楊玉亮 李永明 徐祝賀

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003)

厚煤層綜放開采富水覆巖采動裂隙動態(tài)模擬研究?

楊玉亮 李永明 徐祝賀

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003)

以陜西省旬耀礦區(qū)水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ),通過相似模擬試驗(yàn)研究了綜放開采上覆巖層的運(yùn)移、周期破斷及裂隙擴(kuò)展規(guī)律。結(jié)果表明關(guān)鍵層的破斷對覆巖裂隙向上發(fā)育起決定作用,在其破斷前一定時期內(nèi)裂隙發(fā)育保持相對穩(wěn)定;隨著工作面的推進(jìn),裂隙發(fā)育是動態(tài)發(fā)展的,采動導(dǎo)水裂隙的演化可分為發(fā)展期、貫通期和壓實(shí)閉合期3個階段;導(dǎo)水裂隙帶高度擴(kuò)展到了直羅組上部巖層,并未發(fā)育到洛河組砂巖含水層,覆巖破壞高度最大為78.7 m,約為采高的9倍。

厚煤層 綜放開采 富水覆巖 采動裂隙 相似模擬 導(dǎo)水裂隙帶高度

在處理富水覆巖下采煤問題時,主要考慮開采引起的覆巖中裂縫是否會相互連通及相互連通的裂縫是否擴(kuò)展到水體。針對厚煤層綜放高強(qiáng)度開采過程中富水覆巖采動裂隙貫通造成的突水問題,以旬耀礦區(qū)水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ),通過實(shí)驗(yàn)室相似模擬研究采動裂隙形態(tài)及不同開采階段動態(tài)分布特征對工作面安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)有實(shí)際意義。前人對采動裂隙形態(tài)、規(guī)律、發(fā)育高度等方面的研究較多,但基于特定地質(zhì)條件富水含水層下開采時裂隙動態(tài)發(fā)育及擴(kuò)展規(guī)律研究較少。本文以西川煤礦1109工作面地質(zhì)條件為依據(jù),對其采動裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了研究,為該礦區(qū)煤炭開采提供了指導(dǎo)。

1 礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)特征

旬耀礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田中段,礦區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為三疊系中統(tǒng)銅川組,三疊系上統(tǒng)胡家村組,侏羅系下統(tǒng)富縣組,侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組,白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池組,新近系上新統(tǒng)保德組及第四系地層。第四系表土厚11.85 m,基巖厚度超過400 m,主要由含礫砂巖、粗砂巖、粉砂巖及中粒砂巖等組成,強(qiáng)度較高。其中主采4#煤層位于侏羅系中統(tǒng)延安組,平均煤厚8.5 m,傾角5°。覆巖中直接充水含水層為洛河砂巖水,間接充水水源為煤層頂板直羅組砂巖裂隙含水層。

(1)白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖裂隙含水層(K1l)。該層礦區(qū)廣泛分布,厚度200～430 m,巖性以棕紅色中粒砂巖為主,上部為礫巖層,膠結(jié)松散,有大型斜層理,在溝谷泉水出露較多,流量0.01～3.4 L/s,水質(zhì)屬HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Ca·Mg型淡水。

(2)侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層(J2z1)。該層分布廣泛,厚度0～59.33 m,巖性以灰白色中粗粒砂巖為主,底部粒度變粗,局部為含礫粗砂巖。該層在礦區(qū)露頭較少,在露頭區(qū)有泉水出露,流量0.11～0.78 L/s,礦化度0.446～0.892 g/L,屬HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Na·Mg型水。

其中洛河組砂巖含水層分布廣、厚度大、富水性較強(qiáng),對礦區(qū)煤層的安全開采構(gòu)成了威脅。

2 試驗(yàn)方案及模型制作

為了研究厚煤層含水層下綜放開采采動裂隙動態(tài)演化過程,對西川煤礦1109工作面進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)。本試驗(yàn)應(yīng)該滿足開采過程引起巖體變形和破壞的整個運(yùn)動過程相似。模型與原型各部分的尺寸按照同樣的比例縮小,模型寬度同時應(yīng)滿足可使工作面基本達(dá)到充分采動,并且不受開采邊界的影響。根據(jù)需要模型選用2.5 m×0.2 m×2 m的模型試驗(yàn)架,采用1∶80的比例。由相似理論確定相似常數(shù)。幾何相似常數(shù)為80,容重相似常數(shù)為1.5,時間相似常數(shù)為8.94,位移相似常數(shù)為80,強(qiáng)度、彈模、粘結(jié)力相似常數(shù)為120。

