浅埋煤层长壁开采覆岩移动与裂隙扩展规律研究

浅埋煤层长壁开采覆岩移动与裂隙扩展规律研究

神东矿区位于中国内蒙古南部和陕西省北部，探明储量为2236亿吨，占全国人口的1.4%。它是世界上最大的大型矿区之一，2005年以来每年总面积超过1亿元。这是中国最大的现代化矿区，煤层埋深平坦（大部分小于100米），上覆岩薄，地表为深层风积沙覆盖层，地层下隐藏着宝贵的潜水。这是神东矿区地层特征的显著标志。大型长壁开采产生的平坦煤层对地表的影响更加敏感。采井工程的裂缝可以直接沟通表面，容易引起煤层酯、地下水流失和地表植物的死亡。岩浆岩的裂缝的扩展和分布特征是有效解决上述问题的重要基础。文献证实，采井工程对覆盖含水层的影响是不利的。在覆岩中有适当的岩石组，开采后一定时期内，井中的水位受到影响，水位下降。通过物理模拟，文件中硬岩水平面上的滑动特征可以用来控制开采的可能性。相反，对上述文献中采井过程和岩屑的动态分布特征没有文献。虽然在平钻层的矿压控制方面有许多研究工作，但平钻层的流动裂缝的时空分布规律没有系统的解释。岩石控制的重要层次理论为研究该问题提供了新的指导。该理论认为，重要层的运动控制了离层生成和发展的空间分布，而脱盐岩的流动通常出现在关键层下。为此,本文采用物理模拟和数值模拟两种方法,以神东矿区典型的煤层赋存条件为主要研究对象,选取大柳塔矿12305工作面、上湾煤矿的51201工作面和补连塔32201工作面为模拟原型,分析了浅埋煤层长壁开采覆岩采动裂隙在水平面方向、垂直面工作面走向及倾向的动态演变特征,可为保水开采方案的选择、防灭火技术的应用、抽放瓦斯的钻孔布置及地表植物的选择提供可靠依据.1该矿区的典型煤层赋存条件及岩石覆盖力学参数1.13基岩类型和基岩厚度通过对神东矿区的煤层钻孔柱状图及相关地质资料分析,按基岩厚度、对覆岩运动起控制作用的较坚硬岩层数(即关键层层数)及风积沙松散层厚度与煤层上覆基岩厚度比(K)的不同,神东矿区有3类典型煤层赋存条件:1)Ⅰ类.基岩厚度<30m,只覆存1个较坚硬岩层(称之为关键层),且K≥1,如表1所示.2)Ⅱ类.30m≤基岩厚度<60m,只覆存1层关键层,但K<1,如表2所示.3)Ⅲ类.基岩厚度≥60m,覆存2层关键层(一个称主关键层,一个称亚关键层),主关键层位于垮落带之上,基本顶为亚关键层,且K<1,如表3所示.3类典型赋存条件中,在基岩顶部都有一强风化带(5～10m),风化后趋于黏土化,其塑性显著增大,抗变形破坏能力大大增强,且浸水后易迅速崩解和泥化,能够抑制采动冒落裂隙向上扩展.强风化带的上部即为潜水层,厚10m左右,被厚度为20～40m的风积沙松散层覆盖.1.2岩浆岩的主要力学参数1风积沙松地下水开采带的岩石结构大柳塔12305工作面基岩厚度16～18m,上覆风积沙松散层30m,松散含水层厚度在14m左右,煤厚3.74m,采用长壁采煤法开采,工作面长240m,煤层及顶、底板岩层的主要力学指标参见表1.2覆岩参数设计上湾煤矿51201工作面煤层平均厚度5.8m,设计最大采高5.3m,上覆岩层厚度为40m左右,松散含水层厚度在10m左右.具体覆岩参数参见表2.32ii级煤层补连塔矿32201工作面补连塔煤矿32201工作面基岩厚度78m,岩性主要为砂岩,上覆松散含水层厚度约10m.具体覆岩参数参见表3.2覆岩采动裂隙动态演化规律采用RFPA2D(Rockfailureprogressanalysis)专业软件进行计算机数值计算和实验室相似材料试验两种模拟方法.应用RFPA2D软件主要分析覆岩赋存单一关键层(Ⅰ和Ⅱ两类煤层)时,随工作面的开采,采动裂隙在垂直面沿工作面推进方向与垂直面沿工作面倾向的动态演化规律.而应用实验室相似材料模拟试验,主要针对覆岩赋存单一关键层和两层关键层(Ⅱ和Ⅲ两类煤层)时,分析在水平面岩层及垂直面沿工作面推进方向的覆岩采动裂隙扩展与分布特征,并与同类的数值计算结果进行对比.3后处理功能RFPA2D可以计算并动态演示材料从受载到破裂的完整过程,整个系统具有较强的开放性、可扩展性,具有较好的后处理功能.在分析煤层顶板的离层、冒落、垮落、裂隙扩展情况方面,RFPA2D软件是较为理想的模拟软件.