淺埋煤層長壁開采覆巖移動(dòng)與裂隙擴(kuò)展規(guī)律研究

淺埋煤層長壁開采覆巖移動(dòng)與裂隙擴(kuò)展規(guī)律研究

神東礦區(qū)位于中國內(nèi)蒙古南部和陜西省北部，探明儲(chǔ)量為2236億噸，占全國人口的1.4%。它是世界上最大的大型礦區(qū)之一，2005年以來每年總面積超過1億元。這是中國最大的現(xiàn)代化礦區(qū)，煤層埋深平坦（大部分小于100米），上覆巖薄，地表為深層風(fēng)積沙覆蓋層，地層下隱藏著寶貴的潛水。這是神東礦區(qū)地層特征的顯著標(biāo)志。大型長壁開采產(chǎn)生的平坦煤層對(duì)地表的影響更加敏感。采井工程的裂縫可以直接溝通表面，容易引起煤層酯、地下水流失和地表植物的死亡。巖漿巖的裂縫的擴(kuò)展和分布特征是有效解決上述問題的重要基礎(chǔ)。文獻(xiàn)證實(shí)，采井工程對(duì)覆蓋含水層的影響是不利的。在覆巖中有適當(dāng)?shù)膸r石組，開采后一定時(shí)期內(nèi)，井中的水位受到影響，水位下降。通過物理模擬，文件中硬巖水平面上的滑動(dòng)特征可以用來控制開采的可能性。相反，對(duì)上述文獻(xiàn)中采井過程和巖屑的動(dòng)態(tài)分布特征沒有文獻(xiàn)。雖然在平鉆層的礦壓控制方面有許多研究工作，但平鉆層的流動(dòng)裂縫的時(shí)空分布規(guī)律沒有系統(tǒng)的解釋。巖石控制的重要層次理論為研究該問題提供了新的指導(dǎo)。該理論認(rèn)為，重要層的運(yùn)動(dòng)控制了離層生成和發(fā)展的空間分布，而脫鹽巖的流動(dòng)通常出現(xiàn)在關(guān)鍵層下。為此,本文采用物理模擬和數(shù)值模擬兩種方法,以神東礦區(qū)典型的煤層賦存條件為主要研究對(duì)象,選取大柳塔礦12305工作面、上灣煤礦的51201工作面和補(bǔ)連塔32201工作面為模擬原型,分析了淺埋煤層長壁開采覆巖采動(dòng)裂隙在水平面方向、垂直面工作面走向及傾向的動(dòng)態(tài)演變特征,可為保水開采方案的選擇、防滅火技術(shù)的應(yīng)用、抽放瓦斯的鉆孔布置及地表植物的選擇提供可靠依據(jù).1該礦區(qū)的典型煤層賦存條件及巖石覆蓋力學(xué)參數(shù)1.13基巖類型和基巖厚度通過對(duì)神東礦區(qū)的煤層鉆孔柱狀圖及相關(guān)地質(zhì)資料分析,按基巖厚度、對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)起控制作用的較堅(jiān)硬巖層數(shù)(即關(guān)鍵層層數(shù))及風(fēng)積沙松散層厚度與煤層上覆基巖厚度比(K)的不同,神東礦區(qū)有3類典型煤層賦存條件:1)Ⅰ類.基巖厚度<30m,只覆存1個(gè)較堅(jiān)硬巖層(稱之為關(guān)鍵層),且K≥1,如表1所示.2)Ⅱ類.30m≤基巖厚度<60m,只覆存1層關(guān)鍵層,但K<1,如表2所示.3)Ⅲ類.基巖厚度≥60m,覆存2層關(guān)鍵層(一個(gè)稱主關(guān)鍵層,一個(gè)稱亞關(guān)鍵層),主關(guān)鍵層位于垮落帶之上,基本頂為亞關(guān)鍵層,且K<1,如表3所示.3類典型賦存條件中,在基巖頂部都有一強(qiáng)風(fēng)化帶(5～10m),風(fēng)化后趨于黏土化,其塑性顯著增大,抗變形破壞能力大大增強(qiáng),且浸水后易迅速崩解和泥化,能夠抑制采動(dòng)冒落裂隙向上擴(kuò)展.強(qiáng)風(fēng)化帶的上部即為潛水層,厚10m左右,被厚度為20～40m的風(fēng)積沙松散層覆蓋.1.2巖漿巖的主要力學(xué)參數(shù)1風(fēng)積沙松地下水開采帶的巖石結(jié)構(gòu)大柳塔12305工作面基巖厚度16～18m,上覆風(fēng)積沙松散層30m,松散含水層厚度在14m左右,煤厚3.74m,采用長壁采煤法開采,工作面長240m,煤層及頂、底板巖層的主要力學(xué)指標(biāo)參見表1.2覆巖參數(shù)設(shè)計(jì)上灣煤礦51201工作面煤層平均厚度5.8m,設(shè)計(jì)最大采高5.3m,上覆巖層厚度為40m左右,松散含水層厚度在10m左右.具體覆巖參數(shù)參見表2.32ii級(jí)煤層補(bǔ)連塔礦32201工作面補(bǔ)連塔煤礦32201工作面基巖厚度78m,巖性主要為砂巖,上覆松散含水層厚度約10m.