大柳塔煤矿采空区动力失稳机理

1、第28卷第1期 辽宁工程技术大学学报(自然科学版 2009年2月V ol.28 No.1 Journalof Liaoning Technical University (Natural Science Feb. 2009 收稿日期:2007-01-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(50074002 作者简介:蔡美峰(1943-,男,江苏 如东人,教授,博士,主要从事岩石力学与工程方面的教学与科学研究,E-mail :caimeifeng .cn 。 本文编辑:于永江文章编号:1008-0562(200901-0001-04大柳塔煤矿采空区动力失稳机理蔡美峰1,李玉民1

2、,2,来兴平3,张立杰1,3,张 勇3,吕兆海3(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083;2. 宁夏煤业集团有限责任公司,宁夏 银川 750001;3. 西安科技大学 能源学院,陕西 西安, 710054摘 要:为了揭示大柳塔煤矿采空区动力失稳机理,保证生产安全,采用现场调查、实验室试验和理论分析相结合的方法,对大柳塔煤矿开采过程中出现的大范围垮落动力失稳现象进行了系统研究。首先基于1-2煤的赋存环境与地层构造调查与分析,利用偏光显微镜、X 射线衍射仪以及声发射仪等,对1-2煤地层的岩性组分显微结构特征、物理-力学性质及变形特征、煤岩微观与宏观断裂特征进行了综合实验;然后定

3、性分析了在重力和冲击载荷作用下的采空区动力失稳规律与机理。研究结果为6 m 厚煤层一次采全厚形成的大尺度采空区大范围失稳的预报与最终安全控制提供了定性和定量化依据。关 键 词:浅埋煤层;大尺度采空区;动力失稳;机理;综合试验; 中图分类号:TU 440.3510 文献标识码:AMechanism of dynamic destabilization of mined-out area during mining in Daliuta Coal MineCAI Meifeng 1,LI Yumin 1,2,LAI Xingping 3,ZHANG Lijie 1,3,ZHANG Yong 3,L

4、U Zhaohai 3 (1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 China; 2. Ningxia Coal Mining Group Corp. Ltd., Yinchuan 750001, China; 3. School ofEnergy Engineering, Xian University of Science & Technology, Xian 710054, China;Abstract

5、 :In order to ensure safety of mining production, study on mechanism of dynamic destabilization in Daliuta Coal Mine was carried out. A combined method of field investigation, laboratory experiments and theoretical analysis was used for the study. Firstly, based on investigation and analysis of bury

6、ing condition and stratum structures of No. 1-2 coal seam, experimental studies on composition and micro structures, physical and mechanical properties, micro and macro deformation and fracturing characteristics were completed using microscope, diffractive apparatus and acoustic emission technique.

7、Then, the regularity and mechanism of dynamical destabilization under gravity and impact loading condition were analyzed. The above research results provide a solid basis for prediction and control of large-scale destabilization in the mine.Key words :shallow-buried coal seam ;large scale mined-out

8、area ;dynamical destabilization ;comprehensive experimental0 引 言神府东胜煤田大柳塔煤矿1-2煤埋藏浅(约80 m 、煤层厚6 m ,覆岩力学强度较低,属非坚硬顶板,一次全厚开采时矿压显现剧烈。顶板的大面积来压是由岩层大面积冒落及动力失稳而形成的。垮落前井下煤壁出现严重片帮,顶板不时发出沉闷的隆隆声,一次冒落的面积少则几千m 2,多则几万甚至几十万m 2,冒落时间极短,产生强大的冲击力。其冲击力大部分作用在采空区,其次作用在控顶区内的支架上,破坏力相当大。为了保证安全生产,对6 m 厚煤层一次采全厚形成的大尺度采空区大面积失稳的规律

9、与机理进行研究,为采空区失稳控制及预测预报提供理论依据是十分必要的1。1 地层构造特征1-2煤层为单斜构造,倾向北西,倾角小于5°。其主要赋存特征是埋深浅(约80 m、基岩薄(3550辽宁工程技术大学学报(自然科学版第28卷2m、风积沙覆盖层厚(3060 m。l-2煤的顶、底板岩性主要为浅灰色粉砂岩、泥岩、砂质泥岩。相对1-2煤层而言,上述地层均呈现为低阻电性,而且差别明显。煤层的视电阻率为250 m左右,而上述其它地层视电阻率仅为70100 m,说明其它地层的孔隙或裂隙较发育。在井巷中发现煤层中有顶板围岩楔入体和Fl3、F14、Fl5、F16四个小断层,断距最大1.00 m,最小0

