浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究.pdf

文章编号10012198620060520034204 浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究 黄庆享,刘腾飞 西安科技大学,陕西 西安 710054 摘要以陕北榆树湾井田为地质原型,采用柔性隔水层物理相似模拟试验,初步得出了该井田顶板 岩层及粘土隔水层在开采影响下的破坏规律,发现顶板基岩关键层仍然是隔水层稳定性控制的关 键,指出隔水层下沉梯度TS为控制隔水层导水裂隙出现的指标。 关 键 词浅埋煤层;隔水层;相似模拟;保水开采 中图分类号TD315 文献标识码A Simulating test on the subsidence law of subsurface w ater resisting layer upon shallow coalbed mining HUANGQing2xiang , LIU Teng2fei Xi′an University of Science and Technology,Xi′an710054 ,China Abstract The subsidence movement lawof overburden and subsurface water resisting layer of Yushuwan coal field in northwestern China are studied by simulating model test. Through the specific simulating study on the simulating material of real clay of water resisting layer , the physical simulating model is made to simulate the stress2strain capacity of clay layer under mining conditions. Based on the simulating test , it isfound that the movement of soft clay water2resisting layer isfollowed the movement of under hard layer. And the key parameter to control the stabilityof water resisting layer is to reduce the subsiding gradeTs, and the basic cav2 ing law of overburden roof strata is given as well. Key words shallow seam;water resisting layer;simulating model test ;holding2water2mining 1 引言 我国陕北毛乌素大沙漠边缘广泛赋存有浅埋煤 层,其特点是煤质好,储量大,地质条件简单。由于 煤层埋藏浅,且地表为厚松散沙土层 [1] ,而这一覆盖 层下埋藏的三趾马亚粘土隔水层上部蕴藏有宝贵的 地表潜水资源,该潜水对于脆弱的地表植被生长起 着至关重要的作用,同时也是该地区人民的重要生 活水源。 陕北榆树湾矿井是榆神矿区即将开发建设的第 收稿日期2005211221 基金项目国家自然科学基金50574074 ,教育部科学技术研究重点项目204183和新世纪优秀人才支持计划2005资助 作者简介黄庆享1966 , 男,新疆沙湾人,西安科技大学教授,博士生导师,从事采矿岩层控制的教学和科研 1 成庄井田仅有9号钻孔具有瓦斯成分检测数 据,其CH4含量为66.21 ;而邻近寺河井田钻孔瓦 斯检测数据较多,其CH4含量值变化于23. 57 ～ 80.52 之间,平均值为56. 36 。可见,9号孔CH4 含量属于中等水平,而9号孔正好位于本研究区的 Ⅲ 类封盖区域,亦属于中等封盖条件类型。由此看 来,研究区封盖条件区划的确定具有一定的科学依 据和参考价值。 6 结论 成庄井田3号煤层甲烷的封盖能力,大部分地 区属于 Ⅲ 类中等程度。封盖能力较强的区域位于井 田西部、 东南部和东北角,均属于 Ⅱ 类封盖类型;封 盖能力较差区域位于井田北部及其他零星地段。 对于封盖能力较强的 Ⅱ 类地区,在井巷作业时 应注意防止煤层甲烷局部富集带出现瓦斯涌出现 象,尤其是在石门掘进或揭开煤层时,应注意预防瓦 斯动力现象的出现。 参考文献 [1] 李思田.断陷盆地分析与煤聚集规律[M].北京地质出版 社, 1988. 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[4] 裘亦楠,薛叔浩,应凤祥.中国油气储层研究论文集续一 [C].北京石油工业出版社, 1993. 第34卷 第5期 2006年10月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY b. 容重相似条件 α γ γp γm 1156 ; c. 时间相似条件 αt tp tm αl14114; 表1 粘土层基本物理、 力学性质指标 Table 1 Physical and mechanical properties of clay layers 岩性含水量Π 密度 Πgcm- 3 孔隙比孔隙度Π 粘聚力 ΠkPa 内摩擦角 压缩系数 ΠMPa - 1 压缩模量 ΠMPa 抗压强度 ΠkPa 离石黄土11.9～17.31.63～1.860.62～0.8838.3～46.938～10127.9～33.80.08～0.257～22.1119～159 三趾马红土17.4～18.71.84～1.870.7241～4276～9628.2～32.90.08～0.2515.5～28.3182～212 表2 粘土层的水理性质指标 Table 2 Water reaction properties of clay layers 岩性液限Π塑限Π塑性指数液性指数渗透系数Πmd- 1饱和度Π湿陷系数自由膨胀率Π 离石黄土22.9～31.816.9～18.77.9～13.1 00.097 6～1.541.1～65.60～0.005 5 三趾马红土33.2～36.221.1～26.77.7～12.10～0.090.005 96～0.665～70 2.65～26 53第5期 黄庆享,刘腾飞浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究 d. 