（安全技术及工程专业论文）下保护层开采卸压范围及卸压程度的研究.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h em i n i n gd e p t hi n c r e a s e ，t h eh i g hg a sm i n e s a n dc o a la n dg a so u t b u r s tm i n e sh a v eb e e ni n c r e a s i n g s oi t h a sb e c o m ea n i m p o r t a n tt a s k f o rm i n i n g e n g i n e e r s t o g u a r a n t e es a f em i n i n gb ya d o p t i n ge f f i c i e n tm e a s u r e s b a s e do nt h e o r ya n a l y s i s ，w i t ht h ec o l l i g a t i o na n a l y s i s m e t h o do fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dc o l l i e r yo n t h e s p o tt e s t ， t h er o c kf a i l u r ea n dm o v e m e n tl a w s ，t h es t r e s sc h a n g ea n d d e f o r l t l1 a w s o ft h ef a r - d i s t a n c e p r o t e c t e d s t r a t u m t h e p e n e t r a b i l i t yc h a n g el a w so ft h ef a r d i s t a n c ep r o t e c t e ds t r a t u m ， a n dt h eg a sf l o wf i e l do ft h ef a r - d i s t a n c ep r o t e c t e ds t r a t u m w e r es t u d i e df o rt h el o wp e n e t r a b i l i t ya n dh i g hg a sc o a ls e a m d u r i n g t h ef a r - d i s t a n c e u n d e r - p r o t e c t i n g s t r a t u m m i n i n g t h r o u g hr e a s o n a b l ya r r a n g i n gt h ep r e s s u r er e l e a s i n gg a sd r i l l s ， g a sw a se x t r a c t e do u ta n dt h eg a sc o n t e n ti nt h ec o a ls e a mw a s r e d u c e d t h eg a se m i s s i o nw a sl e s s e nd u r i n gt h ew o r k i n gf a c e m i n i n ga n da v o i dt h ed a n g e ro ft h ec o a la n dg a so u t b u r s ti n t h ep r o t e c t e dl a y e r , a n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi np r o t e c t e d l a y e rw a sg r e a t l yi m p r o v e d t h ef i n d i n gc o n c l u s i o n sa c c o r d e d w i t ht h em e a s u r i n g c o n c l u s i o n si nc o a jm i n e t h es c i e n t i f i cf o u n d a t i o nh a v eb e e n g o tf o rt h ed i s t r i c tp r e v e n t i n gg a so u t b u r s ta n du n l o a d i n g p r e s s u r ed r a w i n gg a s ，a n dt h eg a sh a r mw a sr e s o l v e df o rt h e l o wp e n e t r a b i l i t yh i g hg a sc o n t e n ta n do u t b u r s tc