西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤 炭 学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l 西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究 曹志国1 ”，张建民1 ’2 ，王皓3 ，张国军1 ’2 ，张文忠3 1 ．煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京1 0 2 2 0 9 ；2 ．北京低碳清洁能源研究院，北京1 0 2 2 0 9 ；3 ．中煤科工集团西安研究院有限 公司，陕西西安7 1 0 0 7 7 摘要针对西部煤炭主产区矿井水保护利用技术难题，以煤水协调开采为基本原则，自主设计了 包含实验材料配制系统、模型框架加载系统、水压控制系统、柔性隔离层注浆控制系统、数据采集系 统等5 部分组成的煤水协调开采物理模拟实验平台；研制出由骨架结构物和胶结物组成的相似材 料，其中骨架结构物用于调控相似材料弹性模量，胶结物用于调控相似材料整体强度，经检验，所研 制材料的力学和渗流特性均满足相似模拟实验的基本要求；以西部宁东煤田麦垛山煤矿2 号煤首 采区为研究对象，开展了煤水协调共采物理相似模拟实验研究，工作面回采3 ～5 个周期来压步距 后，通过对隔水层进行注浆改造或压裂处理，分析煤水协调开采过程中导水裂隙带高度演化特征、7 个测点水流变化情况以及顶板破断特征，研究表明隔离层压裂改造位置应位于超前基岩顶板扰动 范围之外，隔离层注浆改造应在岩层充分压实后 3 ～5 个周期来压后 进行，采用压裂和注浆封堵 相结合的工艺手段，隔离了“地下水”向下渗流通道，可以实现地下水原位保护。模拟研究了4 种 工况条件下人工隔水层的保水作用，首先对2 号煤首采区上覆含 隔 水层系统进行数值概化，建 立研究区地下水系统数值模型；然后利用矿区水文监测孔的水位数据对模型参数进行校核，获得最 终含水层参数、模拟期水均衡项以及流场信息；最后结合区内用水情况、地下水开采现状，设置2 号 煤实际开采条件下工作面布置与回采方案，利用参数校核后的模型对研究区地下水水位和流场进 行情景模拟分析，结果表明人工隔离层建造位置越靠下，隔水效果越显著。 关键词西部矿区；煤水协调开采；导水裂隙带；隔离层压裂；隔离层注浆改造 中图分类号T V 2 1 3 ；T D 8 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 一0 6 3 8 1 4 P h y s i c a lm o d e l l i n ga n ds c e n a r i os i m l l l a t i o no fc o a l ＆w a t e r c o - m i n i n gi nc o a lm i I l i n ga r e a si nw e s t e r nC l I i n a C A 0z h i g u 0 1 ”，z H A N GJ i a n m i n l 一，W A N GH a 0 3 ，Z H A N GG u o j u n l ”，Z H A N GW e n z h o n 9 3 1 ．＆砒研如6 0 m t o ，y 矿耽衙胁o Ⅱ胱| P r o ￡卵砌no 以砒i Z 妇f 幻n 流c o o z 肘i n i n g ，＆折增1 0 2 2 0 9 ，m i 胍；2 ．讹踟M z ‰疵Ⅱt e 旷c 如Ⅱno 以上俐∞r 6 肌 胁E r g ，r ，臃咖昭1 0 2 2 0 9 ，吼i 胁；3 ．尉’n n 胁s ∞枷胁m “￡e0 厂矾讥Ⅱc o n f 死c 加锄＆E n ∥鹏新增G r 0 印c D 甲．，凰’Ⅱn7 1 0 0 7 7 ，醌i n n A b s t r a c t A i m i n ga tt h et e c h n i c a lp r o b l e m so fp r o t e c t i o na n du t i l i z a t i o no fm i n ew a t e ri nt h em a i nc o a Ip m d u c t i o na r e a si nw e s t e mC h i n a ，b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fc o o r d i n a t e dc o a l - w a t e rm i n i n g ，ap h y s i c a ls i m u I a t i o ne x p e r i m e n t a l p l a t f o n nf o rc o a l w a t e rc o o r d i n a t e dm i n i n gw a sd e s 培n e d ．