浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特征的试验研究

1、浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特征的试验研究马立强1,2,张东升1,2,范钢伟1,2,乔京利3,王邵义3(1.中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州221008; 2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008;3.山东省七五煤矿,山东微山277606摘要:根据浅埋煤层其普遍覆存特征,一般将其分为经典浅埋煤层和次浅埋煤层两大类。分别以上湾煤矿的51201工作面和补连塔32201工作面为原型,模拟了随开采空间变化,这两类浅埋煤层大采高长壁工作面的采动覆岩导水通道的发育过程。对于经典浅埋煤层,大采高工作面初次来压至第一次周期来压期间,导水裂隙迅速发育至松散含水层底部;覆岩活动与导水裂隙

2、发育过程主要受基本顶控制,覆岩在工作面推过后会整体下沉;当上覆松散层较薄时,顶板不会沿工作面整体切落;工作面后方约2个周期来压距离以后,采空区覆岩垮落带以上的覆岩导水裂隙被逐渐压实闭合,但开切眼处的导水通道不易闭合。对于次浅埋煤层,基本顶初次来压和周期来压期间,顶板都不会沿工作面发生整体切落;主关键层初次来压后,导水通道迅速发育至最大高度,伴随着主关键层约12个周期来压后,基本顶至主关键层之间断裂带内的覆岩导水通道可很快被压实闭合。研究结果可对浅埋煤层保水防溃采煤研究和应用提供基础理论指导。关键词:浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特征关键层物理模拟中图分类号:TD3251.引言由于煤层浅埋和上覆松

3、散充水含水层的大面积分布,保水防溃采煤问题一直是西部煤矿区面临的一个典型难题。神府-东胜矿区煤层赋存的埋藏浅(200m以内,顶板基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层的突出特点使得煤田开发过程中地表和地下水渗漏与污染、潜水水位下降严重。在沙漠松散覆盖层下蕴藏着的宝贵的潜水,在矿体开采过程中大量流失,这对于地表植被、居民生活,甚至当地整个生态环境的保护都造成了巨大的危害12。根据不同的采矿地质条件,研究浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特征,是主动实现地表和地下水资源的保护及防治顶板溃水灾害的根本。才能在最大限度地提高煤炭资源回收率的同时,实现水资源保护。因此,本文首先根据浅埋煤层的普遍覆存特征,将其分为经典浅

4、埋煤层和次浅埋煤层两类34,然后选取典型具有代表性的工作面进行物理模拟,针对采动覆岩导水通道,进行其动态分布规律、扩展、闭合等方面的研究。2.采矿地质条件及其分类通过对神东矿区长期的开采实践总结分析,可将神东矿区薄基岩浅埋煤层覆岩赋存状况分为典型的两类情况:当基岩厚度3050m时,基岩中一般只覆存一个对覆岩运动起控制作用的较坚硬岩层,此类煤层一般可称为典型浅埋煤层;基岩厚度比较大,当60m时,浅埋煤系基岩中一般会覆存一个以上对覆岩运动起控制作用的较坚硬岩层,此类煤层一般可称为次浅埋煤层5。为全面分析薄基岩浅埋煤层长壁工作面覆岩活动规律和导水裂隙动态分布特征,并为数值模拟分析提供合理参数,选取适

5、宜的浅埋煤层工作面进行实验室物理模拟610。模拟工作面要满足薄基岩、浅埋深,基岩上面为松散沉积物覆盖,其岩性以流动沙及半固定沙为主的条件1112。选取上湾煤矿51201和补连塔煤矿32201工作面为原型,分别代表两类典型的浅埋煤层工作面。2.151201典型浅埋工作面上湾煤矿51201工作面煤层平均厚度5.8m,设计最大采高5.3m,上覆岩层最薄处的厚度小于50m,松散含水层厚度在10m左右。具体覆岩参数如表1所示(为能代表典型的浅埋煤层覆岩状况,覆岩原始参数做了适度调整,用以模拟典型浅埋煤层的采动覆岩导水通道分布特征。表1上湾矿51201工作面物理实验覆岩基本参数Table1Rock Mec

6、hanical Parameters of5120Coalface Physical Simulation序号岩性厚度/m弹性模量/GPa内摩擦角/°抗压强度/MPa1松散层202风化砂岩51053粗粒砂岩、砂泥岩互层101840154粗粒、粉砂、砂泥岩互层9.32040255中细粒砂岩12.34248396粉砂质泥岩 3.41539158砂质泥岩51836152.232201次浅埋工作面补连塔煤矿32201工作面某区域基岩厚度78m,岩性主要为砂岩、粉细砂岩,上覆松散含水层厚度约10m。具体覆岩参数如表2所示(为能代表典型的覆岩覆存状况,覆岩原始参数做了适度调整,用以模拟次浅埋煤层

