厚煤层综放开采富水覆岩采动裂隙动态模拟研究∗

杨玉亮 李永明 徐祝贺

(山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003)

厚煤层综放开采富水覆岩采动裂隙动态模拟研究∗

杨玉亮 李永明 徐祝贺

(山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003)

以陕西省旬耀矿区水文地质资料为基础,通过相似模拟试验研究了综放开采上覆岩层的运移、周期破断及裂隙扩展规律。结果表明关键层的破断对覆岩裂隙向上发育起决定作用,在其破断前一定时期内裂隙发育保持相对稳定;随着工作面的推进,裂隙发育是动态发展的,采动导水裂隙的演化可分为发展期、贯通期和压实闭合期3个阶段;导水裂隙带高度扩展到了直罗组上部岩层,并未发育到洛河组砂岩含水层,覆岩破坏高度最大为78.7 m,约为采高的9倍。

厚煤层 综放开采 富水覆岩 采动裂隙 相似模拟 导水裂隙带高度

在处理富水覆岩下采煤问题时,主要考虑开采引起的覆岩中裂缝是否会相互连通及相互连通的裂缝是否扩展到水体。针对厚煤层综放高强度开采过程中富水覆岩采动裂隙贯通造成的突水问题,以旬耀矿区水文地质资料为基础,通过实验室相似模拟研究采动裂隙形态及不同开采阶段动态分布特征对工作面安全、高产、高效生产有实际意义。前人对采动裂隙形态、规律、发育高度等方面的研究较多,但基于特定地质条件富水含水层下开采时裂隙动态发育及扩展规律研究较少。本文以西川煤矿1109工作面地质条件为依据,对其采动裂隙发育情况进行了研究,为该矿区煤炭开采提供了指导。

1 矿区地层结构及水文地质特征

旬耀矿区位于黄陇侏罗纪煤田中段,矿区内地层由老到新依次为三叠系中统铜川组,三叠系上统胡家村组,侏罗系下统富县组,侏罗系中统延安组、直罗组,白垩系下统宜君组、洛河组、华池组,新近系上新统保德组及第四系地层。第四系表土厚11.85 m,基岩厚度超过400 m,主要由含砾砂岩、粗砂岩、粉砂岩及中粒砂岩等组成,强度较高。其中主采4#煤层位于侏罗系中统延安组,平均煤厚8.5 m,倾角5°。覆岩中直接充水含水层为洛河砂岩水,间接充水水源为煤层顶板直罗组砂岩裂隙含水层。

(1)白垩系下统洛河组砂岩裂隙含水层(K1l)。该层矿区广泛分布,厚度200～430 m,岩性以棕红色中粒砂岩为主,上部为砾岩层,胶结松散,有大型斜层理,在沟谷泉水出露较多,流量0.01～3.4 L/s,水质属HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Ca·Mg型淡水。

(2)侏罗系中统直罗组下段砂岩裂隙含水层(J2z1)。该层分布广泛,厚度0～59.33 m,岩性以灰白色中粗粒砂岩为主,底部粒度变粗,局部为含砾粗砂岩。该层在矿区露头较少,在露头区有泉水出露,流量0.11～0.78 L/s,矿化度0.446～0.892 g/L,属HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Na·Mg型水。

其中洛河组砂岩含水层分布广、厚度大、富水性较强,对矿区煤层的安全开采构成了威胁。

2 试验方案及模型制作

为了研究厚煤层含水层下综放开采采动裂隙动态演化过程,对西川煤矿1109工作面进行相似材料模拟试验。本试验应该满足开采过程引起岩体变形和破坏的整个运动过程相似。模型与原型各部分的尺寸按照同样的比例缩小,模型宽度同时应满足可使工作面基本达到充分采动,并且不受开采边界的影响。根据需要模型选用2.5 m×0.2 m×2 m的模型试验架,采用1∶80的比例。由相似理论确定相似常数。几何相似常数为80,容重相似常数为1.5,时间相似常数为8.94,位移相似常数为80,强度、弹模、粘结力相似常数为120。

