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        煤層的采掘?qū)Φ刭|(zhì)異常體影響的數(shù)值分析

        2021-01-29 13:33:10安徽建筑大學(xué)安徽合肥230000
        安徽建筑 2021年1期
        關(guān)鍵詞:突水巖溶峰值

        (安徽建筑大學(xué),安徽 合肥 230000)

        1 引言

        地質(zhì)異常體是一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造,主要分布在我國(guó)北部。其構(gòu)造的復(fù)雜性導(dǎo)致突水仍然具有很大的可預(yù)測(cè)性和不可控制性。目前對(duì)其處理方式多為采前注漿以及煤層的采掘時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。地質(zhì)異常體的滲透,由骨架結(jié)構(gòu)和骨架中的填充物決定。許多地質(zhì)異常體處于無(wú)法活動(dòng)狀態(tài),各種各樣的骨料把框架中的縫隙填滿。此時(shí),固結(jié)程度和填土含水量是決定地質(zhì)異常入滲特征的重要因素。在采動(dòng)影響下,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂隙容易發(fā)生失穩(wěn),水流的滲流使其內(nèi)部填隙物流失,形成突水通道,奧陶系灰?guī)r水是為了引起水的侵入而連接在煤層地板上的。從沉降塔流入的水是最嚴(yán)重的類型的水災(zāi),其特征是遲延和突然。目前,延遲突水機(jī)制的研究主要關(guān)于地板破壞的時(shí)間影響上,但是關(guān)于在礦業(yè)影響下斷層結(jié)構(gòu)的水傳導(dǎo)和水流入延遲機(jī)制的研究相對(duì)較少。但是,崩塌專欄的水轉(zhuǎn)換水路,通常由煤層地板和異常體構(gòu)成,有些異常體,甚至直接成為煤層和帶水層之間的水轉(zhuǎn)換水路。必須對(duì)地質(zhì)異常體有充分的認(rèn)識(shí),在了解認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上去盡量減小對(duì)煤層開挖的不利影響。

        地質(zhì)異常體是隱伏巖溶的一種特殊類型,它是巖溶巖體因水溶性崩塌而形成的。通過(guò)對(duì)中國(guó)南部與北部主要礦區(qū)地質(zhì)異常體突水資料的分析,認(rèn)為地質(zhì)異常體成為垂直突水通道有三個(gè)基本條件:①地質(zhì)異常體所在地段的巖溶含水層富水;②有一定的水頭壓力;③地質(zhì)異常體膠結(jié)不良,導(dǎo)水性好。在實(shí)際施工過(guò)程中,開挖工程接近強(qiáng)含水巖溶地質(zhì)異常體,含水巖溶地質(zhì)異常體出水孔不能得到強(qiáng)烈控制,或強(qiáng)含水巖溶地質(zhì)異常體的圍巖區(qū)被來(lái)回鉆孔破壞,在礦井流水侵蝕、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等因素的作用下,地質(zhì)異常體圍巖應(yīng)力變化,應(yīng)力集中區(qū)減小,突降應(yīng)力范圍增大,周圍的巖石傳導(dǎo)水的能力被強(qiáng)化,并且由于防止突水通道,限制的能力變?nèi)?。發(fā)現(xiàn)礦床效應(yīng)是地質(zhì)異常體突水事故的重要誘因。地質(zhì)異常體的本來(lái)平衡狀態(tài)在開采過(guò)程中被破壞,當(dāng)關(guān)鍵層突破時(shí)形成水的突入。根據(jù)突入的理論分析,礦業(yè)過(guò)程中崩塌柱破壞的本質(zhì)是礦床應(yīng)力場(chǎng)和滲透場(chǎng)的相互作用。滲透壓引起巖石周圍崩塌柱的變形,挖掘的應(yīng)變也改變了滲透系數(shù),導(dǎo)致滲透場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)合。