此软件在计算过程中执行分步开挖功能,每开挖一步,模型自动计算一步,并将单元的破坏移动过程通过弹性模量图或应力图显示出来,图中颜色灰度越亮表示压应力越大,灰度越暗表示拉应力越大.3.1垂直方向的方向3.1.1i类煤层大柳塔矿12305工作面1覆岩力学模型为了尽量减小边界情况的影响,模型划分为300×70个单元.采用连续开采的力学模型,覆岩各层相变力学参数如表1中所示.利用RFPA中的分步开挖功能,从第2步开始开挖,为符合工作面快速推进(15m/d)要求,开挖步距为1.8m,共开挖135m.2基本顶初次切落期.采场开挖后,工作面推进到30m时直接顶初次冒落.当推进到42m时,基本顶初次来压连同地表一起切落.工作面推进至58m时,基本顶发生第1次周期性整体切落;工作面推进到73m时,基本顶发生第2次周期性整体切落,如图1所示.3顶板高压变形控制工作面基本顶初次来压时,覆岩直至地表整体切落;顶板周期性切落时,顶板及其上覆厚松散风积沙层也几乎是整体下沉.随着工作面快速推进,整体破断的顶板岩块可以挤压并快速闭合,仍具有阻水作用.3.1.22级煤层上湾矿51201工作面模型、参数和加载方式等同上,覆岩各层相变力学参数如表2中所示.1基本顶重全面垮落工作面开挖到28m时,直接顶开始冒落;工作面开挖到40m时,基本顶开始垮落,到55m时,基本顶初次垮落,但未涉及到松散层,如图2a所示;当工作面开挖到近76m时,基本顶出现第1次周期来压,上覆松散层开始破坏,如图2b所示.2加20m的情况可见,与基岩厚18m的模拟结果相比,在基岩厚度增加到40m时,相应的来压步距也增大,且基本顶初次与第1次周期性垮落时,覆岩没有整体性垮落,更不会波及到地表.但在第2个周期来压时,地表与覆岩同步运动.3.2垂直端部的倾斜以上湾矿51201工作面为代表的Ⅱ类煤层为模拟分析基础条件.1采矿和采矿方案先掘出3条顺槽,两相邻顺槽间的间距分别为30m(区段煤柱的宽度)和230m(工作面的宽度),然后再进行开采.2模型建设模型长400m,高100m,共划分400×100个基元,采用单元自身重力实现加载.在试验过程中,采用库仑准则作为破坏的判别准则.31岩石挤压和裂缝延伸过程采空区最终垮落情况,如图3所示.4类似材料的模拟分析4.1平坦的岩石1模型建立和模拟实验使用简易立体模型架,模型架长250cm,宽150cm,两侧边为20cm宽的支座用以模拟边界条件.模型采用底卸式开采,底片长150cm,宽6cm.开采模型的原始模型如图4所示.按照快速推进要求,模拟过程中设置每班割6～10刀,截深为865mm,每班工作面推进距离为5.19～8.65m.2基本顶初次冲击当采至55m时,基本顶下位岩层发生冒落;当工作面推进至61m时,产生沿整个工作面的基本顶初次垮落,基本顶初次破断后形成2个主板块,板块回转运动后形成V形沟.1号和3号成为张开裂隙组,2号成为闭合裂隙组,如图4b所示.3岩板的正常运转10号当工作面推进到80m时,产生第1次周期性破断,断开的岩板产生回转,原张开裂隙(3号)变为闭合裂隙,并产生新的张开裂隙组(5号),由于岩板的回转,相邻的两岩板沿断裂线呈铰接结构,处于稳定状态,如图4c所示.随着工作面继续推进,第2次周期来压时,5号张开裂隙将转为闭合裂隙,工作面前方又出现新的张开裂隙,如此岩板出现周期性的张开与闭合现象.4顶的初次破断随着工作面的推进,水平面岩层在工作面中央破断,形成基本顶的初次破断;基本顶周期来压时,相邻断开的两岩板能相互铰接,并使相应的张开裂隙出现闭合的现象,但采场开切眼及上、下端头附近,采动裂隙发育,易形成导水通道和漏风通道.4.2垂直方向的方向4.2.1模型规格及基岩规格实验采用1∶100的几何比例,根据相似三定理,确定主要相似系数为:模拟线比αl=100;容重相似比αγ=1.67;时间相似比αt=10.使用简易立体模型架,模型架长250cm.按照时间比沿走向每5m开挖一步.51201工作面试验模型的基岩规格为长×宽×高=2.5m×0.2m×0.4m,设计采高5.3m.覆岩各层相变力学参数如表2中所示.32201工作面试验模型的基岩设计规格为长×宽×高=2.5m×0.2m×0.78m,实验设计采高5.5m.