T h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o mc o n s i s t so fam a t e r i a lp r e p a r a t i o n s y s t e m ，am o d e lf r a m el o a d i n gs y s t e m ，aw a t e rp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，an e x i b l ei s o l a t i o nl a y e rg m u t i n gc o n t m ls y s t e m 收稿日期2 0 2 0 0 7 0 3修回日期2 0 2 0 1 0 一0 4 责任编辑黄小雨 D o I l O ．1 3 2 2 5 ／jc nk i _ j c c s ．2 0 2 0 ．1 1 7 3 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F c 0 6 0 0 7 0 8 ；煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室资助项目 G J J T 1 7 0 l ，S H G F 1 6 2 4 作者简介曹志国 1 9 8 0 一 ，男，山西灵石人，高级工程师，博士。E m a i l z g c a 0 2 0 0 8 1 6 3 ．c o m 通讯作者张国军 1 9 8 9 一 ，男，河北唐山人，工程师，博士。E m a i l g l l o j u n ．z h a n 昏c r c h n e n e 。g y ．c o m ．c n 引用格式曹志国，张建民，王皓，等．西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 2 6 3 8 6 5 1 ． C A 0Z h j g u o ，Z H A N GJ i a n m i n ，W A N GH a o ，e la 1 ．P h y s i c a 】m o d e l l j n ga n ds c e n a r j os i m u l a “o no fc o a l ＆w a l e rc o ． m i n i n gi nc o a lm i n i n ga r e a si nw e s t e mc h i n a [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e ‘y ，2 0 2 l ，4 6 2 6 3 8 6 5 1 ． 移动阅读 万方数据 第2 期曹志国等西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究 6 3 9 a n dad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ．S i m i l a rm a t e r i a l sc o m p o s e do fs k e l e t o ns t n l c t u r ea n dc e m e n th a v eb e e nd e v e l o p e d ．T h e s k e l e t o ns t r u c t u r ew a su s e dt oc o n t r o lt h ee l a s t i cm o d u l u so fs i m i l a rm a t e r i a l s ，a n dt h ec e m e n tw a su s e df o rc o n t r o U i n g t h eo V e r a Us t r e n g t ho fs i m i l a rm a t e r i a l s ．A tt h es a m et i m e ，m e c h a n i c a la n ds e e p a g ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h e m a t e r i a l ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em a t e r i a lh a sg o o dm e c h a n i c a la n ds e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c s ．T h eN o ． 2c o a l ’sf i r s tm i n i n ga I ．