        巖體力學(xué)參數(shù)表 表1

        工作面采動(dòng)對(duì)地質(zhì)異常體的數(shù)值模擬

        為了探明昌恒煤礦9102工作面其煤層周圍地質(zhì)異常體的含水、導(dǎo)水性,對(duì)其進(jìn)行了具體的鉆孔取樣分析,探查成果表明:地質(zhì)異常體(地質(zhì)異常體)平面上呈不規(guī)則的橢圓形,長(zhǎng)度約47m,短軸約19m,距離9102機(jī)巷最近距離14.5m;地質(zhì)異常體內(nèi)垮落物4/5為硅質(zhì)和泥質(zhì),上部集中有鐵鎂鈣,越往下氧化鋁、氧化鎂、氧化硅和氧化鉀含量越多,氧化鈉、氧化鈣和三氧化二鐵的含量則越少,其內(nèi)部各種巖石膠合情況良好,嚴(yán)實(shí)緊密。成果探明X1地質(zhì)異常體含水性較差,柱體的鉆孔都沒有出現(xiàn)明顯的出水;4102工作面開采跨越地質(zhì)異常體時(shí),工作面涌水量尚未出現(xiàn)明顯的增加,開采實(shí)踐表明X1地質(zhì)異常體的導(dǎo)水特性較差。

        通過(guò)FLAC3D,結(jié)合9102工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,利用計(jì)算機(jī)模型模擬研究9102工作面采動(dòng)對(duì)地質(zhì)異常體的影響,工作面具體力學(xué)參數(shù)表見表1。

        2 模型建立

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐,對(duì)模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化,以獲得更為普遍的規(guī)律。模型的長(zhǎng)度為300m(x方向),每10m 有一條杠。寬度200m(y方向),高度155.5m(z方向)。模型共15800個(gè)網(wǎng)格,17732個(gè)節(jié)點(diǎn)。煤層順走向開挖,工作面寬度取100m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料,設(shè)置地質(zhì)異常體位于x=150m處,距離9102工作面14m,頂部冒落位于地表黃土層,底部到達(dá)含水層。

        如圖1所示,本次數(shù)值分析地質(zhì)異常體直徑為32m,通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行切片,對(duì)比工作面的再次開掘過(guò)程中采場(chǎng)、地質(zhì)異常體塑性區(qū)、應(yīng)力以及位移變化規(guī)律。

        圖1 地質(zhì)異常體數(shù)值分析模型

        3 模擬設(shè)計(jì)

        根據(jù)工作面埋深,在模型上部施加5MPa的補(bǔ)償應(yīng)力,頂板在工作面推進(jìn)過(guò)程中不受特殊支撐,而是根據(jù)實(shí)際情況允許自行下落。在混凝土巖體參數(shù)不變的條件下,設(shè)計(jì)了表2所示的開采方案。

        工作面回采模擬方案 表2

        地質(zhì)異常體在工作面回采時(shí)應(yīng)力峰值變化統(tǒng)計(jì) 表3

        4 結(jié)果分析

        4.1 應(yīng)力分析

        首先對(duì)地質(zhì)異常體周圍應(yīng)力變化進(jìn)行分析,如下圖2,為了更為直觀的了解,我們將其應(yīng)力峰值統(tǒng)計(jì)為表3。

        圖2 開采過(guò)程中的應(yīng)力變化

        對(duì)比分析可知:

        ①應(yīng)力集中情況因?yàn)榈刭|(zhì)異常體的影響而得到改善;

        ②地質(zhì)異常體對(duì)回采的影響具體表現(xiàn)為兩個(gè)方面:一是工作面接近地質(zhì)異常體時(shí),應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定,但是峰值位置與工作面距離縮短;二是通過(guò)地質(zhì)異常體后峰值應(yīng)力明顯減小,但峰值應(yīng)力的位置和工作面的距離得到恢復(fù),峰值應(yīng)力和距離呈現(xiàn)不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。