具體覆巖參數(shù)參見表3.2覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律采用RFPA2D(Rockfailureprogressanalysis)專業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室相似材料試驗(yàn)兩種模擬方法.應(yīng)用RFPA2D軟件主要分析覆巖賦存單一關(guān)鍵層(Ⅰ和Ⅱ兩類煤層)時(shí),隨工作面的開采,采動(dòng)裂隙在垂直面沿工作面推進(jìn)方向與垂直面沿工作面傾向的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律.而應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬試驗(yàn),主要針對(duì)覆巖賦存單一關(guān)鍵層和兩層關(guān)鍵層(Ⅱ和Ⅲ兩類煤層)時(shí),分析在水平面巖層及垂直面沿工作面推進(jìn)方向的覆巖采動(dòng)裂隙擴(kuò)展與分布特征,并與同類的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.3后處理功能RFPA2D可以計(jì)算并動(dòng)態(tài)演示材料從受載到破裂的完整過程,整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的開放性、可擴(kuò)展性,具有較好的后處理功能.在分析煤層頂板的離層、冒落、垮落、裂隙擴(kuò)展情況方面,RFPA2D軟件是較為理想的模擬軟件.此軟件在計(jì)算過程中執(zhí)行分步開挖功能,每開挖一步,模型自動(dòng)計(jì)算一步,并將單元的破壞移動(dòng)過程通過彈性模量圖或應(yīng)力圖顯示出來,圖中顏色灰度越亮表示壓應(yīng)力越大,灰度越暗表示拉應(yīng)力越大.3.1垂直方向的方向3.1.1i類煤層大柳塔礦12305工作面1覆巖力學(xué)模型為了盡量減小邊界情況的影響,模型劃分為300×70個(gè)單元.采用連續(xù)開采的力學(xué)模型,覆巖各層相變力學(xué)參數(shù)如表1中所示.利用RFPA中的分步開挖功能,從第2步開始開挖,為符合工作面快速推進(jìn)(15m/d)要求,開挖步距為1.8m,共開挖135m.2基本頂初次切落期.采場(chǎng)開挖后,工作面推進(jìn)到30m時(shí)直接頂初次冒落.當(dāng)推進(jìn)到42m時(shí),基本頂初次來壓連同地表一起切落.工作面推進(jìn)至58m時(shí),基本頂發(fā)生第1次周期性整體切落;工作面推進(jìn)到73m時(shí),基本頂發(fā)生第2次周期性整體切落,如圖1所示.3頂板高壓變形控制工作面基本頂初次來壓時(shí),覆巖直至地表整體切落;頂板周期性切落時(shí),頂板及其上覆厚松散風(fēng)積沙層也幾乎是整體下沉.隨著工作面快速推進(jìn),整體破斷的頂板巖塊可以擠壓并快速閉合,仍具有阻水作用.3.1.22級(jí)煤層上灣礦51201工作面模型、參數(shù)和加載方式等同上,覆巖各層相變力學(xué)參數(shù)如表2中所示.1基本頂重全面垮落工作面開挖到28m時(shí),直接頂開始冒落;工作面開挖到40m時(shí),基本頂開始垮落,到55m時(shí),基本頂初次垮落,但未涉及到松散層,如圖2a所示;當(dāng)工作面開挖到近76m時(shí),基本頂出現(xiàn)第1次周期來壓,上覆松散層開始破壞,如圖2b所示.2加20m的情況可見,與基巖厚18m的模擬結(jié)果相比,在基巖厚度增加到40m時(shí),相應(yīng)的來壓步距也增大,且基本頂初次與第1次周期性垮落時(shí),覆巖沒有整體性垮落,更不會(huì)波及到地表.但在第2個(gè)周期來壓時(shí),地表與覆巖同步運(yùn)動(dòng).3.2垂直端部的傾斜以上灣礦51201工作面為代表的Ⅱ類煤層為模擬分析基礎(chǔ)條件.1采礦和采礦方案先掘出3條順槽,兩相鄰順槽間的間距分別為30m(區(qū)段煤柱的寬度)和230m(工作面的寬度),然后再進(jìn)行開采.2模型建設(shè)模型長400m,高100m,共劃分400×100個(gè)基元,采用單元自身重力實(shí)現(xiàn)加載.在試驗(yàn)過程中,采用庫侖準(zhǔn)則作為破壞的判別準(zhǔn)則.31巖石擠壓和裂縫延伸過程采空區(qū)最終垮落情況,如圖3所示.4類似材料的模擬分析4.1平坦的巖石1模型建立和模擬實(shí)驗(yàn)使用簡易立體模型架,模型架長250cm,寬150cm,兩側(cè)邊為20cm寬的支座用以模擬邊界條件.