带压开采底板应力场及变形破坏特征试验研究.pdf

第 24卷 第 6期贵州大学学报 自然科学版 Vo. l 24 No . 6 2007年 11月JournalofGuizhouUniversity NaturalSciencesNov . 2007 文章编号 1000- 52692007 06- 0630- 05 带压开采底板应力场及变形破坏特征试验研究 * 王贵虎, 何廷峻 安徽理工大学, 安徽 淮南 232001 摘 要 本文结合朱庄煤矿 3629工作面实例, 利用数值模拟、相似材料模拟研究方法探讨了 带压开采煤层底板及断层处的应力场及变形破坏特征。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, 为带压开采突水防治提供理论依据。 关键词 底板突水;相似模拟;带压开采 中图分类号TD745 12 文献标识码A 1 引 言 随着浅部煤层的枯竭, 开采强度的增加,矿井的深度不断延伸, 来自煤层底部奥陶纪灰岩高承压水 的危害日趋加剧, 许多学者 [ 1- 10]进行了有效的探索。杨善安分析认为断层面倾向采空区方向的采空区 边界底板断层最容易发生突水; 黎良杰、钱鸣高等认为闭合型断层突水主要是断层两盘按板的规律破坏 或断层两盘关键层接触部产生强度失稳,靳德武等从动力学的角度分析了煤层底板突水的机制, 认为突 水是矿井水文地质状态的突变, 是岩石中原生破缺和次生破缺的发展过程, 白晨光等用突变理论方法, 研究了底板关键层失稳的机制及关键层失稳的充要力学条件判据,对完整底板没有断层和其它弱面 以几何的形式直观地描绘了关键层随控制变量变化过程中的稳定和失稳过程。华安增,冯启言, 胡耀 青, 王作宇等也从不同侧面探索了承压水体上开采底板突水问题。目前,在承压水体上开采底板突水理 论研究中,大多将底板岩体与灰岩水分隔开来研究, 这种简化在一定条件下是合理的,但有些情况下存 在较大的偏差,本文拟通过试验来探讨矿山压力和水压力的耦合作用下煤层底板应力场和位移场情况。 朱庄煤矿属水文地质条件复杂型矿井,1994 2005年朱庄煤矿 6煤层开采过程中曾发生 6次底板太原 群灰岩突水淹没工作面,突水量为 160 1000m /h ,底板太原群灰岩水害给 6煤层开采带来极大的威胁。 3629工作面走向长 590m, 倾斜宽 164m。煤层平均厚度 310m, 煤层倾角为 60b 15b ,采深 420m;通过电 法勘探, 勘探深度控制在 6煤底板以下 75m,查明 3629工作面机巷有一较大断层, 走向 N50 ,落差 315m;由于山西组 6 煤层下伏与奥陶系灰岩强含水层相沟通的太灰岩含水层,水压达到 3195 MPa ,与煤层 底板相距 45 55m左右, 根据井下钻孔资料, 单孔涌水量一般都大于 250 m 3 /h ,最大为 600 m 3 /h ,太灰含 水层是 6煤开采的间接充水含水层, 因此该断层是影响工作面安全生产的主要因素。 2相似试验研究 211 相似试验制备及方法 结合 3629工作面实际地层条件,根据相似材料模拟计算要求,确定模型的几何相似比为 1 100 , 时间相似比为 1B10 ,容重相似比为 1B116 ,泊松比及内摩擦角相似比均为 1 。在煤层的底板中布置了应 力传感器及位移监测装置, 测试底板岩层中的应力分布及变化规律。该模型模拟地层厚近 400m 按 6 号煤底板标高及地面标高推算 , 模型高 4m, 但实际铺设相似材料厚仅 1120m, 其中底板 0154m,顶板 0163m, 煤层模拟厚度为 0103m。模型中顶板上覆岩层重量应用杠杆原理采用 15个杠杆, 通过配压块将 杠杆挂钩上的铅块重量压于模型顶面。水压模拟利用特制液压囊, 安装了水压表以实时监测液压囊内的 水压力, 并通过外部水压力控制液压囊内的水压力。 通过杠杆稳定加载 48h ,模拟水压加载稳定 2h后, 由模型一侧 50 cm 处开始开挖, 每次以 5cm / *收稿日期 2007- 10- 18 作者简介 王贵虎 1972- , 男, 安徽理工大学土木工程系岩土教研室教师。 