最后算得模型的高度為1500 mm。根據(jù)巖樣物理力學(xué)參數(shù)來確定模型配比參數(shù),見表1。

表1 模型試驗(yàn)各巖層相似材料配比

模型中可用普通河砂作為骨料,以石膏和碳酸鈣作為膠結(jié)材料,云母粉作為分層材料。模型左右各留300 mm煤柱,沿工作面走向每步開挖50 mm,采高為85 mm,間隔應(yīng)按照時間相似比進(jìn)行。模型加載采用液壓水袋加載,泵站壓力0.094 MPa。同時用三維攝影測量系統(tǒng)拍照測出各點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的位移變化值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 采場上覆巖層垮落裂隙演化特征

(1)隨著工作面不斷向前推進(jìn),煤層上方直接頂粉砂巖在推進(jìn)至36 m時開始出現(xiàn)離層裂隙,工作面開采不斷進(jìn)行,其上方的橫向裂隙擴(kuò)張范圍逐漸增大,當(dāng)推進(jìn)至40 m時,粉砂巖直接頂突然垮落,垮落高度約為1.5 m,垮落步距為40 m,如圖1(a)所示。

圖1 頂板初次來壓

由于垮落巖層未充滿采空區(qū),上覆巖層出現(xiàn)橫向離層裂隙,工作面繼續(xù)推進(jìn),直接頂發(fā)生多次垮落,并造成采空區(qū)老頂懸空現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進(jìn)至72 m時,老頂達(dá)到極限跨距,發(fā)生初次垮落,如圖1(b)所示。老頂初次來壓時,因工作面開采范圍較大,冒落巖層很難充滿采空區(qū),從而發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn),對工作面及下覆巖層沖擊較大。老頂破斷后,上覆巖層中部出現(xiàn)縱向拉裂隙。此時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為14.2 m。

(2)當(dāng)工作面推進(jìn)至92 m時,老頂發(fā)生第一次周期來壓,來壓步距20 m,煤壁側(cè)巖層破斷角為52°。頂板破斷是沿煤壁形成貫通裂隙處開裂,貫通裂隙為上開下閉合狀態(tài)。關(guān)鍵層及其上方巖層出現(xiàn)明顯裂隙,橫、縱向裂隙導(dǎo)通,如圖2(a)所示。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至100 m時,老頂發(fā)生第二次周期來壓,此時上覆巖層中的關(guān)鍵層出現(xiàn)橫向裂隙開始彎曲下沉,關(guān)鍵層的破斷引起上覆1.8 m厚的泥巖、3.3 m厚的礫巖及5.2 m厚的中粒砂巖同時破斷,呈現(xiàn)關(guān)鍵層的承載特性。關(guān)鍵層的破斷促使上覆巖層發(fā)生離層,導(dǎo)致裂隙繼續(xù)向上發(fā)育,同時其下方的離層裂隙開始逐漸壓實(shí),只在開切眼及工作面上方仍有明顯離層裂隙,關(guān)鍵層的破斷如圖2(b)所示。此時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度46.2 m。

(3)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至120 m,工作面第三次周期來壓,這時上覆巖層大范圍產(chǎn)生冒落和運(yùn)移,關(guān)鍵層上方垮落巖體形成的離層裂隙在新垮落巖體的壓力作用下逐步閉合。此時水平裂隙繼續(xù)向上發(fā)育同時縱向裂隙也向前發(fā)育,由于冒落巖層基本充填采空區(qū),裂隙雖繼續(xù)向上發(fā)育,但離層裂隙減小。此時導(dǎo)水裂隙高度為58 m,如圖2(c)所示。工作面向前推進(jìn)至124 m,工作面第四次周期來壓并伴隨10.6 m厚的中粒砂巖關(guān)鍵層破斷,破斷距離大約為36 m。其覆巖的破斷角約為55°,此時關(guān)鍵層中粒砂巖破斷導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度約為64 m。在開切眼和工作面附近有縱向裂隙貫通區(qū),但在采空區(qū)中部重新壓實(shí),裂隙基本閉合,如圖2 (d)所示。