e ao fM a i d u o s h a nC o a lM i n ei nt h ew e s t e mN i n g d o n gc o a l f i e l dw a st a k e na st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ep h y s i c a ls i m i l a r i t ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fc o a l w a t e rc o o r d i n a t e dm i n i n gw a sc a 耐e do u t ．A f t e rt h ew o r k i n gf a c ew a sm i n e df o rt h es t e pd i s t a n c e0 f3 5p e r i o d i cw e i g h t i n g ，t h r o u g hg r o u t i n go rf r a c t u r i n gt r e a t m e n to nt h ew a t e r - r e s i s t a n tl a y e r ，t h eh e i g h te v o l u t i o nc h a m c t e r i s t i c so ft h ew a t e r c o n d u c t i n g6 s s u r ez o n ed u r i n gt h ec o o r d i n a t e dm i n i n go fc o a la n dw a t e r ，t h ec h a n g eo fw a t e rn o wa t7m o n i t o r i n gp o i n t s ，a n dt h er o o fb r e a k i n gc h a r a e t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d ．7 I h er e s e a r c hs h o w st h a tt h el o c a t i o ns h o u l db eo u t s i d et h ep e r t u r b a t i o nr a n g eo ft h ea d v a n c e db e d r o c kr o o f ． W h e nt h er o c kl a y e ri s f u U yc o m p a c t e d a f t e r3 5p e r i o d i cw e i g h t i n g ，t h ei s o l a t i o nl a y e rg r o u t i n gr e f o mp r o c e s si s c a r r i e do u t ．T h ec h a n g ei ns e e p a g en o wo nd i f k r e n to b s e r v a t i o nl i n e sf h r t h e rc o n f i 珊st h eu s eo ff r a c t u r i n g ．T h ep r o c e s s m e t h o dc o m b i n e dw i t hg r o u t i n ga n dp l u g g i n gi s o l a t e st h e “g m u n d w a t e r “ d o w n w a r ds e e p a g ec h a n n e l ，w h i c hc a nr e a l i z e i n - s i t up r o t e c t i o no fg r o u n d w a t e r ．T h eb r e a k i n go ft h ea q u i f 色rs t a n si nt h ef b u n hc y c l ew i t hp r e s s u r e ，a n dt h eb I e a k i n g a n g l ei s7 0 。一8 0 。．O nt h i sb a s i s ，t h es c e n a r i os i m u l a t i o nt e s tw a sf l l r t h e rc a r r i e do u tt os i m u l a t et h ew a t e rr e t e n t i o n e f k c to ft h ea n i 6 c i a la q u i f e ru n d e rf o u rw o r k i n gc o n d i t i o n s ．F i r s t ，t h eo v e r l y i n g i s o l a t e d a q u i f e rs y s t e mi nt h eN o ．2 c o a l ’sf i r s tm i n i n ga r e aw a sg e n e r a l i z e da n de s t a b l i s h e d ．