120m in步距向前推进, 采用走向长壁全部垮落采煤方法, 试验共进行了 40次步距开挖,工作面推进总 长度 200cm。 212 试验结果分析 21211 底板岩层应力分布规律 为探索底板岩层应力分布规律, 我们在相似模型煤层底板 2cm、12cm、25cm、40cm深度处分别布 置了四层压力测线。分别观测当煤层开采到 80cm、 130cm 时,底板受采动影响的垂直应力集中系数的 变化情况,曲线如图 2所示。从图 2看出 沿水平方向,工作面前方煤层底板受采动影响范围为 60cm 左右。工作面前方 60c m 以外, 煤层底板为常压区, 至工作面距离 60c m 以内,为底板岩层应力集中区 和降低区,其中工作面前方 30c m 左右为显著影响范围。同时可以看出, 应力集中和卸压程度随深度的 增加而降低。当深度小于 12cm时, 垂直应力衰减较快;当深度大于 12c m 时,垂直应力衰减速度比较 缓慢。由此可见, 垂深小于 12c m 时,底板岩层受采动影响显著;垂深大于 12c m 时, 底板岩层受采动 影响开始减小。在水平方向上, 当采空区距工作面距离大于 60c m 时,根据图 3所示, 底板应力开始接 近原始应力值,这是由于冒落的矸石开始被压实,对顶板已经起到了支承作用。再者在靠近断层的测点 处应力比远离断层处的应力低, 这是由于断层附近的岩体比较破碎,岩体的强度低, 不能和岩体内部一 样抵抗覆岩压力, 致使断层面上的应力向周边转移,而远离断层面的底板岩层完整性较好,岩体强度 大, 能较好地抵抗矿山压力及底板含水层水压, 因而其承受的应力也较大。 图 1 相似模型测点布置图 图 2工作面推进 80cm 底板岩层应力分布规律 21212 底板岩层变形规律 当煤层开采到 80c m 时,距煤层 - 2c m 的底板岩层变形移动曲线如图 4所示,从图 4看出,工作面 前方底板岩层受到压缩,在垂直方向上底板移动变形表现为下沉; 在工作面后方,由于采空区范围内底 板应力的卸载,使底板岩层出现底臌, 特别是在工作面后方 - 15c m 左右,底臌变形开始加剧;在工作 面前方约 15cm左右, 底板岩层受压下沉,15cm 至 60cm 左右底板岩层受到水压的作用呈现底臌趋势。 随着工作面的推进,远离工作面的采空区由于冒落矸石的充填,使采空区逐渐被压实,所以底板岩层的 变形移动逐渐趋于稳定。 图 3 工作面推进 130c m 底板岩层应力分布规律 图 4 工作面推进 80c m 时距底板 - 2c m 处底板位移量 631 第 6期王贵虎 等 带压开采底板应力场及变形破坏特征试验研究 21213 断层带底板岩层破坏规律 试验观察到, 当采长为 35c m 时,底板岩层在切眼后方煤壁附近发生拉剪复合破坏裂隙, 裂隙由后 方煤壁内 3c m 左右呈台阶状向采空区深部间断扩展, 深度达 8cm。而在距切眼 30c m 的断层, 由于处于 初次来压的拉伸区以及断层带内岩石的岩性较一般岩石小得多且设置成了正断层,处于张性状态,对底 板的影响破坏则较大, 断裂深 7c m,其最大破坏深度达 13c m。当采长为 50cm 时,工作面后方约 10cm 处的底板岩层出现新的间断裂隙; 后方切眼煤壁附近底板岩层中的裂隙,在原有破坏的基础上, 沿水平 及垂直方向继续扩展, 并形成与采空区贯通的倾斜裂隙, 水平长度为 21c m,深 14cm; 此时断层断裂深 度为 6c m,最大破坏深度为 11c m。当煤层开采到初次来压时, 在附加应力和断层弱面的影响下,底板 破坏范围在扩大, 在断层附近的破坏深度为最大;当工作面继续推进, 采空区被冒落的矸石充填,水平 方向的破坏范围继续扩大, 断层附近岩层的最大破坏深度由于冒落矸石的支承作用反而减小,可见断层 此时对最大破坏深度的影响则较小。 213 小 结 通过分析试验所得数据,得到如下几点主要结论 工作面初次来压距离为 50m 左右,周期来压平均步距约 15m。工作面前方煤层底板受采动影响 范围为 60m左右, 工作面前方 60m以外, 煤层底板为常压区, 至工作面距离 60m 以内为底板岩层应力 集中区和降低区, 其中工作面前方 30m 左右为显著影响范围。 