顶板隔水层关键层耦合作用规律研究.pdf

第3 5 卷第4 期中国矿业大学学报 v 0 1 ．3 5N o ．4 2 0 0 6 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yO fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y J u l ．2 0 0 6 文章编号l O O O 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 0 4 2 7 0 4 顶板隔水层关键层耦合作用规律研究 刘卫群，顾正虎，王 中国矿业大学理学院，江苏 波，缪协兴 徐州2 2 1 0 0 8 摘要在煤矿开采过程中，如果覆岩裂隙扩展至贯穿隔水层，则会诱发地下水或地表水大量涌向采 场，导致煤矿淹井事故．利用R F P A 2 D - F l o w 软件建立了隔水层关键层耦合的采场推进模型，计算 并分析了裂隙场的发育和分布，绘制了顶板水渗流量曲线．讨论了与裂隙发育密切相关的覆岩支 承压力与中间岩层厚度、关键层厚度及破断间的关系．结果表明关键层未破断时，中间岩层厚度 对隔水层裂隙发育作用不明显；厚关键层对隔水层能起较好的保护作用． 关键词顶板隔水层；关键层；耦合作用；裂隙场；突水 中图分类号T D7 4 2文献标识码A C o u p l i n gA c t i o no fW a t e r R e s i s t i n g R o o fL a y e ra n dK e yS t r a t a L I UW e i q u n ，G UZ h e n g - h u ，W A N GB o ，M I A O X i e x i n g S c h o o lo fS c i e n c e s ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I nc o a lm i n i n g ，g r o u n d w a t e ro rs u r f a c ew a t e rr u s h e si n t ot h em i n i n gf i e l de v e n t u a l l yt o c a u s et h em i n ef l o o d i n gi fs o m ef r a c t u r e si ns u r r o u n d i n gr o c ks t r a t ae x t e n da n dr u nt h r o u g ha w a t e r r e s i s t i n gl a y e r ．T h ec o u p l i n gm o d e l so fw a t e r - r e s i s t i n g1 a y e ra n dk e ys t r a t aw e r ep r o p o s e d u s i n gt h es o f t w a r eR F P A 2 D - F l o w ．T h ed e v e l o p m e n ta n dd i s t r i b u t i n go ft h ef r a c t u r ef i e l d sw e r e c a l c u l a t e da n dt h er o o fs e e p a g e sc u r v e sw e r ed r a w n ．T h er e l a t i o n sb e t w e e nt h eb e a r i n gp r e s s u r e a n dt h em i d - s t r a t u mt h i c k f i e s s ，t h ek e y - s t r a t u mt h i c k n e s s ，a n dt h ek e y - s t r a t u mb r e a k i n gw h i c h w e r ec l o s e l yr e l a t i v et of r a c t u r ew e r ep a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i d s t r a t u mt h i c k n e s ss l i g h t l yi n f l u e n c e st h ef r a c t u r ee x t e n s i o no faw a t e r - r e s i s t i n gl a y e rb e f o r et h e k e y - s t r a t u mb r e a k i n g ，a n dat h i c k e rk e y - s t r a t u mc a np r o t e c tt h ew a t e r - r e s i s t i n gl a y e rw e l l ． K e yw o r d s w a t e r - r e s i s t i n gr o o fl a y e r ；k e ys t r a t a ；c o u p l i n ga c t i o n ；f r a c t u r ef i e l d ；w a t e ri n r u s h 我国国有煤矿中半数具有突水危险性，突水威 胁严重制约了煤矿生产的集约化和规模化发 展[ 1 ≈] ．