T h ec o n c e p t u a lm o d e l ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dn u m e r i c a l m o d e lo ft h eg r o u n d w a t e rs y s t e mw e r ee s t a b l i s h e di nt h es t u d ya r e a ．T h e nt h ef i e l dm o n i t o r i n gh o l ew a t e rl e v e ld a t a w e r eu s e dt oc h e c ka n dv e r i f yt h ep a m m e t e r so ft h em o d e lt oo b t a i nt h ea q u i f b rp a m m e t e r s ，t h ew a t e rb a l a n c ei t e md u r - i n gt h es i m u l a t j o np e r i o da n dt h en o w 矗e l di n { ．o r m a t i o na f t e rt h ep a r a m e t e rc h e c k ．C o m b i n i n gt h ew a t e ru s a g ei nt h ea r _ e aa n dt h ec u Ⅱe n ts t a t u so fg r o u n d w a t e rm i n i n g ，am i n i n gp l a nw a ss e tu pf o rt h eN o ．2c o a l ’sw o r k i n gf a c eu n d e ra c t u a lm i n i n gc o n d i t i o n so ns i t e ，a n dt h ep a r a m e t e r - c h e c k e dm o d e lw a su s e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h eg r o u n d w a t e rl e v e la n dn o w6 e l di nt h es t u d ya r e a ．A tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t ss h o wt h a ta r t i 6 c i a li s o l a t i o n ，t h el o w e rt h en o o ri s b u i l t ，a n dt h em o r es i g n i f i c a n tt h ew a t e rb a r r i e re f k c t ． K e yw o r d s w e s t e mc o a lm i n i n ga r e a ；c o a l w a t e rc o - m i n i n g ；w a t e rn o w i n gf r a c t u r ez o n e ；i s o l a t i o nf h c t u r i n g ；b u i l d i s 0 1 a t i o n1 a v e r 随着东部和中部地区煤炭资源逐渐枯竭和开采 条件日益复杂，西部晋、陕、蒙、宁、甘已成为我国煤炭 主产区，煤炭开发强度处于较高水平鼍J 。但是，西 部地区煤炭生产中矿井水有效利用程度低、生态环境 脆弱和水资源匮乏严重制约着煤炭可持续开发，煤炭 规模化开采引发的地下水系统破坏和地表生态损伤 加剧了生态退化，带来了一系列的环境问题。基于自 然生态规律和煤炭开采特点，降低煤炭开采生态损伤 和安全绿色开采已成为协调煤炭规模化开采与区域 社会经济发展的关键‘3 | 。 对此，不同学者展开了一系列西部矿区煤炭开采 与水资源保护相协调的理论研究、技术探索和工程实 践活动，归纳起来包括3 类①地下水储存利用法， 即通过构筑坝体，将矿井水储存在采空区垮落岩体空 隙中，充分利用采空区垮落岩体对矿井水的净化作 用，实现矿井水分级分质利用，以顾大钊H 。5 1 提出的 煤矿地下水库技术为代表，在神东矿区建成煤矿地下 水库3 5 座，年供水量70 0 0 万m 3 ，保障了神东矿区水 资源的供应。②含水层保护法，即通过对隔水关键 层的保护，使含水层免受煤炭开采的影响，从而堵截 地下水运移，实现保护地下水目的，王双明等∞。7 1 提 出了保水开采条件分区，以实现控制地下水位为目标 的区域采煤方法分区开采；范立民等旧廿。提出了以生 态水位保护为原则，开展了基于含水层结构保护的充 填开采、窄条带开采、限高 分层 开采等保水采煤技 术和工程实践；黄庆享等0 。1 1 1 提出了合理增大下沉 区间和减小下沉梯度，控制隔水层稳定性，从而实现 地下水保护利用等。