带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究.pdf

第24卷 第23期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.23 2005 年 12 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2005 收稿日期收稿日期 2005–07–05；修回日期修回日期2005–09–21 基金项目基金项目 国家自然科学基金资助项目50434020；太原理工大学基金资助项目 作者简介作者简介 弓培林1966–， 男， 1987 年毕业于山西矿业学院采矿工程专业， 现任副教授， 主要从事岩石力学、 采矿工程方面的教学与研究工作。 E-mail plgong。 带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究 弓培林，胡耀青，赵阳升，杨 栋 太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024 摘要摘要提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固–流耦合相似配比，研制了三 维固–流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大 型三维固–流耦合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点 讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分 析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。 关键词关键词采矿工程；固–流耦合；模拟研究；带压开采；底板变形破坏 中图分类号中图分类号TD 322 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200523–4396–07 THREE-DIMENSIONAL SIMULATION STUDY ON LAW OF DEATION AND BREAKAGE OF COAL FLOOR ON MINING ABOVE AQUIFER GONG Pei-lin，HU Yao-qing，ZHAO Yang-sheng，YANG Dong Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China AbstractThe similarity theory on coupling of solid and liquid is put forward；and a part of type simulation material has been made. The similarity modeling resemble simulation experiment equipment of 3D coupling on solid and liquid is originated； and the loading system， testing system， mining system， flow area simulation and its testing system have been perfected. Then，using the 3D solid-liquid coupling simulation bedstead，the law for deation and breakage of coal floor on mining above aquifer of Dongshan Colliery， Taiyuan， has been studied. The law of deation and the breakage of coal floor vary with coal mining are discussed. The stress and deation of coal floor are changed dynamically. And the varying frequency， the range of stress and deation have been analyzed. It provides theoretical foundation for coal mining above aquifer. Key wordsmining engineering；solid-liquid coupling；simulation study；coal mining above aquifer；law of deation and breakage 1 引引 言言 随着矿井开采深度的延伸，采场底板突水日趋 严重，给矿井的生产带来巨大的经济损失和人员伤 亡。多年来，矿业工作者一直致力于这方面的研究 工作[1 ～12]，但因我国地质条件复杂， 开采方法各异， 目前尚没有成熟的理论用于指导承压水上开采。