近年来，随着采深的增加和机械化程度的提 高，顶板突水与底板突水的防治已具有同样重要的 地位[ 3 - q ．例如开滦矿务局目前近一半的生产矿井 遭受顶板水害的严重威胁，仅荆各庄矿自1 9 7 9 年 正式投产以来，就发生了3 次大的顶板突水事故， 突水量最高达4 4m 3 ／m i n ． 从5 0 年代起我国就开始了煤矿突水机理方面 的研究，涌现了一批有代表性的理论，如突水系数 理论、下三带理论、强渗通道理论、原位张裂和零位 破坏理论、板模型理论、关键层理论、岩水应力关系 理论、递进导升理论等[ 5 - 7 ] ．就产生背景看，这些成 果都基于底板水提出，在用于防治顶板水时，尚需 收穑日期2 0 0 5 1 1 0 1 基金项目国家杰出青年基金项目 5 0 2 2 5 4 1 4 ；国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 0 ；教育部科技重点项目 1 0 5 0 2 4 ；中国博士后 科学基金项目 2 0 0 4 0 3 5 0 2 2 2 ；江苏省自然科学基金项目 B K 2 0 0 4 0 3 3 ；江苏省博士后科研资助计划项目 2 0 0 4 0 7 1 作者简介刘卫群 1 9 7 0 一 ，男，上海市人，副教授，工学博士，从事计算力学及采动岩体力学方面的研究． E - m a i l w q l i u c u r e t ．e d u ．c nT e l 0 5 1 6 8 3 5 9 1 5 6 8 万方数据 4 2 8中国矿业大学学报第3 5 卷 必要的修正和补充． 本文以徐矿集团俄霍布拉克煤矿 以下简称俄 布煤矿 下。采区防治顶板水为例，建立隔水层关键 层耦合控制模型，在此基础上计算层厚度变化和出 现断层时的采动裂隙场和突水倾向性，以期为顶板 水防治提供参考依据． 1 采动裂隙场与顶板岩体渗流 俄布煤矿位于新疆天山南麓，地表水系较发 育，主采下。煤层埋深为1 5 0m ，厚3 ．8m ，上方有强 含水层，距离本煤层约7 5m ．如不采取保护措施， 采动影响下极有可能造成顶板突水危险．首先讨论 顶板裂隙及贯通状况对岩体渗流的影响，计算模型 基于东北大学C R I S R 中心研制的R F P A 2 D - F l o w 分析系统[ 8 1 0 ] 建立，如图1 所示．模型仅考虑4 层， 顶部岩层设置固定水压，第二岩层预设一条可供贯 通的裂隙 黑竖直线条 ．图2 和图3 是采场向右推 进7 0m 时的裂隙场 亮处为应力较大区域 和渗 流量曲线． 图1顶板预设裂纹的渗流计算模型 F i g ．1P r ef r a c t u r e dm o d e li nr o o fs e e p a g e f ， g E b 1 ．4 1 ．2 1 ．0 O ．8 0 ．6 0 ．4 0 ．2 图2采场推进7 0m 时裂隙场分布 图4隔水层关键层耦合计算模型 F i g ．2 F r a c t u r ed i s t r i b u t i o na t7 0ma d v a n c e F i g ．4 C o u p l e dm o d e lo fw a t e r - r e s i s t i n ga n dk e ys t r a t a 表1隔水层关键层耦合模型计算参数 T a b l e1M o d e lp a r a m e t e r sf o ra n a l y z i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nw a t e r - r e s i s t i n ga n dk e ys t r a t a 参数 厚度／m 弹肾7抗群7 泊松比 1 0 。密度k g ．■ 摩擦角／ 。 篙．系数d - 1 7 孔隙率／％孔隙水压系数 覆岩 1 12 0 隔水层2 03 支撑岩体2 55 关键层 3 03 0 直接顶0 ．5 3 煤层3 ．52 ．5 基岩1 0 3 0 0 ．2 5 0 ．2 0 0 。2 0 0 ．3 0 0 ．3 0 0 ．2 0 0 ．2 0 1 0 ．0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 5 1 0 1 0 1 0 1 0 5 0 ．5 0 ．5 O ．5 0 ．5 0 ．5 0 ．5 0 ．