        4.2 位移分析

        回采步續(xù)下地質(zhì)異常體位移云圖,見圖3。

        對(duì)比分析可知;工作點(diǎn)回采過(guò)程中,地質(zhì)異常體的變形階段與破壞階段基本一致,特別是回采前后30m范圍內(nèi),地質(zhì)異常體變形明顯,主要是由于巖體松散破碎,采動(dòng)影響下巖體被壓縮,出現(xiàn)位移變化;地質(zhì)異常體范圍越大,回采造成的位移變化也越大。

        圖3 回采過(guò)程中地質(zhì)異常體的位移變化

        通過(guò)模擬,可得到以下規(guī)律:

        ①含地質(zhì)異常體條件下,隨工作面推進(jìn),需要重點(diǎn)關(guān)注工作面前后50m,此范圍內(nèi)工作面超前應(yīng)力峰值與距離表現(xiàn)為非協(xié)調(diào)變化,但是整體上應(yīng)力集中程度得到緩解。

        ②隨工作面推進(jìn),回采對(duì)地質(zhì)異常體的影響范圍主要為頂部至底板下方40m;工作面過(guò)地質(zhì)異常體后30m范圍內(nèi),地質(zhì)異常體的破壞發(fā)展存在上下貫通的趨勢(shì);工作面過(guò)地質(zhì)異常體前后30m范圍內(nèi),地質(zhì)異常體存在位移明顯變化階段,地質(zhì)異常體范圍越大,回采造成的位移變化也越大。

        4.3 再次的開掘過(guò)程中地質(zhì)異常體彈塑性變化

        由以上文分析可知,煤層的采掘的前段工程對(duì)地質(zhì)異常體的影響不大,需要重點(diǎn)關(guān)注煤層的采掘距離地質(zhì)異常體近距離位置。地質(zhì)異常體圍巖塑性區(qū)如圖4。

        圖4 再次的開掘過(guò)程中地質(zhì)異常體塑型區(qū)域變化

        對(duì)比分析可知:

        ①工作面的再次開掘過(guò)程中,底板的破壞深度一般發(fā)展至20m;接近地質(zhì)異常體時(shí),側(cè)向端頭部分最大達(dá)到30m,主要原因?yàn)橐皇怯捎诙祟^部分屬于應(yīng)力集中區(qū),破壞程度較高;二是地質(zhì)異常體基本由散體組成,整體強(qiáng)度及完整性較低,對(duì)于底板破壞的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

        ②工作面回采對(duì)地質(zhì)異常體的影響范圍主要為頂部至底板下方40m,且地質(zhì)異常體直徑越大,影響范圍也越大,特別是工作面過(guò)地質(zhì)異常體后30m范圍內(nèi),地質(zhì)異常體的破壞發(fā)展存在上下貫通的趨勢(shì)。如果想要對(duì)地質(zhì)異常體的破壞進(jìn)行有效地控制,那么采取注漿加固措施就是可行的。

        5 結(jié)語(yǔ)

        由模擬所示的結(jié)果,可以得到煤層采動(dòng)對(duì)地質(zhì)異常體的影響規(guī)律:

        隨工作面推進(jìn),需要重點(diǎn)關(guān)注工作面接近地質(zhì)異常體前后20m,此范圍內(nèi)工作面超前應(yīng)力峰值與距離表現(xiàn)為非協(xié)調(diào)變化,應(yīng)力突然增大。工作面掘進(jìn)越深,地質(zhì)異常體周圍圍巖位移不斷增大,在工作面過(guò)地質(zhì)異常體時(shí),位移增大較為明顯,以及煤層的采掘擾動(dòng)導(dǎo)致地質(zhì)異常體的破壞發(fā)展存在上下貫通的趨勢(shì),但其尚未完全貫通。

        綜上所述,地質(zhì)異常體環(huán)節(jié)工作面的應(yīng)力集中程度,開采前最好利用注漿加固技術(shù)進(jìn)行防治,實(shí)際回采過(guò)程中,對(duì)工作面過(guò)地質(zhì)異常體前后20m需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

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