10、.2 m。上述的地层构造导致采空区顶板围岩的强度低,稳定性差,在重力和冲击荷载作用下极易形成动力失稳破坏。2 岩性组份显微结构特征煤岩体的物质成分、岩性组构是煤岩体的内在属性,是决定煤岩冲击倾向性的内在因素2。从煤岩的微观结构出发,研究煤岩的受力情况、强度特征、变形破坏过程,建立煤岩的微观结构与煤岩的宏观力学性质之间的关系,分析煤岩蓄能和耗能作用机理,可以构建煤岩体的岩性组构与煤岩的冲击倾向性大小之间的定性、定量关系3。利用MOTIC-BA300POL型偏光显微镜,对1-2煤、砂岩、泥岩磨片,分别采用无应力EF-Plan物镜4倍、10倍,目镜10倍,观察透射电子图像,分析其微观结构特征;在MO

11、TIC-BA300POL偏光显微镜不同放大倍数下,进行单偏光观察,并旋转试验台全面观察和拍摄煤岩试件的干涉图和D/MAX-rA型X射线衍射仪高频高压X射线发生器对煤岩试件产生的衍射谱(Cu、K谱线。对D/MAX-rA型X射线衍射仪在室温23 、湿度62%、电压45 kv、电流80 mA条件下获得的试验结果,采用物相分析方法(JCPDS和定量分析方法(基本强度对比法进行图像和衍射谱分析,获得岩性组分结构图。岩体的宏观变形、开裂和破坏是由其微观的变形、开裂开始的,研究其微观组分与结构对判断其微观的变形、开裂并预测其宏观的变形、破坏具有重要意义。图1是不同放大倍数下煤 岩显微结构特征。 (a砂岩结构

12、(10倍 (b泥岩结构(40倍正交镜下 (c板岩互层结构(10倍 (d板岩黑云母定向排列(40倍 (e 板岩细粒(40倍 (f矸石结构(40倍偏光镜图1 煤-岩石成分组构及特征Fig.1 composition characteristics and texture of coal-rock mass3 煤岩断裂特征的综合实验3.1 煤-岩力学行为实验基于煤岩的微观组构、通过对砂岩、泥岩和1-2煤在不同状态下进行抗压实验,可以获得煤岩在不同受力状态下的变形破坏过程、宏观力学性质和强度特征。1-2煤在单轴加压条件下的应力-应变特征可看出,1-2煤具有良好的线性应力-应变关系,其弹性模量位于34

13、GPa之间,脆性较大1。第1期 蔡美峰,等:大柳塔煤矿采空区动力失稳机理综合33.2 基于声发射的煤岩破裂与失稳实验煤岩介质中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE,岩石材料的破坏一般是区域性微细裂纹的累积过程,而不是单个缺陷的扩展过程。随着载荷的变化,煤岩材料的主要损伤模式(如纤维断裂、基体开裂和界面分离之间是相互作用和相互影响的,这种细观损伤破坏特点导致声发射信号十分丰富,通过对其波形分析,可以获得与微小破坏发生位置、规模、破坏机制等有关信息。因而这种声发射可以用于对地下空间稳定性进行监测,通过测量围岩内部能量的集中和释放,破裂的发生和发展情况,为预测围岩内部即将发生的破坏

14、提供依据4-6。同时,也为地下采矿和岩土工程稳定性维护,譬如在巷道的何处、采用何种支护提供指导。 (c加载上升阶段能量积聚特征 (d加载上升阶段声发射特征 (e 峰值破裂阶段能量积聚特征 (f 峰值破裂阶段声发射特征图5 煤样破裂过程声发射规律统计Fig.5 statistical regularity of AE during cracking propagation in coal specimen能量/(104m v ·µs统计时间序列/s总事件/102个 统计时间序列/s2575175225能量/(103m v ·µs 统计时间序列/s总事件/1