o a ls e a mw i t h t h ef a r d i s t a n c ep r o t e c t i n gs t r a t u mm i n i n gs u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：u n d e r - p r o t e c t i n gs t r a t u m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； c o a ld e f o r m a t i o n ；c o a la n dg a so u t b u r s t ；p e n e t r a b i l i t y ； 安徽理工文学工程硕士研究生论文 1引言 1 1 问题提出及选题依据 我国是以煤炭为主要能源的国家，目前及今后2 0 年煤炭在我国一次 能源中的比重仍将占7 0 7 5 。国家对矿物资源的开采工业可持续发展的 呼声越来越高，为保证国民经济正常发展，仍需有计划大规模地开采煤炭 资源。而煤矿瓦斯( 以c h 。为主) 是同煤共生并存储在煤与围岩中的气藏 资源。在煤炭生产过程中，它以涌出、喷出和突出等形式释放出来。因瓦 斯具有燃烧、爆炸和窒息性，所以它严重地威胁着煤矿职工安全，制约着 煤炭工业的发展和效益的提高。 我国目前已探明煤炭地质储量1 0 0 0 0 多亿t ，其中厚煤层储量占4 4 0 左右，然而，我国煤矿地质构造及煤层赋存条件比较复杂，在目前开采的 矿井，3 0 以上是高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，s o f i a 上的厚煤层具有自燃 倾向，全国大中型煤矿开采平均深度4 0 0 m 以上，冲击地压和地热灾害也 在不断增加，如何安全高效地开采煤炭以满足社会发展需求，很值得我们 探索。 我国煤炭储量丰富，同时也是世界上煤层瓦斯资源最丰富的国家之 一，据测算，仅陆地上烟煤和无烟煤田中埋深不足2 0 0 0 m 的煤层中蕴藏着 3 0 3 5 万亿m 4 的瓦斯，我国煤层瓦斯资源为美国的3 倍，但瓦斯抽采量与 美国相差较大，这主要是我国煤层瓦斯储存特征所决定，其特点是“两低 一高”，即：煤层瓦斯压力低，煤层透气性低，煤层瓦斯吸附能力高，这 一特点给煤层开采和瓦斯抽放带来了较大困难，我国多年的科研和生产实 践，尤其是煤矿瓦斯抽放经验表明，瓦斯和煤岩除有“共生”、“共储”的 特点( 即煤岩体内既是生气源，以是瓦斯的储气源) 外，瓦斯只是在煤体 直接被开采和围岩体在采动影响下变形、破断后才会有大量的运移，包括 瓦斯的渗流、扩散、升浮，向采场涌出、突出等，由于煤层本身赋存条件 和经济技术因素，不能有效地大规模进行地面钻井抽放瓦斯，而应该着力 于采动过程中，层状岩体应力分布状态和裂隙分布与煤层瓦斯运移的特 点，研究有效控制瓦斯运移技术。 安徽理工土学硕士研充生论文 ； 随着开采深度的增加，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井逐渐增多，如何采 取有效措施实现安全高效开采成为摆在采矿工作者面前的重要任务。预防 煤与瓦斯突出措施按作用范围来划分，有区域性措施和局部性措施，其中 开采保护层是预防突出最有效、最经济的区域性预防突出的技术措施。几 乎所有发生突出的国家，只要有保护层，都采用这项措施，我国防治煤 与瓦斯突出细则规定：“开采煤层群时必须首先开采保护层”；“矿井首 次开采保护层时，必须进行保护范围及保护效果的考察”。我国从1 9 5 8 年起成功地使用了这种技术，目前开采保护层的矿井占突出矿井总数的 2 6 。但由于不同矿井煤层赋存条件的差异，及保护层开采对防治煤与瓦 斯的作用规律还有许多工作要做。目前需要解决的问题主要集中在以下几 方面： ( 1 ) 保护层开采引起采场围岩体矿山压力重新分布并使煤岩体结构发 生变化，采动后上覆岩层的移动与破断引起的采动裂隙的分布变 化，随之引起的煤岩体中瓦斯赋存状态和运移形态的变化。在以往 的研究中，国内不少学者多把研究重点集中在覆岩应力变化，而在 现场实际条件下，覆岩应力变化与煤岩透气性之间的关系，特别是 保护层开采以后，被保护层透气性系数的空间分布形态等的研究较 少。 ( 2 ) 保护层开采以后，被保护层采用钻孔进行卸压瓦斯抽放时，钻孔布 置合理，及对瓦斯抽放效果的影响等缺少理论支持，为此有必要探 讨被保护层煤层透气性变化对卸压瓦斯抽放的影响，被保护层瓦斯 运移特征及钻孔参数与瓦斯抽放量的关系。 ( 3 ) 。目前远距离保护层开采对被保护层作用效果的认识还是初步的，当 煤层群中无合适邻近层开采，相对层间距( 保护层与被保护层层间 距与保护层采高之比) 大于一定值时，保护层开采过程中及开采以 后，被保护层地应力、煤层变形及煤层透气性分布等还处于研究阶 段。 