(4)工作面向前推進(jìn)至160 m,模擬試驗(yàn)結(jié)束。如圖3所示,覆巖最終垮落尺寸為最上方長約72 m,左邊斜長96 m,右邊斜長92 m,采動引起覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為78.7 m。垮落帶高度約為28 m,未導(dǎo)通上覆洛河組砂巖。

工作面開采過程中經(jīng)歷了多次周期來壓,關(guān)鍵層也出現(xiàn)了周期性的破斷,形成了較穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)。隨著工作面不斷向前推進(jìn),上覆巖層發(fā)生破斷,其后方巖層慢慢壓實(shí),變形逐漸趨于穩(wěn)定。在工作面停采時,采空區(qū)中部導(dǎo)水裂隙基本壓實(shí)閉合,導(dǎo)水貫通裂隙僅在工作面及開切眼上方巖層處發(fā)育,但已基本趨于穩(wěn)定,不再向上發(fā)展。覆巖破斷裂隙發(fā)展主要分為3個階段：開切眼到初次來壓前,基本頂隨著工作面的推進(jìn),巖層由彈性形變向塑性形變發(fā)展,直到出現(xiàn)裂隙,裂隙密度也不斷增加,到來壓前裂隙密度達(dá)到最大值;初次來壓到周期性礦壓顯現(xiàn),隨著覆巖的垮落,破斷裂隙向較高層位發(fā)展,當(dāng)推進(jìn)到一定程度時,采空區(qū)中部垮落巖層重新壓實(shí),裂隙密度迅速減小;工作面和開切眼附近,由于煤巖體受到支承應(yīng)力作用,縱向裂隙較發(fā)育,且裂隙密度較大。

圖2 老頂周期來壓

圖3 試驗(yàn)最終巖層垮落形態(tài)

3.2 開采過程中上覆巖層垂直位移變化規(guī)律

從不同監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移曲線可知,在采場不斷向前推進(jìn)過程中在關(guān)鍵層上布置的測點(diǎn)的垂直位移呈增大趨勢。如圖4所示,在采場向前推進(jìn)到65 m時,垂直位移開始增大,上覆巖層老頂發(fā)生彎曲下沉,當(dāng)其推進(jìn)到100 m左右時,垂直位移達(dá)到最大值,判斷其上覆關(guān)鍵層受到采動影響開始彎曲變形。

圖4 不同監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移變化

4 現(xiàn)場實(shí)測

根據(jù)1109工作面現(xiàn)場實(shí)際情況,沿工作面面長方向上、中、下3個部位布置測區(qū),上部測區(qū)布置在93#、94#液壓支架,中部測區(qū)布置在49#、50#液壓支架,下部測區(qū)布置在6#、7#液壓支架,如圖5所示。采用YHY60(B)礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)自動采集壓力,對工作面來壓進(jìn)行觀測。

圖5 工作面測線布置示意圖

在1109工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中,工作面向前推進(jìn)到70 m左右,液壓支架工作阻力明顯增大, 49#、50#支架工作阻力最大值達(dá)到8140 kN,可以判斷此時基本頂初次來壓。工作面不斷向前推進(jìn),裂隙不斷向前擴(kuò)展,每隔20 m左右液壓支架工作阻力有明顯增大趨勢,可以判斷周期來壓步距約為20 m。在整個工作面生產(chǎn)過程中,頂板未出現(xiàn)涌水,由此判斷未導(dǎo)通工作面上覆洛河組砂巖。

5 結(jié)論

(1)工作面停采時,裂隙發(fā)育比較穩(wěn)定,采空區(qū)中部斷裂帶內(nèi)導(dǎo)水裂隙已基本壓實(shí)閉合,導(dǎo)水貫通裂隙僅在工作面上方及開切眼附近發(fā)育。由此說明在工作面走向方向上,隨著工作面的推進(jìn),裂隙發(fā)育是動態(tài)發(fā)展的。采動導(dǎo)水裂隙的演化可分為發(fā)展期、貫通期和壓實(shí)閉合期3個階段。