模型采用底卸式開采,底片長150cm,寬6cm.開采模型的原始模型如圖4所示.按照快速推進(jìn)要求,模擬過程中設(shè)置每班割6～10刀,截深為865mm,每班工作面推進(jìn)距離為5.19～8.65m.2基本頂初次沖擊當(dāng)采至55m時(shí),基本頂下位巖層發(fā)生冒落;當(dāng)工作面推進(jìn)至61m時(shí),產(chǎn)生沿整個(gè)工作面的基本頂初次垮落,基本頂初次破斷后形成2個(gè)主板塊,板塊回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后形成V形溝.1號(hào)和3號(hào)成為張開裂隙組,2號(hào)成為閉合裂隙組,如圖4b所示.3巖板的正常運(yùn)轉(zhuǎn)10號(hào)當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時(shí),產(chǎn)生第1次周期性破斷,斷開的巖板產(chǎn)生回轉(zhuǎn),原張開裂隙(3號(hào))變?yōu)殚]合裂隙,并產(chǎn)生新的張開裂隙組(5號(hào)),由于巖板的回轉(zhuǎn),相鄰的兩巖板沿?cái)嗔丫€呈鉸接結(jié)構(gòu),處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖4c所示.隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),第2次周期來壓時(shí),5號(hào)張開裂隙將轉(zhuǎn)為閉合裂隙,工作面前方又出現(xiàn)新的張開裂隙,如此巖板出現(xiàn)周期性的張開與閉合現(xiàn)象.4頂?shù)某醮纹茢嚯S著工作面的推進(jìn),水平面巖層在工作面中央破斷,形成基本頂?shù)某醮纹茢?基本頂周期來壓時(shí),相鄰斷開的兩巖板能相互鉸接,并使相應(yīng)的張開裂隙出現(xiàn)閉合的現(xiàn)象,但采場(chǎng)開切眼及上、下端頭附近,采動(dòng)裂隙發(fā)育,易形成導(dǎo)水通道和漏風(fēng)通道.4.2垂直方向的方向4.2.1模型規(guī)格及基巖規(guī)格實(shí)驗(yàn)采用1∶100的幾何比例,根據(jù)相似三定理,確定主要相似系數(shù)為:模擬線比αl=100;容重相似比αγ=1.67;時(shí)間相似比αt=10.使用簡易立體模型架,模型架長250cm.按照時(shí)間比沿走向每5m開挖一步.51201工作面試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕鶐r規(guī)格為長×寬×高=2.5m×0.2m×0.4m,設(shè)計(jì)采高5.3m.覆巖各層相變力學(xué)參數(shù)如表2中所示.32201工作面試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕鶐r設(shè)計(jì)規(guī)格為長×寬×高=2.5m×0.2m×0.78m,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采高5.5m.覆巖各層相變力學(xué)參數(shù)如表3中所示.4.2.2工作面縱向采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律1)Ⅱ類典型淺埋煤層(51201工作面)當(dāng)開采空間達(dá)到30m時(shí),直接頂發(fā)生了冒落;開采空間達(dá)到45m時(shí),基本頂開始垮落,如圖5a所示.開采空間達(dá)到52m時(shí),基本頂發(fā)生初次來壓,垮落高度約8m,垮落范圍長40m,但基本頂覆巖沒有隨之整體下沉,如圖5b所示(與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近).開采空間達(dá)到近72m時(shí),基本頂?shù)?次周期來壓,采動(dòng)裂隙貫通至松散層底部.開采空間達(dá)到93m時(shí),基本頂?shù)?次周期來壓;開采空間達(dá)到113m時(shí),基本頂?shù)?次周期來壓,此時(shí),采空區(qū)中部采動(dòng)裂隙開始閉合.圖5c所示的是開采空間達(dá)到134m發(fā)生第4次周期來壓時(shí)的情況.