最后算得模型的高度为1500 mm。根据岩样物理力学参数来确定模型配比参数,见表1。

表1 模型试验各岩层相似材料配比

模型中可用普通河砂作为骨料,以石膏和碳酸钙作为胶结材料,云母粉作为分层材料。模型左右各留300 mm煤柱,沿工作面走向每步开挖50 mm,采高为85 mm,间隔应按照时间相似比进行。模型加载采用液压水袋加载,泵站压力0.094 MPa。同时用三维摄影测量系统拍照测出各点相对于基准点的位移变化值。

3 试验结果及分析

3.1 采场上覆岩层垮落裂隙演化特征

(1)随着工作面不断向前推进,煤层上方直接顶粉砂岩在推进至36 m时开始出现离层裂隙,工作面开采不断进行,其上方的横向裂隙扩张范围逐渐增大,当推进至40 m时,粉砂岩直接顶突然垮落,垮落高度约为1.5 m,垮落步距为40 m,如图1(a)所示。

图1 顶板初次来压

由于垮落岩层未充满采空区,上覆岩层出现横向离层裂隙,工作面继续推进,直接顶发生多次垮落,并造成采空区老顶悬空现象。当工作面推进至72 m时,老顶达到极限跨距,发生初次垮落,如图1(b)所示。老顶初次来压时,因工作面开采范围较大,冒落岩层很难充满采空区,从而发生回转失稳,对工作面及下覆岩层冲击较大。老顶破断后,上覆岩层中部出现纵向拉裂隙。此时导水裂隙带发育高度为14.2 m。

(2)当工作面推进至92 m时,老顶发生第一次周期来压,来压步距20 m,煤壁侧岩层破断角为52°。顶板破断是沿煤壁形成贯通裂隙处开裂,贯通裂隙为上开下闭合状态。关键层及其上方岩层出现明显裂隙,横、纵向裂隙导通,如图2(a)所示。工作面继续向前推进至100 m时,老顶发生第二次周期来压,此时上覆岩层中的关键层出现横向裂隙开始弯曲下沉,关键层的破断引起上覆1.8 m厚的泥岩、3.3 m厚的砾岩及5.2 m厚的中粒砂岩同时破断,呈现关键层的承载特性。关键层的破断促使上覆岩层发生离层,导致裂隙继续向上发育,同时其下方的离层裂隙开始逐渐压实,只在开切眼及工作面上方仍有明显离层裂隙,关键层的破断如图2(b)所示。此时导水裂隙带发育高度46.2 m。

(3)工作面继续向前推进至120 m,工作面第三次周期来压,这时上覆岩层大范围产生冒落和运移,关键层上方垮落岩体形成的离层裂隙在新垮落岩体的压力作用下逐步闭合。此时水平裂隙继续向上发育同时纵向裂隙也向前发育,由于冒落岩层基本充填采空区,裂隙虽继续向上发育,但离层裂隙减小。此时导水裂隙高度为58 m,如图2(c)所示。工作面向前推进至124 m,工作面第四次周期来压并伴随10.6 m厚的中粒砂岩关键层破断,破断距离大约为36 m。其覆岩的破断角约为55°,此时关键层中粒砂岩破断导水裂隙发育高度约为64 m。在开切眼和工作面附近有纵向裂隙贯通区,但在采空区中部重新压实,裂隙基本闭合,如图2 (d)所示。

(4)工作面向前推进至160 m,模拟试验结束。如图3所示,覆岩最终垮落尺寸为最上方长约72 m,左边斜长96 m,右边斜长92 m,采动引起覆岩导水裂隙带发育高度约为78.7 m。垮落带高度约为28 m,未导通上覆洛河组砂岩。

工作面开采过程中经历了多次周期来压,关键层也出现了周期性的破断,形成了较稳定的铰接结构。随着工作面不断向前推进,上覆岩层发生破断,其后方岩层慢慢压实,变形逐渐趋于稳定。在工作面停采时,采空区中部导水裂隙基本压实闭合,导水贯通裂隙仅在工作面及开切眼上方岩层处发育,但已基本趋于稳定,不再向上发展。覆岩破断裂隙发展主要分为3个阶段：开切眼到初次来压前,基本顶随着工作面的推进,岩层由弹性形变向塑性形变发展,直到出现裂隙,裂隙密度也不断增加,到来压前裂隙密度达到最大值;初次来压到周期性矿压显现,随着覆岩的垮落,破断裂隙向较高层位发展,当推进到一定程度时,采空区中部垮落岩层重新压实,裂隙密度迅速减小;工作面和开切眼附近,由于煤岩体受到支承应力作用,纵向裂隙较发育,且裂隙密度较大。