5 鉴于中间岩层厚度在隔水层关键层耦合模型 性质中可能起重要作用，故首先对关键层厚度不变 而中间层厚度可变情况开展分析．计算结果如图5 和6 a 所示．图5 显示的是对隔水层裂隙发育起至 关重要作用的支承压力分布趋势，图6 a 是裂隙场 随中间层厚度变化的情况． 万方数据 第4 期刘卫群等顶板隔水层关键层耦合作用规律研究4 2 9 4 ．0 3 ．9 芒3 ．8 爸3 ．7 3 ．6 3 ．5 中间层厚度向 图5隔水层平均支承压力与中间岩层厚度变化关系 F i g ．5A v e r a g e db e a r i n gp r e s s u r e so fw a t e r - r e s i s t i n g l a y e rf o rd i f f e r e n tm i d d l e - s t r a t u mt h i c k n e s s e s 从图5 可以看出，随着中间层厚度的增加，隔 水层上的支承压力逐渐减小，但减小的幅度趋于平 缓．也就是说，在关键层存在的情况下，中间层的厚 薄对促进隔水层裂隙发育的作用并不十分明显．图 6 a 的3 个图有相似的裂隙场也很好地说明了这一 点． 但如果出现关键层破断，情况就大不相同，图 6 b 是关键层破断后的模拟结果．关键层支承能力 减弱以至丧失的情况下，较厚的中间支撑岩体无疑 对上层隔水层具有较强的保护作用．图6 b 中显示， 中间层厚为3 0m 比仅为2 0m 时，裂隙场发育要 迟缓得多． b 破断后 关键层厚度2 5 m ，采场推进8 0 l e f t 图6关键层裂隙场分布 I F i g ．6 F r a c t u r ed i s t r i b u t i o no fk e y - s t r a t a I 3关键层厚度对隔水层的影响 上述分析说明，关键层的存在对隔水层保护有 至关重要的作用．这里更进一步讨论在隔水层关键 层耦合中改变关键层厚度的情况．计算结果如图 7 ，8 所示． 图7 显示，随着关键层厚度的增加，隔水层上 的支承压力迅速减小，变幅亦趋陡峭．也就是说，由 蛊 吾 ．6 0 0 ．5 9 5 ．5 9 0 ．5 8 5 ．5 8 0 ．5 7 5 ．5 7 0 1 图7 隔水层平均支承压力与关键层厚度变化关系 F i g ．7A v e r a g e db e a r i n gp r e s s u r e so fw a t e r _ r e s i s t i n g l a y e r ／o rd i f f e r e n tt h i c k n e s s e so fk e y - s t r a t u m ”破断后 中阔层厚度2 0m ，采场攫进8 0m 图8 关键层裂隙场分布 Ⅱ F i g ．8 F r a c t u r ed i s t r i b u t i o no fk e y - s t r a t a Ⅱ 万方数据 4 3 0 中国矿业大学学报第3 5 卷 于关键层弹性模量和强度都远高于其它岩层，其薄 厚差异会对隔水层支承压力及裂隙发育产生显著 影响． 图8 是关键层破断前和破断后的裂隙分布情 况．对于较厚的关键层，破断前后裂隙场分布范围 和强度均有不同程度减弱，破断后的减弱程度尤为 明显．可见即使关键层发生破断，厚关键层对上层 隔水层仍产生一定时间的保护，这一点对及时采取 人员疏散和安全补救是有利的． 5 结论 1 关键层未破断时，中间岩层厚度对隔水层 裂隙发育作用不明显，关键层破断后，厚中间层对 隔水层起较好的保护作用． 2 关键层厚度对隔水层裂隙发育有明显作用， 关键层破断后，厚关键层对隔水层的瞬时保护作用 仍然存在． 3 顶板防水宜首先保护关键层，如俄布煤矿 采用短壁开采方法来保护关键层进而保护隔水层． 如顶板不存在关键层或关键层已发生破断，则需进 一步加强对中间层和隔水层自身的保护，这包括已 出现裂隙时对它们采取注浆等补救措施． 参考文献 钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理 论[ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 0 ． 王连国，宋扬．底板突水的非线性特征及预测 [ M ] ．北京煤炭工业出版社，2 0 0 1 ． 武强，黄晓玲，董东林，等．评价煤层顶板涌 突 水条件的“三图一双预测法”F J ] ．煤炭学报，2 0 0 0 ， 2 5 1 6 0 6 5 ． W UQ i a n g ，H U A N GX i a o - l i n g ，D O N GD o n g - l i n ，e t a 1 ．“T h r e em a p s t w op r e d i c t i o n s ”m e t h o dt Oe v a l u a t e w a t e rb u s t i n gc o n d i t i o n so nr o o fc o a l [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 0 0 ，2 5 I 6 0 6 5 ． 