位移相似条件 αsαl 200; e. 强度、 弹模、 粘结力相似条件 αRαEαCαlα γ 312; f. 内摩擦角、 泊松比相似条件 αφαμ 1 ; g. 应变与原型相等,αε 1。 3.2 相似材料及配比 按照相似理论,在选择模拟材料及配比中不仅 考虑了岩土体的强度性质,而且考虑了变形性质。 根据试验室研究经验表明,石膏和沙是模拟基岩较 理想的材料,只要配比参数选择合适,就能实现模型 与原型的相似。 以往,对于具有塑、 韧性的粘土隔水层的模拟材 料研究成果较少 [5] 。本次实验中,专门针对粘土隔 水层的模拟材料进行了研究。根据粘土隔水层的相 关力学性质及变形特征,确定应用粘土和砂为骨料, 大白粉作胶凝剂。通过大量的试件试验,发现随着 粘土 砂比的增大,相似材料的变形特征会逐渐由 弹性向塑性阶段过渡,相似材料与原岩的应力应变 曲线如图1所示。 a.红土隔水层 b.相似材料 图1 粘土隔水层及相似材料应力应变曲线 Fig.1 Stress - strain curves of water - resisting clay layer and its simulating material 3.3 试验方案 a. 依据地质原型,以1∶200几何比例制作水 平长300 cm的物理相似试验模型。 b. 留设50 cm边界,在模型地表布置5个百 分表测点,测点间距40 cm ,观测地表位移。在基岩 与粘土层界面距离煤层顶板64 cm位置以及距离 煤层顶板33 cm的基岩中各布置10个位移测点,测 点间距20 cm ,各排的1号测点与开挖边界对应,见 图2。 c. 每步开采2 cm ,采高为2.5 cm ,开挖间隔按 照时间相似比进行。每开采10 cm记录一次数据, 同时,当有明显现象时亦进行数据记录。 图2 模型测点布置示意图 Fig.2 Sketch map of simulating model 4 顶板基岩及粘土隔水层位移规律 为了便于理解,下面分析中的各项数据还原为 原型值。这里只是总结了首分层开挖的顶板地层和 隔水层位移规律。模拟实验得出的位移规律如图3 所示。 图3 上覆岩层位移规律 Fig.3 Subsidence curves of overburden layers 图中,横坐标负值表示相对于工作面前方。3 条曲线分别为顶板内距离煤层66 m层位的基岩、 距 离煤层128 m处的隔水层与基岩层交界处的红土层 以及地表层的移动规律。可看出有如下位移规律 a. 顶板66 m层位基岩的位移,自工作面前方 120 m开始,直到工作面上部位置,下沉量也只在 35 cm以内。主要下沉位移发生在工作面后方40～ 100 m ,120 m以后达到稳定,下沉量为4 m ,是采高 的80 。 b. 顶板128 m层位为隔水层底部,自工作面 前方40 m开始位移,直到工作面后方60 m ,下沉仅 在20 cm左右。主要位移发生于工作面后部80～ 120 m ,160 m以后稳定,下沉量达到3.2 m。 c. 地表下沉滞后隔水层约60 m。下沉主要 发生于工作面后120～160 m ,160 m以后下沉量稳 定。 可见,粘土隔水层和地表层等软弱岩层的位移 轨迹都受基岩位移的影响。如何减缓最大下沉区间 的下沉速度,即减小最大下沉梯度单位长度的下沉 量 , 可望成为减缓隔水层导水裂隙出现的关键。因 此,控制基岩关键层的位移仍然是控制隔水层破坏 的基础。 5 裂隙发育规律和隔水层稳定性分析 随着工作面的推进,岩层逐渐向上垮落,裂隙带 63煤田地质与勘探 第34卷 高度也随之向上发展。基岩初次垮落发生于工作面 推进100 m处,之后每推进30～40 m顶板垮落一次。 开采过程中,明显的离层高度始终先前于垮落 约20 m。当工作面在200～220 m期间,离层高度达 到粘土隔水层,即采动影响到隔水层。然而,隔水层 是否导水,还有待进行隔水层水理性的固液耦合模 拟实验。当工作面推进到260 m时,裂隙带发育至 隔水层,如图4和图5所示,隔水层出现明显裂隙, 并有沟通的趋势,岩层垮落波及地表。 图4 岩层及隔水层破断状况开挖260 m Fig.4 Photo of failure zone on simulating model when mined at 260 m 图5 裂隙发展与开采范围关系图 Fig.5 Relationship between mining distance and caving height 6 结论 通过采用物理相似模拟试验,在首次考虑了隔 水层塑性和变形特性相似的条件下,针对我国陕北 榆神矿区榆树湾矿2- 2煤层开采首分层的条件,初 步进行了顶板粘土隔水层稳定性的模拟研究,取得 了初步认识 a. 隔水层的位移主要受开采引起的基岩层位 移规律的影响。因此,研究基岩关键层的破坏和位 移规律,通过控制基岩关键层的位移来减小隔水层 内导水裂缝的发育程度是可行的途径。 b. 预计基岩老顶初次大范围垮落步距为 100 m ,周期垮落步距为30～40 m。 c. 预计当工作面推进260 m时,采动影响波 及到粘土隔水层,使隔水层内产生采动裂隙裂隙是 否导水,有待于进一步研究 ; 在充分采动下,采动影 响势必影响到地表,地表最大下沉量将超过3.2 m。 d. 地层的主要下沉发生于工作面后方80～ 120 m。通过增大主要下沉区间的宽度,可减缓集中 下沉速度,即减小下沉梯度Ts将是控制隔水层导水 裂隙出现的关键。 总之,通过初步的模拟,基本掌握了榆树湾井田 粘土隔水层在采动过程中位移、 裂隙发展与开采范 围的关系,这为进一步研究该区的潜水流失及其防 治措施奠定了基础。 参考文献 [1] 黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板结构与岩层控制研究[M].徐 州中国矿业大学出版社,2000. 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