随着煤层底板岩层深度的增加,应力集中和卸压程度逐渐降低。垂深小于 12m 时,底板岩层受 采动影响显著;垂深大于 12m 时,底板岩层受采动影响开始减小。 工作面前方底板岩层由于受到超前支承压力的作用易发生破裂, 工作面附近采空区底板岩层由于 应力突然卸载而发生底臌破裂, 因而底板突水部位多发生在采空区深部及采掘工作面煤壁附近; 当工作 面遇到断层时,断层带附近的底板岩层位移和应力变化达到最大值,常造成底板突水事故。通过对淮北 相邻煤矿底板突水部位的调查, 证明这一结论是正确的。 3 数值试验结果分析 311 推进 35m时煤层底板不同深度岩层破坏及应力分布规律 从图 5- 6可以看出,煤层开采 35m 时底板不同深度岩层走向垂直位移及应力分布曲线, 距工作面 前方断层约 50 m,相当于工作面顶板初次来压。根据模拟结果可以看出随着底板岩层位置深度的增加, 其垂直位移逐渐减小, 并且在工作面前方约 30 m 范围内,底板岩层位移有先下沉后上升的微小波动, 这一结果与相似材料模拟结果基本一致,在工作面前方断层区,由于地应力居主要作用, 断层带岩体下 沉, 工作面后方未采煤层区底板岩层由于处在矿压集中区,其下沉量比工作面前方远处底板岩层下沉量 大。 距煤层 0m 深度底板岩层最大底臌量是 0106m,工作面前方断层区岩体下沉 01021m; 距 - 2m 底板 岩层最大底臌量减小到 01052m,断层区岩体下沉降低到 01019m;距 - 10m底板岩层最大底臌量减小到 01037m, 断层区岩体下沉 01012m;距 - 20m 底板岩层最大底臌量减小到 01028m,断层区岩体下沉 01008m; 距 - 40m 底板岩层最大底臌量减小到 01013m,工作面前方底板岩层由于受到水压的影响加 大, 其变形出现很大的波动,断层区岩体下沉量也因底部含水层水压的影响增大到 01013m。 距煤层 0m 深度底板岩层, 煤壁左边界至煤层切眼处压应力集中并逐渐增大到 101354 M pa ,采空区 内底板由压应力迅速转变成拉应力达到 01047 Mpa ,工作面前方至断层处底板压应力先增大后减小, 断 层带内岩体压应力是 913 Mpa; 距 - 2m底板岩层,煤层切眼处压应力增大到 101364Mpa ,采空区内底板 压应力为 01005Mpa, 工作面前方断层带内岩体压应力降低到 816 M pa ;距 - 10m 底板岩层, 煤层切眼处 压应力开始降低到 8168Mpa ,采空区内底板压应力增大到 01366 Mpa , 断层带内岩体压应力也开始增大 到 915 Mpa ; 距 - 20m 底板岩层, 煤层切眼处压应力继续降低到 7166 Mpa , 采空区内底板压应力继续增大 到 11782 Mpa , 工作面前方断层带内岩体由于受到底部水压的影响,压应力降低到 41676 Mpa 并呈现拉趋 势; 距 - 40m 底板岩层, 煤层切眼处压应力降低到 6193 Mpa , 采空区内底板压应力增大到 41066Mpa , 工 632 贵州大学学报自然科学版 第 24卷 作面前方断层带内岩体受水压的影响增大, 压应力增大到 61379 Mpa。 图 5 开采 35m 时距底板 - 2m 岩层走向垂直位移 图 6 开采 35m 时距底板 - 2m 岩层走向垂直应力分布 312 推进 120m 时煤层底板不同深度岩层破坏及应力分布规律 从图 7- 8可以看出,煤层开采 120 m 时, 底板不同深度岩层走向垂直位移及应力分布曲线,工作面超 越断层 25m, 煤层切眼至采空区后方 70m设置了冒落矸石充填。由于断层带内岩石的岩性较一般岩石小得 多,其所产生的摩擦力很小, 所以根据模拟结果, 工作面后方断层带内煤层底板底臌量达到最大。 