 比 pl CCCγ1∶320。设置相似模型的尺寸为 130 cm12 cm60 cm；这里模拟的采场埋深为 600 m， 煤层厚度为 3 m；煤层下面为 30 m的隔水层，由 2 层软岩层和 3 层硬岩层复合而成，每层岩层的厚度 分别为 6 m；隔水层下方是灰岩含水层。模型制作 好后须养护 4～5 d 方可达到试验强度要求，准备工 作就绪后，即可进入模拟开采阶段。开切眼位于模 型右侧距离模型边界 30 cm。共设 10 个开挖步，前 4 步每次开挖 10 cm，隔 30 min 开挖一次；后 6 步 每次开挖 5 cm， 每隔 60 min 开挖一次， 模型中每开 挖 5 cm相当于工作面推进 10 m。 试验台 试验模型 加压槽 数据采集系统 承压水加载系统 338 岩石力学与工程学报 2009 年 表 1 试验岩层材料配比及物理力学性能参数 Table 1 Material ratios of test strata and physico-mechanical parameters 单轴抗压强度/MPa 岩层名称 模拟厚 度/m 模型厚度 /cm 模拟材料 配比号 模拟岩层 模型材料 部分覆 岩层 35 17.5 655 40 0.125 砂岩 50 25.0 555 45 0.141 顶板 泥岩 2 1.0 673 25 0.078 工作面 煤层 3 1.5 755 20 0.063 泥岩 6 3.0 673 25 0.078 细砂岩 6 3.0 555 45 0.141 细砂岩 6 3.0 555 45 0.141 细砂岩 6 3.0 555 45 0.141 底板 泥岩 6 3.0 673 25 0.078 注模拟材料配比号是指砂子、CaCO3和石膏之间的比例，具体见 有关研究结果[22]。 4 试验结果及分析试验结果及分析 4.1 煤层底板变形及破坏特征煤层底板变形及破坏特征 图 4，5 分别为底板隔水层的垂直位移和垂直 应力分布。从图 4 可以看出，工作面开采初期底板 最大垂直位移v较小， 随着工作面的推进， 逐渐增 图 4 底板隔水层最大垂直位移变化曲线 Fig.4 Curves of variation of maximum vertical displacement of aquifuge in floor 图 5 底板隔水层垂直应力变化曲线 Fig.5 Curves of variation of vertical stress of aquifuge in floor 大，而底臌的最大点向前推移，当工作面推进到 80 m时，v 增加到 356 mm，此时，底板隔水层上部 底臌程度加剧；当工作面推进 100 m时，v 急剧增大 到 1 100 mm，此时底板隔水层失稳破坏。 由图 5 可知，工作面推进过程中，采空区前方 底板隔水层是不断压–拉–压–拉向前交替变化的 过程，随着采空区范围的不断增大，原来工作面前 方的峰值区不断被卸压，采空区底板上部中间附近 在拉应力作用下局部破坏，但下部则在压应力作用 下仍然保持完整。而采空区底板两端隔水层上部由 于压剪作用产生采动裂隙；下部则在含水层承压水 作用下，由于拉剪作用而产生递进导升裂隙。随着 新的应力峰值区不断增大，采空区底板隔水层两侧 的裂隙发育范围不断增大。 4.2 煤层底板导水通道形成过程煤层底板导水通道形成过程 图 6～10 反映了煤层底板导水通道的形成过 程。当工作面推进 40 m 时，采空区底板开始出现 底臌且有微裂隙产生见图 6；当工作面推进到 60 m 时，底臌现象更加明显，采空区底板中部裂隙向深 部扩展见图 7。当工作面推进到 80 m时，底臌此 时加剧，采空区底板中部裂隙宽度增大，并延伸到 10 m，而开切眼底板弱面裂隙已经延伸到 15 m处， 并且部分岩层内裂隙开始贯通，煤壁附近出现弱面 裂隙见图 8。当工作面继续向前推进到 90 m时见 图 9，底板开切眼处采空区底板及煤壁附近底板岩 层之间裂隙开始部分贯通，裂隙较发育，达到了 20 m，且隔水层底部出现了导升裂隙，但底板隔水 层还没有完全失稳，裂隙没有完全贯通，没有形成 导水通道，仍具有一定的阻隔水特性。 a 煤壁附近 b 采空区中部 －200 0 200 400 600 800 1 000 1 200 0 20 40 6080 100 120 140 距离开切眼的距离L/m 底板最大垂直位移 v/mm 20 m 40 m 60 m 80 m 100 m －35 －28 －21 －14 －7 0 7 －20 0 20 40 6080 100 120 140 160 距离开切眼的距离L/m 底板隔水层垂直应力σy /MPa 20 m 40 m 60 m 80 m 100 m 裂隙 第 28 卷 第 2 期 冯梅梅，等. 承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律的试验研究 339 c 开切眼附近 图 6 采场推进 40 m 时底板隔水层裂隙分布 Fig.6 Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing to 40 m a 煤壁附近 b 采空区中部 c 开切眼附近 图 7 采场推进 60 m 时底板隔水层裂隙分布 Fig.7 Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing to 60 m a 煤壁附近 b 采空区中部 c 开切眼附近 图 8 采场推进 80 m 时底板隔水层裂隙分布 Fig.8 Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing to 80 m a 煤壁附近 b 采空区中部 c 开切眼附近 图 9 采场推进 90 m 时底板隔水层裂隙分布 Fig.9 Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing to 90 m 裂隙裂隙 裂隙 裂隙 裂隙 裂隙 裂隙 裂隙 裂隙 340 岩石力学与工程学报 2009 年 当工作面推进到 100 m时，底臌急剧增大，底板采 动裂隙带与导升裂隙带相互贯通，底板隔水层失 稳，形成导水通道，引发底板突水，如图 10 所示。 a 煤壁附近 b 采空区中部 c 开切眼附近 图 10 采场推进 100 m 时底板隔水层裂隙分布 Fig.10 Cracks distribution of aquifuge in floor when working face advancing to 100 m 由此可见，随着工作面的推进，采空区范围的 加大，采空区底板隔水层上部被卸压，其两端上部 处于支承压力区内，主要受到压剪作用而产生采动 裂隙带；采空区底板隔水层下部则在含水层承压水 作用下，其两端主要受到拉剪作用而产生递进导升 裂隙带，最终两带相连，形成导水通道，引发突水。 5 结结 论论 1 自主设计了煤层底板承压水水压加载系 统，实现了采用压力水袋对底板隔水层的承压水作 用的物理模拟。 2 实验结果表明，采空区底板两端容易形成 导水通道。事实上，随着工作面的推进，采空区范 围的加大，采空区底板隔水层上部被卸压，其两端 上部处于支承压力区内，主要受到压剪作用而产生 采动裂隙带；采空区底板隔水层下部则在含水层承 压水作用下，其两端主要受到拉剪作用而产生递进 导升裂隙带，最终两带相连，形成导水通道，引发 突水。 3 采场底板突水过程实质上是采动矿压和承 压水水压共同作用下底板隔水层裂隙生长、发育、 扩展和贯通，并最终形成导水通道的动态过程。 参考文献参考文献References [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，2003，324343–347.QIAN Minggao，XU Jialin，MIAO Xiexing. 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