7、的采动覆岩导水通道分布特征。表2补连塔矿32201工作面实验覆岩基本参数Table2Rock Mechanical parameters of5120coalface physical simulation,Bulianta coal mine序号岩性厚度/m弹性模量/GPa内摩擦角/°抗压强度/MPa1松散层462风化砂岩6105 3细粒、粉砂互层171832154粗粒、中粒与细砂岩层204436385细粒、粉砂互层1020322561-2煤31336147砂质泥岩61832158中细粒砂岩104236379砂质泥岩618321511泥岩51832153.试验介绍实验采用1:100

8、的比例,使用简易立体模型架,模型架长250cm,两侧边为20cm宽的钢支座用以模拟边界条件。按照时间比沿走向每5m 开挖一步。在模型框架表面设置尺寸为5×5cm 的正方形方格网。基岩上方的松散沙层按重力比直接加在模型上方,并用钢板在前后两边对其进行约束。51201工作面试验模型的基岩规格为长× 宽×高= 2.5 × 0.2×0.4m ,设计采高5.3m (沿底采5.3m ,留0.5m 顶煤。32201工作面试验模型的基岩设计规格为长 宽×高 = 2.5 × 0.2×0.78m ,实验设计采高5.5m 。4.模拟结果

9、及其分析4.1典型浅埋煤层当开采空间达到30m 时,顶煤发生了垮落。开采空间达到50m 时,直接顶初次垮落。开采空间达到65m 时,直接顶又发生了一次垮落,之后,在5号中细粒砂岩(基本顶与上覆岩层间出现顺层贯通裂隙。开采空间达到70m 时,基本顶下分层垮断,发生初次来压,垮落高度约8m ,垮落范围长45m 。基本顶上分层及其覆岩没有随之整体下沉,分析认为主要是由于松散层厚度不大,其载荷不足以使全部基本顶及其覆岩整体产生台阶式下沉。同时,基本顶上方4m 出现横向裂隙,长约45m ,在走向上距离开切眼的水平距离约5m ,纵向采动裂隙也基本发育到此高度。在基本顶上方8m 层位(4号岩层内部也出现了横

10、向裂隙,长约30m ,距离开切眼的水平位置约15m 。开采空间达到80m 时,基本顶第一次周期来压,导水裂隙贯通至松散层底部。开采空间达到95m 时,基本顶第二次周期来压,但能在工作面一端形成了较稳定的铰接结构。这是由于直接顶冒矸充填了部分采空区,阻碍岩块的转动,形成了暂时的三铰拱平衡。由于中部运动被阻,在上覆载荷作用下,破断岩块朝反方向回转,而使靠工作面一侧的裂缝在一定程度上被挤压闭合,能有效的防止突水溃沙。根据模拟状况可以推断,加快工作面推进速度可使破断岩块尽快朝反方向与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接并挤压闭合。开采空间达到120m 时,基本顶第三次周期来压。导水裂隙直接贯穿风化层到达松

11、散含水层底部。同时,采空区中部导水裂隙开始逐渐闭合。开采空间达到160m 时,周期来压,采空区中部断裂带内的导水裂隙已开始被压实闭合,工作面一端的采动裂缝发育到松散含水层底部。开采空间达到175m 时,又发生了一次周期来压。导水裂隙到达松散含水层底部,岩层断裂角度约55。采空区中部断裂带内的导水裂隙已被压实闭合,开切眼一侧导水裂隙仍以约60角贯穿至松散层底部。部分模拟结果如图1所示,表3为图1图2中的符号含义对照表。 (1开采空间达50m 时的状况(2开采空间达95m时的状况21(3开采空间达175m 时的状况图1采动覆岩导水裂隙随开采空间的变化状况Fig.1Simulation Status

12、 when Corresponding Different Mining Space表3模拟符号对照表Table 3Signs Parallel Table of the Simulation4.2次浅埋煤层开采空间达到50m 时,直接顶与8号中细粒砂岩(基本顶内部出现沿岩层层位的横向裂缝,采后13分钟,直接顶初次垮落。同时,基本顶在采空区中央和两端都产生了较明显的采动裂隙,但没有在纵向上贯穿整个基本顶厚度。开采空间达到60m 时,直接顶全部冒落。开采空间达到65m 时,基本顶初次来压,靠近工作面一侧断裂块的长度约为靠近开切眼一断裂块的2倍,但基本顶上覆岩层没有立即随着基本顶的垮断而破断,采动