距煤层 0m 深度底板岩层最大底臌量增大到 01097m,工作面后方采空区深部由于被冒落矸石充填, 矿压通过冒落矸石传递到底板, 因而底板下沉量达最大值 01082m;距 - 2m底板岩层最大底臌量减小到 01084m, 采空区深部下沉量降低到 01067m;距 - 10m底板岩层最大底臌量减小到 01054m,采空区深部 下沉量降低到 01023m;距 - 20m 底板岩层最大底臌量减小到 01043m,采空区深部下沉量降低到 01017m; 距 - 40m 底板岩层最大底臌量减小到 01018m,采空区深部下沉量降低到 01005m。 距煤层 0m 深度底板岩层, 采空区深部冒落压实区最大压应力是 19165 Mpa , 采空区内底板拉应力 为 0100885 Mpa ;距 - 2m底板岩层, 采空区深部最大压应力降低到 19113 Mpa ,采空区内底板拉应力增大 到 010135 Mpa ; 距 - 10m底板岩层, 采空区深部最大压应力降低到 17145 Mpa ,采空区内底板拉应力增大 到 01167 Mpa ;距 - 20m底板岩层, 采空区深部最大压应力降低到 14156Mpa ,采空区内底板拉应力降低 到 01015 Mpa ;距 - 40m底板岩层, 采空区深部最大压应力继续降低到 12119 Mpa , 采空区内底板受到压 应力为 0175 Mpa 图 7 开采 120m 时距底板 - 2m 岩层走向垂直位移曲线 图 8 开采 120m 时距底板 - 2m岩层走向垂直应力分布曲线 313 小结 通过分析研究,得出以下主要结论 底板岩层的破裂深度主要取决于工作面开采后暴露的采空区范围。一般底板破裂深度随工作面开 采距离的加大而增加, 随着开采距离的不断增大,当采空区后方逐渐被冒落的矸石充填压实时, 煤层底 633 第 6期王贵虎 等 带压开采底板应力场及变形破坏特征试验研究 板岩层的破裂深度达到最大极限。当 3629工作面推进距离达到 120m 左右时,底板岩层的破裂深度将 达到最大值, 一般为 10m 15m。 底板岩层位移和应力变化最大的位置多出现在采空区深部和采掘工作面煤壁附近, 因此底板突水 多发生在这些地段。当工作面遇到断层时, 断层带附近的底板岩层位移和应力变化达到最大值, 常造成 底板突水事故。 当采长一定条件下, 随着煤层底板深度的增加,底板岩层的位移;逐渐减小, 并且距底板 10m 15m 岩层位移减小量最大, 反映了底板岩层破坏深度为 10m 15m; 采空区内底板岩层浅部处于拉应力 区并逐渐转变成深部压应力区, 直至接近原始应力。 4 工程实践 根据相似材料模拟结果,沿水平方向,煤层底板隔水层受采动影响范围为 60m 左右,其中工作面 前方 20 m左右为显著影响范围。在垂直方向上, 底板隔水层受采动影响破坏的垂直深度大为 10m 左 右, 最大不过 15m。当垂深小于 10m 时,底板岩层受采动影响显著;当垂深大于 10m 时, 底板岩层受 采动影响开始减小。在靠近断层的测点处应力比远离断层处的应力低。 数值模拟结果也表明了底板突水部位多发生在采空区深部和采掘工作面煤壁附近;当工作面遇到断 层时,断裂带内裂隙比较发育, 岩体破碎, 给承压水的导升和断裂带内的开裂制造了空间, 因而断层带 附近的底板岩层位移和应力变化达到最大值,常造成底板突水事故。 根据朱庄煤矿 3629工作面的电法勘探, 证实了试验结果,F2断层是易发生突水的危险区。为此在 断层处进行钻孔注浆堵水工程, 注浆加固的重点是 F2断层,共注入水泥 5716, t 有效地封堵了出水区, 使涌水量由 20m3/h减小为 5m3/h ,这样既加固了底板涌水区,又减小了矿井涌水量。3629工作面已安 全顺利地开采完毕,总采出煤量约 20万吨。在开采过程中,工作面没有出现大量出水事故,实现了工 作面安全回采。 参考文献 [ 1] 杨善安.采场底板断层突水及其防治方法 [ J] 煤炭学报, 1994 , 19 6 620 625 [ 2] 黎良杰、 钱鸣高、 李树刚. 断层突水机理分析 [ J] 煤炭学报 1996 , 21 2 119 123 [ 3] 刘天泉, 审宝宏, 张金才. 长壁工作面顶底板应力和位移的实验研究 [ J] 煤炭科学技术, 1990 12 28 32 . 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