③煤水协调开采方法，即基于 煤炭现代开采工艺，利用现代开采及对地下水和地表 生态的影响规律，通过采前分区设计、采中重组调控 和采后控制等技术的系统集成，控制地下水流场分 布，构建符合地下水循环与地表生态环境原生状态的 支撑条件，保持开采生态系统的“原生”关系，实现 “煤炭安全高效开采一地下水与地表生态保护一水资 源利用一体化”卜1 3 1 ，国家能源集团通过1 5a 的生 产实践，建立了集矿井水资源利用、生态建设和大规 万方数据 煤炭 学报 模高强度煤炭开发相适应的成套技术模式，建成了千 万吨矿井群煤炭开采与水资源保护和利用的“神东” 模式，统筹优化利用矿井水资源，实现了矿井水分级 分质利用| 。4 。1 6 I 。围绕上述3 类技术方法，众多科研 机构研制了具有不同针对性的物理相似模拟实验装 置，如清华大学设计的目前尺度最大的近水平煤层地 下水运移规律模拟平台7 。、中国矿业大学研发的多 种工况条件下的煤水共采物理模拟平台⋯q ‘| 、西安 科技大学研发的浅埋煤层导水裂隙发展规律物理模 拟平台【2 2 。2 3 。等，为煤炭资源与水资源协调开发提供 了技术支持。 针对我国西部矿区地下水系统失水形式主要为 “双重失水”【。2J 特点，以宁东矿区麦垛山煤矿2 号煤 首采区为背景，仿照开采生态系统的“原生态”特 征 如补、径、排关系和潜水与地表土壤和植被的“原 生”基本关系 ，通过构筑“隔离层”隔断煤炭开采对 地下水系统和地表生态的影响，维护或重构开采生态 系统的“原，E ”基本关系，研发煤水协调开采模拟实 验平台，研制煤水协调开采相似模拟材料，开展煤水 共采相似模拟实验研究，分析构筑隔离层与压裂隔离 层对导水裂隙带、岩层渗流特征的影响特征，同时模 拟了4 种工况条件下地下水流场变化特征，为西部煤 矿区煤炭规模开采与地下水资源保护协调提供有益 参考。 1 煤水协调开采物理模拟实验设计 1 ．1 工程背景 我国西部矿区煤炭资源开发具有大规模高强度 特征，大规模体现在工作面推进长度可达60 0 0m 、工 作面宽度4 0 0m 、采高超过8m ，推进速度可达到 2 0m ／d ，单个矿井年产量可以达到30 0 0 万t 左右；高 强度表现为整装煤田集中开发，以神东矿区为例，中 心矿区毗邻分布着1 0 余座千万吨级矿井。与传统方 式相比，大规模高强度的煤炭开发模式对地下水影响 规律不同，矿井开采初期，形成降水漏斗，第四系松散 层孔隙水沿着导水裂隙，渗流进入井下，形成矿井水； 矿井开采中后期，由于第四系松散层孔隙水已被排泄 完毕，矿井水补给来源为基岩裂隙水，这部分地下水 依靠传统的打井抽水方式难以获取，由于开采形成的 覆岩导水裂隙，以采空区为中心，形成了水源汇集区 域，这部分基岩裂隙水才能够汇聚到采空区及周边区 域，形成矿井水。以神东矿区大柳塔煤矿为例，近1 0 a 来，矿井涌水量一直保持在4 0 0m 3 ／h ，矿井水补给 来源以基岩裂隙水侧向补给为主。 麦垛山煤矿位于宁东能源基地，处于鸳鸯湖矿区 汇水区，含水层接受周边矿区含水层的侧向补给；井 田整体表现为北高南低，地表水从北向南部低洼处汇 集，而地下水总体呈由北向南径流趋势，地下水主要 通过采矿排水方式排泄；煤炭可采储量1 1 ．4 亿I ，矿 井设计生产规模为8 ．0 0M t ／a ，服务年限为1 0 2a ，采 用综合机械化一次采全高的采煤工艺，采用全部垮落 法管理顶板，开采煤层为2 号煤层，2 号煤顶板与直 罗组下段含水层之间隔水层不仅厚度较薄，并且局部 被剥蚀，煤层与直罗组下段含水层直接接触，加上直 罗组下段含水层厚度大、富水性强、胶结性差，造成了 无论2 号煤巷道掘进还是工作面【川采，均受到J ’此含 水层的严重威胁。2 号煤首采区西侧边界为于家梁 逆断层，东侧边界为F 9 ，F 1 0 ，F 1 l ，F 1 7 逆断层组，基 本切断了采区内部与东西两侧地层的水力联系，采区 北侧与南侧为井田自然边界 图1 。 3 6 3 8 4 0 0 03 6 3 8 8 0 0 03 6 3 8 2 0 0 0 | | | | | | _ 繁l 磷盈受 l F虿 霉。 | | | | | | ； 。剿 f | | | | | | ～罐 、上。| | | | l f 0 0 。| | 霪懿鬻罗，7 ． ．糙 、鬣裂潞。 潞、、＼ 、 攀 蔓毒＼N 、、 j ＼雩| | j n f I 弋 e I ＼骑 ＼ ‘＼ 盥～ 、 、、、| 、 ＼＼、、1 _ 万方数据 第2 期9 7 志围等西部矿Ⅸ煤水协调开采物删与情景模拟实验研究 强度、抗拉强度等相似；水压控制系统主要通过压力 储能器、多参数巡回检测仪 u M 一7 0 ，实现实验模型 水压加载控制；柔性隔离层注浆控制系统具备水压致 裂和压裂后注浆功能；电脑数据采集系统主要采集和 记录实验过程中变形、位移、流量和水压数据。煤水 协调开采实验没计1 和实体模型，如图2 所示。 隔离层压裂一注浆系统 图2 煤水协调开采相似模拟实验平台 r 碡2 C o a l w a l e rJ i ‘ 旅‘1 1 1 i n i l l gs i l l l i l a I ’s i l l l u l a t i o ne x p 嘶1 1 1 ㈨lp l a t f o r m 1 ．