采 场底板变形与破坏是底板突水的重要影响因素，相 似模拟试验则是研究该课题的重要途径之一。由于 固–流耦合问题的复杂性，以往的研究往往做不到 渗流模拟，仅采用柔性加载模拟水压力的外力等效 性[13 ，14]。目前，尚未见到相关的渗流相似理论及渗 流相似模拟试验研究成果。为此，本文设计了大型 第 24 卷 第 23 期 弓培林等. 带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究 4397 三维固–流耦合模拟试验台，研制了固–流耦合模 拟材料及系统，初步研究了带压开采的底板变形破 坏规律。 2 试验设备试验设备 本试验采用大型三维固–流耦合模拟试验台， 其外形尺寸 3 m2 m2 m长宽高，轴向加载 力 1 200 t，由 6 个 150 t 的油缸组成，通过电动泵、 手动泵及稳压装置供给油压。由于侧压系统还不够 完善，仅采用侧向约束产生侧向力。自制了多点位 移测试系统及简易联合刨煤机，本试验台最大特点 是架型大，除常规的三维模拟外，还可模拟不同含 水层的变化规律，属国内外首创，其外形及测试系 统见图 1，2。 图 1 三维固–流耦合模拟试验台 Fig.1 3D solid-liquid coupling simulation test stand 图 2 多点位移及水位测试系统 Fig.2 Multi-point displacement and water level testing system 3 试验方案试验方案 本试验以太原市东山煤矿一采区带压开采为 例，开采水平为450～650 m，盖山厚度为 400～ 450 m，平均 425 m，以 F10断层分为左、右 2 部分。 本试验模拟其左翼， 即560～650 m 水平， 见图 3， 其顶底板柱状岩性见表 1。从下向上模拟 3 个工作 面，其工作面长度分别为 60，80，100 m，模拟断 层 1 条， 采用 1∶100 的相似比。 本试验的难点是相 似材料配比，因除满足常规的相似比之外，还必须 满足渗透性相似。 图 3 一采区左翼示意图单位m Fig.3 Right wing of first coal mining areaunitm 3.1 固–流耦合相似理论固–流耦合相似理论 采用均质连续介质的固–流耦合数学模型 W t e t p S z p K y p K x p K ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 1 0 jiiij pF ，， ασ 2 式中K 为渗透系数，S 为贮水系数，W 为源汇项， α为有效应力系数。 上述方程对原型′ 及模型″ 均适用，设 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ′ ′′ ′ ′′′ ′′ ′ ′′′ ′′ ′ ′′′ ′′ ′ ′′′ ′′ ′ ′′′ ′′ αα ρρ λλ α ργ λ C pCptCt CXCX uCueCe CxCx ECEGCG pt ue l EG ， ， ， ， ， 3 1工作面 2工作面 3工作面 600 620 600 580 560 540 520 540 4398 岩石力学与工程学报 2005年 表表 1 顶、底板岩性表顶、底板岩性表 Table 1 Rock characters of coal roof and floor 地层单位 厚度/m 累计深度/m 岩性 11.50 200.00 互砂岩 6.70 188.50 细砂岩 8.40 181.80 粗砂岩 4.30 173.40 页岩 8.90 169.10 中砂岩 3.80 160.20 页岩 4.10 156.40 砂质泥岩 4.70 152.30 泥岩 11.90 147.60 粉砂岩互层 3.00 135.70 细砂岩 10.98 132.70 粗砂岩 5.23 121.70 粉砂岩 3.00 116.50 细砂岩 2.39 113.50 砂页岩 2.80 111.10 页岩 7.65 108.30 中砂岩 3.82 100.69 页岩 1.09 97.87 L2 灰岩 5.80 95.78 砂页岩 3.30 89.98 细砂岩 3.48 87.68 页岩 山 西 组 3.43 83.20 L1 灰岩 6.00 76.77 煤 4.40 72.77 泥岩 1.40 68.37 细砂岩 1.37 66.97 粉砂岩 6.11 65.42 细砂岩 1.70 59.31 粗砂岩 3.61 57.61 石灰岩 4.77 55.00 粉砂岩 5.53 49.23 铝质泥岩 6.70 43.70 粉砂岩 5.75 37.00 细砂岩 石碳系上 统太原组 4.55 31.25 粗砂岩 3.50 26.70 泥岩 2.40 23.20 泥灰岩 2.70 21.80 石灰岩 4.10 19.10 泥岩 4.50 15.00 细砂岩 3.00 10.50 粉砂岩 石碳系 中统本 溪组 1.50 7.50 铝质泥岩 3.00 6.00 石灰岩 1.00 3.00 隔水层 峰峰组 2.00 2.00 底基 式中 γ C为体积力的相似比， l C为几何相似比。 经推导，可得出常规相似比及渗流相似比。