覆岩各层相变力学参数如表3中所示.4.2.2工作面纵向采动裂隙发育规律1)Ⅱ类典型浅埋煤层(51201工作面)当开采空间达到30m时,直接顶发生了冒落;开采空间达到45m时,基本顶开始垮落,如图5a所示.开采空间达到52m时,基本顶发生初次来压,垮落高度约8m,垮落范围长40m,但基本顶覆岩没有随之整体下沉,如图5b所示(与数值计算结果相近).开采空间达到近72m时,基本顶第1次周期来压,采动裂隙贯通至松散层底部.开采空间达到93m时,基本顶第2次周期来压;开采空间达到113m时,基本顶第3次周期来压,此时,采空区中部采动裂隙开始闭合.图5c所示的是开采空间达到134m发生第4次周期来压时的情况.可见,采动裂隙已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采动裂隙已被压实闭合,开切眼一侧的纵向采动裂隙仍以约60°角贯穿至松散层底部,但能在工作面一端形成了较稳定的铰接结构.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.2)Ⅲ类典型浅埋煤层(32201工作面)开采空间达到50m时,直接顶初次垮落.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侧断裂块的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,采动裂隙发育至基本顶顶部上方约4m的层位,如图6a所示.开采空间达到80m时,基本顶第一次周期来压;达到95m时,基本顶第2次周期来压;开采空间达到110m时,基本顶发生第3次周期来压,此时,主关键层没有破断,其下方的最大离层量达到2.7m,离层发育区域长65m,覆岩采动裂隙的发育高度也终止于此层位,如图6b所示.开采空间达到130m时,主关键层(4号岩层)破断,其下方的离层闭合.纵向裂缝止于风化砂岩.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,主关键层发生第1次周期来压,基本顶也随之垮落,但纵向裂隙仍止于风化砂岩.开采空间达到190m时,主关键层发生了第2次周期来压,基本顶也随之垮落,但采动裂隙仍中止在风化带下部.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、竖向通道均已被压实,几乎全部闭合,开切眼侧纵向裂隙高度也有减小,但没有完全闭合,如图6c所示.3)两类浅埋煤层比较分析两类典型浅埋煤层的工作面一侧采动纵向裂隙随开采空间变化的发育过程,及最终稳定后的状态,如图7所示.比较可知:1)工作面侧纵向裂隙的分布特征具有由硬岩层控制下的明显的突变跳跃性.基本顶破断后,Ⅱ类典型浅埋煤层的采动裂隙直接发育到松散含水层;而Ⅲ类典型浅埋煤层基岩中因为还有一个主关键层,故当基本顶破断后,纵向裂隙迅速向上发育,但当到达主关键层所控制的岩层组底部时,暂时停止;而当主关键层破断时,纵向裂隙又迅速向上发育,但都止于风化带.2)开切眼和两端头附近区域的采动裂隙不易闭合,这是工作面防突水与保水开采、工作面漏风以及瓦斯抽放应重点关注的区域.3)工作面后方1～2个周期来压距离后,采动覆岩断裂带内的采动裂隙就开始压实闭合.5工作面开采对上覆隔水层易发生离层裂隙的影响1)浅埋煤层随着长壁工作面的推进,覆岩会出现与地表同步垮落现象,但不同的典型赋存条件,其出现的时间不一样.Ⅰ类煤层发生在基本顶初次来压时,Ⅱ类煤层发生在第2次周期来压时,Ⅲ类煤层发生在主关键层破断时.2)覆岩与地表同步垮落,对地表土壤和植物的破坏程度较小,并能充分压实采动层间裂隙,有利于保水开采及防止工作面漏风.但纵向裂隙相对发育,易将含水层的水导入井下;易导通采空区,引发煤层自燃;易损伤部分地表植被的生长根系.且工作面开采面积越大,层间裂隙压实效果越好,纵向垂直裂隙的密度也越小.3)随着工作面的推进,上覆岩层中的张开裂隙会产生闭合现象,且工作面推进越快,裂隙扩展的时间越短,裂隙闭合也越快,但采场切眼及上、下端头处的裂隙不易闭合,易形成导水和漏风通道.此外,工作面快速推进,还有利于工