可見,采動(dòng)裂隙已到達(dá)松散含水層底部,巖層斷裂角度約55°,采空區(qū)中部斷裂帶內(nèi)的采動(dòng)裂隙已被壓實(shí)閉合,開切眼一側(cè)的縱向采動(dòng)裂隙仍以約60°角貫穿至松散層底部,但能在工作面一端形成了較穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu).加快工作面推進(jìn)速度可使破斷巖塊盡快朝反方向與工作面一側(cè)未斷巖層在斷面下端鉸接并擠壓閉合.2)Ⅲ類典型淺埋煤層(32201工作面)開采空間達(dá)到50m時(shí),直接頂初次垮落.開采空間達(dá)到65m時(shí),基本頂初次來壓,靠近工作面一側(cè)斷裂塊的長度約為靠近開切眼一側(cè)斷裂塊的2倍,但基本頂上覆巖層沒有立即隨著基本頂?shù)目鍞喽茢?采動(dòng)裂隙發(fā)育至基本頂頂部上方約4m的層位,如圖6a所示.開采空間達(dá)到80m時(shí),基本頂?shù)谝淮沃芷趤韷?達(dá)到95m時(shí),基本頂?shù)?次周期來壓;開采空間達(dá)到110m時(shí),基本頂發(fā)生第3次周期來壓,此時(shí),主關(guān)鍵層沒有破斷,其下方的最大離層量達(dá)到2.7m,離層發(fā)育區(qū)域長65m,覆巖采動(dòng)裂隙的發(fā)育高度也終止于此層位,如圖6b所示.開采空間達(dá)到130m時(shí),主關(guān)鍵層(4號(hào)巖層)破斷,其下方的離層閉合.縱向裂縫止于風(fēng)化砂巖.開采空間達(dá)到165m時(shí),伴隨著4號(hào)巖層及其上覆巖層的整體下沉,主關(guān)鍵層發(fā)生第1次周期來壓,基本頂也隨之垮落,但縱向裂隙仍止于風(fēng)化砂巖.開采空間達(dá)到190m時(shí),主關(guān)鍵層發(fā)生了第2次周期來壓,基本頂也隨之垮落,但采動(dòng)裂隙仍中止在風(fēng)化帶下部.工作面一側(cè)的巖層斷裂角約為65°.在采空區(qū)中部,基本頂與4號(hào)巖層(主關(guān)鍵層)之間各巖層內(nèi)的橫向、豎向通道均已被壓實(shí),幾乎全部閉合,開切眼側(cè)縱向裂隙高度也有減小,但沒有完全閉合,如圖6c所示.3)兩類淺埋煤層比較分析兩類典型淺埋煤層的工作面一側(cè)采動(dòng)縱向裂隙隨開采空間變化的發(fā)育過程,及最終穩(wěn)定后的狀態(tài),如圖7所示.比較可知:1)工作面?zhèn)瓤v向裂隙的分布特征具有由硬巖層控制下的明顯的突變跳躍性.基本頂破斷后,Ⅱ類典型淺埋煤層的采動(dòng)裂隙直接發(fā)育到松散含水層;而Ⅲ類典型淺埋煤層基巖中因?yàn)檫€有一個(gè)主關(guān)鍵層,故當(dāng)基本頂破斷后,縱向裂隙迅速向上發(fā)育,但當(dāng)?shù)竭_(dá)主關(guān)鍵層所控制的巖層組底部時(shí),暫時(shí)停止;而當(dāng)主關(guān)鍵層破斷時(shí),縱向裂隙又迅速向上發(fā)育,但都止于風(fēng)化帶.2)開切眼和兩端頭附近區(qū)域的采動(dòng)裂隙不易閉合,這是工作面防突水與保水開采、工作面漏風(fēng)以及瓦斯抽放應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域.3)工作面后方1～2個(gè)周期來壓距離后,采動(dòng)覆巖斷裂帶內(nèi)的采動(dòng)裂隙就開始?jí)簩?shí)閉合.5工作面開采對(duì)上覆隔水層易發(fā)生離層裂隙的影響1)淺埋煤層隨著長壁工作面的推進(jìn),覆巖會(huì)出現(xiàn)與地表同步垮落現(xiàn)象,但不同的典型賦存條件,其出現(xiàn)的時(shí)間不一樣.Ⅰ類煤層發(fā)生在基本頂初次來壓時(shí),Ⅱ類煤層發(fā)生在第2次周期來壓時(shí),Ⅲ類煤層發(fā)生在主關(guān)鍵層破斷時(shí).2)覆巖與地表同步垮落,對(duì)地表土壤和植物的破壞程度較小,并能充分壓實(shí)采動(dòng)層間裂隙,有利于保水開采及防止工作面漏風(fēng).但縱向裂隙相對(duì)發(fā)育,易將含水層的水導(dǎo)入井下;易導(dǎo)通采空區(qū),引發(fā)煤層自燃;易損傷部分地表植被的生長根系.且工作面開采面積越大,層間裂隙壓實(shí)效果越好,縱向垂直裂隙的密度也越小.3)隨著工作面的推進(jìn),上覆巖層中的張開裂隙會(huì)產(chǎn)生閉合現(xiàn)象,且工作面推進(jìn)越快,裂隙擴(kuò)展的時(shí)間越短,裂隙閉合也越快,但采場(chǎng)切眼及上、下端頭處的裂隙不易閉合,易形成導(dǎo)水和漏風(fēng)通道.此外,工作面快速推進(jìn),還有利于工