渗 流相似比结果如下 1 水压力相似 lrpCCC 2 源汇项相似 lWCC1 3 贮水系数相似 lrSCCC1 4 渗透系数相似 rlKCCC 3.2 固–流耦合相似材料固–流耦合相似材料 对底板典型的岩层进行了固–流耦合作用下相 似材料的配比试验，主要材料为水泥、砂子、石子、 石膏、滑石粉等，对于软弱隔水层，如铝土泥岩， 采用红胶泥模拟。试件做成φ 50 mm100 mm 的圆 柱试件，分别进行强度及渗透性试验，直到选出合 理的配比为止配比表略。 4 测试方案测试方案 在煤层顶板、底板埋设压力、水压传感器，以 测定煤层顶、底板的应力及水位的变化规律。在工 作面的不同方位、 不同深度埋设压力盒见图 4， 1～ 20距煤层底板 10 m，1′ ～20′ 距底板 20 m，1″ ～ 20″ 距底板 30 m及位移传动装置见图 5，1～20 距煤层底板 5 m，1′ ～20′距底板 10 m，1″～ 20″ 距底板 15 m，1′ ′ ′～20′ ′ ′ 距底板 20 m，测定 底板的应力及其位移随采动的变化规律。水位观测 系统由铜管直接插入底板含水层，然后用软管引 出，通过测量软管的水位高度来反映底板含水层水 位的变化，采用稳压装置保持含水层的水位。 图 4 煤层底板压力盒布置示意图 Fig.4 Pressure cell posit of coal down floor 20 40 60 80 100120 140 160 180 200 220 240260280300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 3工作面 2工作面 1工作面 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 2 3 1 竖向长度/cm 水平长度/cm 0 第 24 卷 第 23 期 弓培林等. 带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究 4399 图 5 底板位移传感器布置示意图 Fig.5 Displacement sensor positions of coal down floor 5 试验结果分析试验结果分析 1 底板应力随工作面推进的变化规律 经过详细分析所测数据， 得出了底板不同方位、 不同深度底板的应力随工作面开采的的变化情况， 由于篇幅所限，本文仅以 1工作面为例且取典型的 2，5点为例进行分析其他的点类似。 图 6，7 分别给出了 2，2′ ，2″，5，5′， 5″ 点的应力随工作面开采的变化规律，其中 2， 2′ ，2″点距开切眼 20 m，距煤柱 20 m，5，5′， 5″ 点距切眼 140 m，距煤柱 50 m详见图 3。 从图 6， 7 可看出两图的共性是 当工作面推进 到距测点前后 5 m 左右时，其应力升高，即高于原 岩应力14 MPa 左右；当远离测点 5 m 以后，其应 力突然下降，说明底板破坏，导致应力降低；之后 图 6 2，2′ ，2″点的应力随开采的变化规律 Fig.6 Variation of stress at points 2，2′ and 2″ with the mining working face 图 7 5，5′ ，5″点的应力随开采的变化规律 Fig.7 Variation of stress at points 5，5′ and 5″ with the mining working face 随着顶板周期性的垮落，其应力又逐步回升。二者 的不同点是应力集中与恢复的程度不同，即 2， 2′ ，2″点的应力集中程度高，最大为 19 MPa 左 右，而应力恢复程度低，即低于原岩应力。5，5′ ， 5″ 点的应力集中最高为 15 MPa 左右，但其应力恢 复程度高，接近原岩应力。其原因在于采空区顶板 的垮落状态，在采空区的中部，顶板垮落严重、破 碎、密实，作用于底板的压力较大。而靠近煤柱的 顶板由于煤柱支撑部分顶板，使得顶板离层距较 大，不密实，所以其应力恢复程度低，即在采空区 距煤柱 20 m 左右应力最低，也就是底板最薄弱的 环节，为易发生突水危险的区域。关于这方面的内 容，文[15]从力学的角度出发，也得出了同样的结 论。 另一不同点是底板压力波动的幅度与程度不同， 从图 6 可看到，除 5″ 点距底板 30 m之外，其压 力波动的幅度与频度远比 2，2′ ，2″点频繁，说 明采空区底板靠近中部地带应力变化比较大，而靠 进煤柱的地带压力活动相对稳定，其主要原因是顶 板周期性的垮落所致。 图 8 给出了 5，5′ ，5″点应力随时间的变化 曲线。从图 8 可看出，底板应力状态一直处于动态 变化过程，距煤层底面 10 m 的应力变化幅度不大， 而距煤层底板 20 m 的应力波动范围大。其原因在于 开采过程中，底板变形破坏，使得底板承压含水层 的水压处于动态变化，而水压的升降反映比较灵 敏，且此层粉砂岩距太原组石灰岩含水层只有 5 m 左右，直接影响本层应力的变化，造成应力变 化的频度与幅度上升。 