(2)相似材料模擬研究揭示了采空區(qū)覆巖上部巖層裂隙閉合而邊界處裂隙不易閉合的事實(shí)。邊界處與采空區(qū)中部的導(dǎo)高差還要考慮覆巖破壞狀態(tài)及其受力狀態(tài)因素。

(3)煤層開采過程中,其覆巖的巖層破斷角約為55°左右,覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為78.7 m,約為采高的9倍。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

2020年現(xiàn)代煤化工耗煤量將達(dá)1.2億t

日前,在國際環(huán)保機(jī)構(gòu)自然資源保護(hù)協(xié)會(NRDC)的協(xié)助下,中國煤控項(xiàng)目在京發(fā)布最新研究報(bào)告《煤化工產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量控制及其政策研究執(zhí)行報(bào)告》(以下簡稱《報(bào)告》)。

《報(bào)告》稱,近年來,隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)的突破,以及一批示范項(xiàng)目的建設(shè)運(yùn)行,我國煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長較快,已成為世界上現(xiàn)代煤化工最大生產(chǎn)國?；び妹赫w呈增長態(tài)勢,占比不斷提高,預(yù)計(jì)到2020年,化工用煤將比2015年增長20%左右。

2016年前5個月,其他行業(yè)耗煤量多呈下降趨勢,但煤化工逆勢增長6%。究其原因在于煤炭消費(fèi)量處于下降期,許多地方政府和企業(yè)利用用煤價(jià)格低,投資現(xiàn)代煤化工行業(yè),為煤炭行業(yè)尋找新的生產(chǎn)增長點(diǎn)?，F(xiàn)代煤化工的耗煤量從10年前不足幾千萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,如今迅速上升。但是,現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)在我國還處于示范階段,還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,要先做好示范項(xiàng)目,防止盲目擴(kuò)張。

據(jù)該課題研究,在基準(zhǔn)情景下,2050年煤化工整體耗煤量將達(dá)到7.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上,其中現(xiàn)代煤化工煤炭消費(fèi)量達(dá)3.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤;而通過施行嚴(yán)格的煤控措施,現(xiàn)代煤化工煤炭消費(fèi)量到2050年可降到2.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤左右,降低煤耗40%左右。而從煤炭消費(fèi)的中長期情景預(yù)測來看,現(xiàn)代煤化工的耗煤量到2020年將達(dá)1.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤,2050年將達(dá)2.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤。煤化工行業(yè)在總煤耗的占比將在2020年上升到5%～6%,2050年將會占到23%～24%。因此,化工產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)增量不可小覷。要控制中國的煤炭消費(fèi)總量,控制化工用煤總量是重要途徑之一。

Simulation study on dynamic mining-induced fractures in overlying stratum with rich water above fully mechanized caving face in thick seam

Yang Yuliang,Li Yongming,Xu Zhuhe
(School of Coal Engineering,Datong University,Datong,Shanxi 037003,China)

Based on hydrogeology data of Xunyao mining area in Shaanxi province,the movement,periodic breaking and fracture propagation rules of overlying stratum in fully mechanized caving face were studied by similar simulation tests.The results showed that the upward developing of the fractures were determined by the breaking of key stratum,and before that,the fracture development kept relatively stable in a certain time;the fractures were developing dynamically along with the working face advance,and the evolution of mining-induced water flowing fracture divided into three stages,developing period,break-through period and compaction closing period;the water flowing fractured zone reached upper stratum of Zhiluo Formation,but didn＇t reach the sandstone acquire of Luohe Formation,the height of overlying stratum failure was up to 78.7 m,about 9 times of mining height.

high seam,fully mechanized caving mining,overlying stratum with rich water, mining-induced fracture,similar simulation,height of water flowing fractured zone

TD821

A

楊玉亮(1988-),男,山西朔州人,助教,碩士,2014年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)。主要從事采礦專業(yè)教學(xué)和礦山壓力控制方面的教學(xué)與研究工作。

大同大學(xué)2015年度青年科研基金項(xiàng)目(2015Q8)