3 物理模拟实验方案 为分析煤层开采后覆岩移动变化情7 兑，尤其是初 次来压和周期来压期问导水裂隙带形成演变特征，以 及覆岩层在开采扰动影n 向下内部微裂纹萌牛、发育、 扩展、最后形成宏观裂隙的整个过程，相似材料模拟 实验采用具有一定强度的材料，模拟实际中的岩层， 满足基本的相似理沦‘“。 麦垛山煤矿2 号煤层厚度2 ．8 ～3 ．6r n ，埋深 4 9 1 ．2n ，含水层水位标高距离2 号煤层底板高度 4 0 3 ．9 2m ，粗粒砂岩底部水』I I i ／J 为3 ．7M P a 。根据相似 材料模拟实验相关要求，没计模型尺寸为25 0 0 洲n 2 0 0n l m 10 0 01 1 1 1 1 1 长宽高 ，模拟煤层厚度3 ．2m ， 考虑模型两侧边界影响，两端各留4 5 0m m 煤柱，通过 在模型E 表面施加表面张力来代替未铺设的岩层。 2 号煤首采区I 作面推进平均速度为1 1 ．8m ／ 1 ， 采煤机滚筒截深8 0 0m n ，，每天1 5 个循环，每个循环 1 ．6h ，综合考虑实验时间、时间参数换算等因素，时 问相似比设为1 6 ，实验模型中每个循环的时间为 0 ．1h ，对应的推进距离为5n Ⅵn ；开展实验时，将需要 开挖掉的部分制作成1 5m z n 的标准模块，每0 ．31 、挖 掉块，相当于现场实际开采4 ．8h ，工作面推进 2 ．4n 3 个循环 ；综合考虑实验模型的尺寸以及2 号煤首采区工作面开采情况，将相似模拟实验的几何 棚似比设为1 6 0 ，实验时采用的卡H 似材料主要南石英 万方数据 煤炭学报 砂、土、凡士林、硅油组成；由于麦垛山煤矿煤层上覆 岩层平均容重为2 5k N ／l 3 ，相似材料平均容重为 2 0 ．8k N ／m 3 ，冈此容重相似比设为1 ．2 ，应力、强度、 弹性模量、水头压力、黏聚力相似比为1 9 2 ，应变、内 摩擦角、泊松比相似比为1 ，经计算，相似材料力学参 数见表l 。 表l原岩与相似材料力学参数 T a b I e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c ka n ds i m i l a rm a t e r i a l s 岩层 原岩／M h棚似材料／k h 抗压强度抗拉强度黏聚力抗压啦度抗拉强度黏聚力 l 0 4 2 3 ．5 7 l O 8 3 l O ．8 3 1 0 8 3 3 2 5 7 3 09 3 2 ．3 l 2 18 0 39 6 5 7 1 ．1 2 0 ．6 2 0 ．6 2 O ．6 2 l6 l l2 6 O ．2 2 l8 5 O ．2 7 41 6 20 4 0 ．9 5 ．9 5 O ．9 5 3 ．5 9 4 ．5 l ．4 3 2 ．5 2 O ．8 8 5 22 9 2 27 6 5 64 l 5 64 1 5 64 l 6 9 ．6 4 6 1 ．0 9 1 2 ． 3 3 ．5 4 2 0 ．6 3 2 ．9 7 5 ．8 3 32 3 3 ．2 3 32 3 8 ．3 9 6 ．5 6 1 ．1 5 9 ．6 4 14 l 2 1 ．6 7 1 0 6 3 49 5 4 ．9 5 49 5 8 ．7 0 2 3 ．4 9 22 4 31 3 4 ．5 8 2 相似模拟材料研制 2 ．1 相似材料的力学特- 陛 基于相似理论基本原理忙’“。，结合现场J l 采实 际情况和相似模拟实验平台技术特点，综合考虑以往 相似实验模型的不足，以骨架结构物作为模型主体材 料，以胶结物作为骨架主体问的黏结材料，其中骨架 结构物由石英砂和土组成，胶结物由凡士林和硅油组 成；骨架结构物和胶结物的黏聚力、内摩擦角、抗折强 度等力学参数均满足相似理论；通过调控胶结物中凡 上林和硅油比例，可以实现地层中的软弱～『隆硬岩层 等不同岩性模拟，利用云母片可以实现各岩层之间的 层理面模拟。根据实验强度相似比和麦垛山矿煤岩 物理力学性质参数，配制相应的相似材料，并开展单 轴压缩实验，如图3 所示。 图3小同相似材料单轴』K 缩应力应变附i 线 g ．3 L 】T 1 i d x i a It ‘0 1 1 1 p r e s s j o nm P s s m a i nc u r v P s f ㈨衍㈨I s i I n i l a r1 1 1 d l P I i a I s 图3 中5 种牦f 似材料的J 、证力一应变全过程曲线与 麦垛山煤矿相应岩层的力学性质牛f { 似，其抗压强度和 弹性模均量满足棚似模拟实验的摹本要求。 2 ．2 相似材料的水理特性 相似模拟材料除了要满足越本的岩石力学特征 之外，还需要满足相应的水理特征，为此进行不M 材 料配比的相似材料吸水量和渗透速度实验，如图4 所 示。 图4 中，。目’为石英砂的质{ 匠分数，胶为硅油和 儿卜林总的质量分数，硅为硅 『| n 的质量分数，凡为凡 f 林的质量分数 。 