张海荣，周荣福，郭达志，等．基于G I S 复合分析的 煤矿顶板水害预测研究[ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 5 ，3 4 1 1 1 2 1 1 6 ． Z H A N G H a l r o n g ，Z H O UR o n g f u ，G U OD a - z h i ， e ta 1 ．I n v e s t i g a t i o no np r e d i c t i n gr o o fw a t e rg u s hi n c o a lm i n e sb a s e do nm u l t i - f a c t o ra n a l y s i s [ J ] ．J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 。2 0 0 5 。 3 4 1 1 1 2 - 1 1 6 ． [ 5 ]虎维岳，王广才．煤矿水害防治技术的现状和发展趋 势．煤田地质与勘探口] ．1 9 9 8 ，2 5 增 1 7 2 3 ． H UW e i - y u e 。W A N GG u a n g - c a i ．D e v e l o p m e n to f t e c h n i q u eo fc o n t r o l l i n gw a t e rh a z a r do nc o a lm i n e [ J ] ．J o u r n a lo fG e o l o g ya n dE x p l o r a t i o no fC o a l f i e l d ，1 9 9 8 ，2 5 S u p p ． 1 7 2 3 ． [ 6 ] 施龙青，韩进，宋扬，等．用突水概率指数法预 测采场底板突水[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 5 4 4 2 4 4 4 ． S H IL o n g - q i n g ，H A NJ i n ，S O N GY a n g ，e ta 1 ．F o r e c a s to fw a t e ri n r u s hf r o mm i n i n gf l o o rw i t hp r o b a b i l i t yi n d e x e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，2 8 5 4 4 2 - 4 4 4 ． [ 7 ] 黎良杰，钱鸣高，闻全。等．底板岩体结构稳定性与 底板突水关系的研究[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 5 ， 2 4 4 1 8 - 2 3 ． L IL i a n g - j i e ，Q I A NM i n g - g a o ，W E NQ u a n ，e ta 1 ． R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a b i l i t yo ff l o o rs t r u c t u r e a n dw a t e r - i n r u s hf r o mf l o o r [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ，2 4 4 1 8 2 3 ． [ 8 3 唐春安，王述红，傅宇方．岩石破裂过程数值实验 [ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 3 ． [ 9 ] 缪协兴，刘卫群，陈占清．采动岩体渗流理论[ M ] ． 北京科学出版社，2 0 0 4 ． [ 1 0 3杨天鸿，唐春安，刘红元，等．承压水底板突水失稳 过程的数值模型初探[ J ] ．地质力学学报， 0 0 3 ，9 3 2 8 1 2 8 8 ． Y A N GT i a n - h o n g ，T A N GC h u n - a n ，L I UH o n g y u a n ，e ta 1 ．N u m e r i c a lm o d e lo ft h ei n s t a b i l i t y - f a i l u r ep r o c e s so ft h ec o a b b e df l o o rd u et Oc o n f i n e dw a t e ri n r u s h [ J ] ．J o u r n a lo fG e o m e c h a n i c s ，2 0 0 3 ，9 3 2 8 1 - 2 8 8 ． 责任编辑王继红 ] ] ] ] I I 口 D K 万方数据