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 050100 150 200 推进长度/m 5 5′ 5″ 应力/MPa 0 50 100 150 200 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2 2′ 2″ 应力/MPa 推进长度/m 22 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260280300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 21 20 19 16 17 18 11 10 12 13 14 15 7 8 9 1 5 6 3 4 竖向长度/cm 水平长度/cm 2 0 4400 岩石力学与工程学报 2005年 图 8 5，5′ ，5″点应力随时间的变化曲线 Fig.8 Variation of stress at points 5，5′ and 5″ with time 图 9 给出了 1工作面开采 140 m、距底板 20 m 的空间应力分布图。从图中可看到，工作面前后 5 m 左右应力集中程度比较高，在倾斜方向上，大 体呈马鞍形。 图 9 1 工作面开采 140 m 时的应力空间分布 Fig.9 Spatial distribution of stress working face No.1 extracts 140 m 2 底板位移随工作面开采的变化规律 与应力分布的研究相似，即取 4，4′ ，4″， 4′ ′ ′ ，5，5′，5″，5′ ′ ′点见图 5进行分析。 图 10，11 分别给出了这些点随工作面开采位移的 变化规律。从图中可看出，距煤层底板越近，其位 移越大底鼓，变化的频度与幅度也较大。工作面推 图 10 1工作面开采时 5，5′ ，5″，5′ ′′ 点的位移曲线 Fig.10 Displacement curves of points 5，5′ ，5″ and 5′′′ at working face No.1 图 11 1工作面开采时 4，4′ ，4″，4′ ′′ 点的位移曲线 Fig.11 Displacement curves of points 4，4′ ，4″ and 4′′′ at working face No.1 进到该点以前，其位移变化较小，当工作面超过该 点时，其位移逐步增大[16]，一般要经过几个周期性 升降，这与顶底板周期性的破断有关。从本试验可 看出一方面，距煤层底面 10 m 左右，位移变化频 度与幅度比较大，说明底板的破坏深度在 10 m 左 右；另一方面，底板位移恢复的程度较小，即不可 能恢复到原始状态，一个最主要的原因是底板承压 水的浮力所致。图 12 给出了 4，4′ ，4″，4′ ′ ′点 位移随 3 个工作面开采的变化规律。从图中可看 出，其变化规律与应力相似，一直处于动态变化过 程，且周期性的升降，最活跃的是距煤层底面 10～ 15 m 的范围。图 13 给出了 1工作面开采 140 m 时 距煤层底面 15 m 的位移分布空间图。从图中可看 出，在煤柱附近距煤柱 10 m 左右底板的位移量小 于采空区的中部，大体呈鼓状，与应力分布图正好 相反。 1工作面 2工作面 3工作面 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 0 50 100 150 200 250 时间/h 5 5′ 5″ 应力/MPa 0 2 4 6 8 10 12 底板位移/cm 050100 150 200 工作面推进长度/m 5′′′ 5″ 5′ 5 0 1 2 3 4 5 6 050100 150 200 工作面推进长度/m 底板位移/cm 4′′′ 4″ 4′ 4 第 24 卷 第 23 期 弓培林等. 带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究 4401 图 12 4，4′ ，4″，4′ ′′ 点的位移随时间的变化曲线曲线 Fig.12 Displacement-time curves of points 4， 4′ ，4″ and 4′ ′′ 图 13 1工作面开采 140 m 时的位移空间分布 Fig.13 Spatial distribution of displacement when working face No.1 extracts 140 m 6 结结 论论 1 开采过程中，煤层底板的应力、位移一直 处于动态变化，一般要经历周期性升降，应力集中 升高区在工作面前后 5 m 左右，而位移升高区在工 作面后方采空区15 m 左右。 2 采空区底板应力的空间分布不仅与工作面 的开采有关，而且与时间有关，随着时间的延长， 采空区中部应力恢复的幅度高于其边缘距煤柱 10 m 以外，而位移恢复的幅度较小，这是带压开 采的主要特点。 3 距煤层底板的距离不同，其位移与应力变 化的频度与幅度也不同，一般情况下距煤层底板 10～15 m 的范围内，变化最剧烈。 4 工作面前方煤层底板的应力集中不同于顶 板，即不存在应力降低区。 参考文献参考文献References [1] 杨善安. 采场底板断层突水及其防治方法[J]. 煤炭学报，1994， 196620–625.Yang Shan′ an. 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