图2 老顶周期来压

图3 试验最终岩层垮落形态

3.2 开采过程中上覆岩层垂直位移变化规律

从不同监测点的垂直位移曲线可知,在采场不断向前推进过程中在关键层上布置的测点的垂直位移呈增大趋势。如图4所示,在采场向前推进到65 m时,垂直位移开始增大,上覆岩层老顶发生弯曲下沉,当其推进到100 m左右时,垂直位移达到最大值,判断其上覆关键层受到采动影响开始弯曲变形。

图4 不同监测点的垂直位移变化

4 现场实测

根据1109工作面现场实际情况,沿工作面面长方向上、中、下3个部位布置测区,上部测区布置在93#、94#液压支架,中部测区布置在49#、50#液压支架,下部测区布置在6#、7#液压支架,如图5所示。采用YHY60(B)矿用本安型数字压力计自动采集压力,对工作面来压进行观测。

图5 工作面测线布置示意图

在1109工作面实际生产过程中,工作面向前推进到70 m左右,液压支架工作阻力明显增大, 49#、50#支架工作阻力最大值达到8140 kN,可以判断此时基本顶初次来压。工作面不断向前推进,裂隙不断向前扩展,每隔20 m左右液压支架工作阻力有明显增大趋势,可以判断周期来压步距约为20 m。在整个工作面生产过程中,顶板未出现涌水,由此判断未导通工作面上覆洛河组砂岩。

5 结论

(1)工作面停采时,裂隙发育比较稳定,采空区中部断裂带内导水裂隙已基本压实闭合,导水贯通裂隙仅在工作面上方及开切眼附近发育。由此说明在工作面走向方向上,随着工作面的推进,裂隙发育是动态发展的。采动导水裂隙的演化可分为发展期、贯通期和压实闭合期3个阶段。

(2)相似材料模拟研究揭示了采空区覆岩上部岩层裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合的事实。边界处与采空区中部的导高差还要考虑覆岩破坏状态及其受力状态因素。

(3)煤层开采过程中,其覆岩的岩层破断角约为55°左右,覆岩导水裂隙带发育高度约为78.7 m,约为采高的9倍。

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(责任编辑 张毅玲)

2020年现代煤化工耗煤量将达1.2亿t

日前,在国际环保机构自然资源保护协会(NRDC)的协助下,中国煤控项目在京发布最新研究报告《煤化工产业煤炭消费量控制及其政策研究执行报告》(以下简称《报告》)。

《报告》称,近年来,随着现代煤化工技术的突破,以及一批示范项目的建设运行,我国煤化工产业规模增长较快,已成为世界上现代煤化工最大生产国。化工用煤整体呈增长态势,占比不断提高,预计到2020年,化工用煤将比2015年增长20%左右。

2016年前5个月,其他行业耗煤量多呈下降趋势,但煤化工逆势增长6%。究其原因在于煤炭消费量处于下降期,许多地方政府和企业利用用煤价格低,投资现代煤化工行业,为煤炭行业寻找新的生产增长点。现代煤化工的耗煤量从10年前不足几千万吨标准煤,如今迅速上升。但是,现代煤化工产业在我国还处于示范阶段,还没有形成真正的产业规模,要先做好示范项目,防止盲目扩张。

据该课题研究,在基准情景下,2050年煤化工整体耗煤量将达到7.8亿t标准煤以上,其中现代煤化工煤炭消费量达3.7亿t标准煤;而通过施行严格的煤控措施,现代煤化工煤炭消费量到2050年可降到2.2亿t标准煤左右,降低煤耗40%左右。而从煤炭消费的中长期情景预测来看,现代煤化工的耗煤量到2020年将达1.2亿t标准煤,2050年将达2.2亿t标准煤。煤化工行业在总煤耗的占比将在2020年上升到5%～6%,2050年将会占到23%～24%。因此,化工产业煤炭消费增量不可小觑。要控制中国的煤炭消费总量,控制化工用煤总量是重要途径之一。

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

杨玉亮(1988-),男,山西朔州人,助教,硕士,2014年毕业于中国矿业大学。主要从事采矿专业教学和矿山压力控制方面的教学与研究工作。

大同大学2015年度青年科研基金项目(2015Q8)