15、02个统计时间序列/s24128总事件/102个统计时间序列/s50统计时间序列/s 能量/(104m v ·µs 辽宁工程技术大学学报(自然科学版第28卷4图5分别描述了煤样在不同加载与破裂阶段(过程声发射特征(总事件和能量统计规律。从图中可以看出,不同的加载(初始、加载上升、峰值破裂阶段过程中,煤样的声发射规律是不同的,且呈现出一定的规律性,即在不同的尺度上拟序结构和随机涨落的同时或交替出现并相互耦合,这对于开采中形成的大尺度采空区的动力失稳预测预报有重要的借鉴意义7-11。在实际开采过程中,采空区顶板悬露面积过大,在自重应力作用下,当弯曲应力值超过其强度极限时,必将出

16、现断裂裂缝或使原生的细微裂缝隙扩展。一旦这些裂缝贯穿坚硬岩层时,则发生断裂。此外,由于顶板大面积悬空,使形成的大尺度采空区空间形成扁平狭条孔,在煤柱上的顶板岩层内产生巨大的切向应力,也将促使顶板被切断。岩层断裂后,相互间是很难靠咬合点的摩擦力维持平衡的。一旦断裂,必将产生失稳与冒落,从而产生冲击动压现象。从时间和空间过程来说,可将上述的破坏分为两个阶段,一是岩层裂缝和离层的断裂失稳阶段;二是断裂后冒落及动力学失稳阶段。整个从断裂到冒落失稳过程,要经历一定的时间并具备足够的空间。从能量积聚的条件来看,顶板在破断前弯曲下沉,使前方的煤岩体积聚大量的弯曲弹性变形能。在破断过程中,若条件充分,积累的能

17、量突然释放,发生煤的弹射或突出,导致巷道破坏和冲击矿压现象。4 结 论(1通过对大柳塔煤矿1-2煤层及其赋存地层构造特征、岩性组分显微结构特征和煤岩微观与宏观断裂特征的综合调查、试验与研究,查明了1-2煤层顶板覆岩松软,孔隙、微裂隙发育,软弱层如泥岩层多,整体强度低,这是在开采过程中顶板覆岩断裂破坏引起采空区动力失稳的内在原因。(2开采过程中,采空区顶板悬露面积大,在自重应力作用下,当弯曲应力值超过其强度极限时,必将出现断裂裂缝或使原生的细微裂缝隙扩展,并演化断裂直至动力失稳破坏。从时间和空间过程分析,采空区的失稳破坏可分为两个阶段,一是岩层在重力和冲击荷载作用下的从微观到宏观不断演化发展的断

18、裂、离层阶段;二是断裂后冒落及动力冲击失稳阶段。(3基于上述对1-2煤采空区动力失稳破坏机理的分析,为了控制和避免开采过程中出现大面积动力失稳破坏,必须采取能减小和控制采空区顶板悬露面积过大的开采工艺和支护措施,并对采空区的稳定性进行有效的监测和预测预报。参考文献:1 西安科技大学,神华能源集团神东煤炭分公司大柳塔煤矿. 大柳塔煤矿1-2煤6m厚煤层一次采全厚开采方法及“支架-围岩”双馈动力学研究R. 西安:西安科技大学, 2005.2 潘结南,孟召平,刘宝民. 煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系J. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(24: 4422-4427.3 孟召平,彭苏平,

19、屈洪亮. 煤层顶底板岩石成分和结构与其力学性质的关系J. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2:136-130.4 唐春安. 岩石破裂过程中的灾变M. 北京: 煤炭工业出版社, 1993.5 来兴平. 大尺度采空区失稳及衍生灾害监测与预报研究M. 西安地图出版社, 2004.6 蔡美峰,来兴平. 岩石基复合材料支护采空区动力失稳声发射特征统计分析J. 岩土工程学报, 2003, 25(1: 51-54.7 Lai XP, Cai MF, Wu YP, et al. A LURR-based statistical model oflarge-scale collapse in mined-out areaC/Proc. 40th International Conference of American Rock Mecha