由图4 可知，相似材料的吸水性，随材料中行英 砂的质量分数降低而降低，随胶结材料的质量分数升 高而降低；当砂十比例一定时，硅与凡比例会影响相 似材料的吸水性，材料的吸水性会随凡士林的占比增 J J I I I 而增加；当砂十比为1 3 、硅凡比为1 6 时材料 的I | 及水性最好； _ 砂土比为2 l 、硅凡比为l 3 时 材料的吸水性最差 图4 a ， I ， 。相似材料的渗 透速度，随着材料中石英砂的比例降低而降低，随胶 结材料比例的丁卜f 岛而降低；当砂土比例一定时，硅与 凡比例会影响相似材料的渗透速度，材料的渗透速度 ‘j 凡f 林的占比存在一定的离散性；当砂土比为l 3 、硅凡比为l 2 时材料的渗透速度最快；当砂土比 为2 1 、硅凡比为l 3 时材料的渗透速度最慢 图 4 c ， c 1 3 煤水协调开采相似模拟实验 3 ．1 导水裂隙带演化特征 实验过程中自‘先统计了4 i I 州来压阶段来压步距、 蝴蝴捌冁i||；捌毗喘蝴麟 雠粉雠隔雠惟粉沈粉 万方数据 第2 期 m 占『司等西部矿I 煤水协捌开采物川 t j 情景模拟实验研究 砂干1 ．眦比 a 吸水I } ⋯』骨’胶比 砂和I ．配比 砂和土配比 b 吸水量与硅J 、L 比 c 渗透速度‘j 骨胶比 ㈥4 相似材料水州性质 F i g ．4 S i l l l i l a rn l a t e r i a l1 1 7 f l n I u I i ‘‘I m p e l l i P b 砂和十配比 d 渗透速度与碓儿比 覆岩导水裂隙讲f 发育高度、裂隙，} } 高度与采『’‘之比等育变化云图进行进步分析，如㈥5 所示。 参数，见表2 。进一步分析表明 表2 不同来压阶段导水裂隙带高度 T a b l e2 H e i g h to fw a t e rc n d u c t i o nf r a c t u r ez o n ei n d i f k r e n tw e i g h t i n g 注* 为川J 9 J 束脏时的平均值， 为了更加直观地展现导水裂隙带的动态演化特 征，选取了部分不同来压阶段煤层顶板导水裂隙带发 1 隔离层红| H l 采前，尽管采』} j 压裂处理，但划‘ 覆7 层位移和变形影响较小，T 作面从开切眼位置开 始向前推进 模型巾向右侧开采 ，2 号煤层直接顶板 随采随冒，因直接顶板上部为泥7 层，强度较低，j ‘“ 作哳J | 采至2 2 8 ．2 - Ⅲn 时，采煤I 作而基本顶发牛离 层垮落现象，笨本顶发生初次来压，来压步距为 2 2 8 ．2m m 相当] j 实际来压步距3 6 ．5 ，， ，此时顶板 垮落高度仅有1 0 4 ．3m n ， 3 ．2 6 倍采高 ，采空区I 方 7 层变形影响尚术波及到隔离层底部。 2 随工作面向前推进，采窄I 顶板岩层断裂继 续阳卜方发育， 1 jl 作面开采争3 6 0 ．8m u 时，煤层 顶板发生第1 次周期来压，顶板垮落高度达3 ．7 倍采 高，此时采空区顶板变形仍未影响到隔离层；J 作面 推进到5 9 2 ．9m r n 时，顶板发 卜第4 次周期来爪，垮 落『j 度达1 1 ．1 倍采高，此时已J i 裂的隔离层处于导 水裂隙带范围内；j j l 作面推进剑l0 3 1 ．6m m 时，顶 板发，L 第8 次周期来压，顶板导水裂隙带高度为 1 5 ．5 倍采高，小于第6 和7 次的导水裂隙带高 度 1 7 ．7 倍采高 ，具备对左侧隔离层进行注浆l 艺 施I 、、 3 当工作面推进到1 1 7 8 ．7m m 时，煤层顶板 发乍第1 0 次周期来压，导水裂隙0 { | ；；高度为7 ．4 倍采 离，煤层顶板变形影响范围接近预先压裂的隔离层， 刈‘隔离层进行注浆改造。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 fc 第7 次 【到5 不米』K 阶段煤层顶板导水裂隙带发育变化 r i g ．5D e V P l I 1 1 1 P n la n 1 【‘h a ”g eI l rw a I e I _ g u i 1 ef j s sL I l Pz J T l Pi f lc a lH P a n lJ J 1 fi 1 1 l i f k l l P l l lw P i g l l I i l l g 4 当J 作面推进到l4 7 1 ．9n l n l 时，煤层顶板 发生第1 2 次周期来压，导水裂隙带高度为l o ．4 倍采 高，煤层顶板变形影响范围接近预先压裂的隔离层， 对隔离层进行注浆改造，同时划‘右侧隔离层进行压裂 处理。 5 当f 作面推进到l6 4 5 ．2m m 时，煤层顶板 发生第1 4 次周期来压，导水裂隙带高度为1 3 倍采 高，煤层顶板变形影响范闱接近预先压裂的隔离层， 划‘隔离层进行注浆改造，同时对右侧隔离层进行压裂 处理。 整个实验过程中，进行r4 次注浆改造，6 次隔 离层压裂工艺处理，周期来压步距平均 为9 6 ．7m n ， 实际为l5 ．5m ，最大来压步距为 1 6 0 ．2n n