13、裂隙发育至基本顶顶部上部约4m 的层位。开采空间达到80m 时,基本顶第一次周期来压,随着直接顶垮断岩层被压实,基本顶产生了整体下沉,基本顶上覆岩层随基本顶下沉并与1-2煤层间出现离层,距煤层顶板距离为22m ,垂直裂隙也发育至此高度。离层最大位置距离开切眼33m ,最大离层量为1.8m ,距煤层上方约40m 处发育有横向顺层裂隙,但没有与其下伏岩层的纵向裂隙贯通。开采空间达到90m 时,基本顶第二次周期来压,7号砂质泥岩层与1-2煤层之间的离层逐渐开始闭合,离层发育至1-2煤层上方,即1-2煤层与5号细粒、粉砂互层之间也出现了离层。开采空间达到110m 时,基本顶发生第三次周期来压,1-2煤

14、上方的离层继续发育,最大离层量为2.7m ,最大离层位置在走向上位于工作面后方45m 处。离层发育区域长65m ,分别距离开切眼和工作面为20m 和25m 。导水裂隙发育高度仍然终止在1-2煤层位。采后一段时间,1-2煤离层上方约8m 处,即在5号细粒、粉砂互层的中上层位出现了横向裂隙,但未与下方的纵向裂隙连通。随着此横向裂缝的逐步发育,1-2煤与5号岩层之间的离层开始逐步减小,导水裂隙也逐步发育到了这个高度。开采空间达到130m 时,4号岩层破断,1-2煤上方的离层闭合。纵向裂隙被3号细粒、粉砂互层岩层消化吸收,即纵向导水裂隙中止在3号岩层底部,最大导水裂高约66m ,但此时4号岩层破断位置

15、所对应的下部基本顶处的张开裂隙已回转并基本被挤压闭合。开采空间达到145m 时,直接顶虽然发生了垮落,基本顶纵向裂隙也比较发育,但基本顶并未产生周期来压,仍然在采空区一侧已垮矸石的局部铰接支撑和工作面一侧完整基岩的支撑下,保持着较完整的结构。同时,工作面后方采空区中部的导水裂隙逐步被压实。开采空间达到165m 时,伴随着4号岩层及其上覆岩层的整体下沉,发生了周期来压,基本顶也随之垮落,但纵向导水裂隙在4号岩层上部就终止了,最大导水裂隙带高度约60m 。 含义开切眼侧纵向裂隙工作面侧纵向裂隙横向裂隙离层离层闭合区导水裂隙压实闭合区21开采空间达到180m 时,基本顶自上而下,产生了裂缝,角度大约

16、75。此外,在几个较硬岩层中都分别自上而下的产生了纵向裂缝,但是各层之间未能相互贯通。开采空间达到190m 时,由于4号岩层的影响,又发生了一次周期来压,基本顶也随之垮落,但采动裂隙仍在纵向上中止在4号岩层上部。工作面一侧的岩层断裂角约为65。在采空区中部,基本顶与4号岩层(主关键层之间各岩层内的横向、竖向裂隙均已被压实,几乎全部闭合。开切眼处导水裂隙带高度也略有减小,但没有完全闭合,岩层断裂角约为78。模拟结果如图2所示。 (1开采空间达90m 时的状况(2开采空间达110m 时的状况 (3开采空间达190m 时的状况图2采动覆岩导水裂隙随开采空间的变化状况Fig.2Simulation S

17、tatus when Corresponding Different Mining Space5.结论(1由典型浅埋煤层物理模拟分析可知:即工作面初次来压后,导水裂隙迅速发育至松散含水层底部;覆岩活动与导水裂隙发育过程主要受基本顶控制,覆岩在工作面推过后会整体下沉,但当上覆松散层较薄时,顶板一定沿工作面整体切落;工作面后方约2个周期来压距离以后,采空区覆岩垮落带以上的覆岩导水裂隙逐渐被压实闭合,但开切眼处的导水裂隙不易闭合。(2由次浅埋工作面物理模拟分析知:基本顶初次来压后每推进2025m ,发生一次周期来压,但覆岩没有沿工作面发生整体切落;主关键层初次来压后,覆岩在工作面后方整体下沉,导水裂隙迅速发育至最大高度;此后工作面周期来压及工作面后方覆岩的下沉基本受主关键层控制,每推进2535m 工作面发生一次周期来压;靠近工作面