1 2 保护层开采防治瓦斯研究现状 1 2 1 保护层作用机理研究现状 在突出矿井中，预先开采的，并能使其它相邻的有突出危险煤层受到 采动影响而减少或丧失危险的煤层称为保护层，即危险煤层掘进和回采之 前，在时间上和空间上都超前开采位于危险煤层顶板或底板内的保护层， 保护层与被保护层之间的层间距应合适，以致开采保护层能使突出危险煤 安徽理工文学工程硕士研究生论文 层的应力一形变状态和瓦斯动力状态发生改变，能达到预防煤与瓦斯突出 的目的。 开采薄的保护层能起防护作用的条件是保护层的采高耍大于围岩的 总形变量，当其它因素相同时，主要取决于开采深度和回采参数( 工作面 长度和顶板管理方法) 。若保护层太薄，采空区被岩石自行充填，或在保 护层变薄带留下煤柱，开采保护层所超的保护作用影响范围就缩小了，因 为在上或下保护层产生保护作用之前，采空区的顶板和底板已闭合。 开采保护层方法的选取，首先决定于煤系地层的结构煤系中含有的 煤层数，以及是否有可作为保护层的煤层：其次是保护层与被保护层之间 的岩层厚度，这些岩层的岩石成份和物理一力学性质对保护效果具有实质 性的影响。 按瓦斯因素，保护的范围是保护层和被保护层之间的层间距相适应。 在层间距合适时可以消除瓦斯因素( 危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量) 对 煤与瓦斯突出势态造成的影响。当突出危险煤层的应力一应变和瓦斯动力 状态发生人为变化时，保护作用才能表现出来。 保护层的围岩在冒落拱内移动，取决于工作面推进后的时间，以及保 护层与被保护层之间的法线距离。前苏联学者根据岩石移动时，按岩层裂 隙发育及透气性分为三带：围岩不规则移动和冒落带，此带内形成贯通的 透气裂隙，形成统一的透气系统；岩石断裂移动带，形成解吸瓦斯可通过 贯通裂隙，但未形成统一的透气系统，其残余瓦斯压力很少与原始压力有 关：岩石末破断移动带，此带内煤层透气性没有明显的提高，瓦斯不能沿 裂隙从被保护层流向保护层巷道，被保护层的瓦斯排放和突出危险性只有 不大的局部变化，其残余瓦斯压力主要取决于原始压力。保护层回采后突 出危险煤层的瓦斯动力状态变化与层间岩石厚度的关系可用下式表示： p = 妒e x p ( e x r ) ( 1 1 ) 式中 p 乙一被保护层残余瓦斯压力； r - 上保护层时，r = m ( m 为层间距，m ) ，下保护层时，r = m m ( m 为保护层采高，m ) ； 口，妒一经验系数。 采取保护层开采的同时，向上部或下部煤层打钻抽放瓦斯，可以使距 钻孔1 8 2 0m 范围内的煤层瓦斯压力显著降低，采用钻孔抽放瓦斯时， 图1 1 表示了缓倾斜被保护层采用人工抽放瓦斯和未采用人工抽放瓦斯时 残余瓦斯压力与层间距的关系，由此可以看出，采用人工抽放瓦斯可以大 大提高保护层开采的保护范围，提高防突的可靠程度。尤其是处于岩石未 安徽理工太学硕- t - 研究生论文 破断移动带内的煤层，采取穿 层钻孔瓦斯抽放才能有效消除 “” 煤层瓦斯突出危险。 t 6 0 保护层的作用机理是由于 凸1 2 0 突出危险煤层卸压，从而使应 r n 力减小和瓦斯排出，在被保护 的突出煤层中，残余瓦斯压力 趋于一个常数，排除瓦斯的煤 ” 层失去发生突出的能力。有关享一4 0 文献认为，在采深3 0 0 6 0 0 m 篮一8 0 处超前开采保护层，煤层的相0 1 234 对膨胀为o 5 1 ，其卸压效 p m p a 果就了防些誊专i ， 图1 尝啬蠢裂藉嘉藿篙嚣与 前苏联矿产地质力学和矿 1 一抽放瓦斯2 一未采用抽放瓦斯 山测量科学研究所根据保护层 回采工作面影响下，地压重新分布，提出确定卸压带和保护带，被保护的 准数以下列不等式表示，即 盯， 珂o( i 2 ) 式中0 。一岩体内应力的垂直分量，n m 2 ： v 一岩石的加权平均容重，n m 3 ： 凰一- 煤层最小始突深度，1 1 1 。 但式( 1 2 ) 未考虑瓦斯的作用，根据瓦斯因素确定的安全准数为 p ( x ，y ，z ) 研究在一定地质条件下，远距离保护层的层间距与岩性和岩层分 布对被保护层卸压变形规律。 ( 2 ) 现场工业性试验研究 根据芦岭煤矿地质采矿条件和远距离下保护层开采理论，结合实验室 相似材料模型和数值模拟试验结果进行保护层开采、卸压瓦斯抽放、瓦斯 综合治理以及突出危险煤层关键参数与保护效果考察等设计；现场考察被 保护煤层相对变形、瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、抽放量、煤层透气性等参 o 安徽理工文学工程硕士研充生论文 数随保护层回采工作面推进的变化规律；现场考察被保护层煤巷掘进与煤 层回采过程中钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度、瓦斯涌出量等突出预测与防 突效果检验指标的变化规律以及瓦斯动力显现情况。通过综合分析研究， 确定保护范围、效果以及合理的安全指标，通过钻孔与钻场瓦斯抽放参数 及效果的实际考察，确定合理的抽放参数与方法。 研究利用缓倾斜远距离下保护层开采产生的采动卸压增透作用，实施 以卸压瓦斯强化抽放为主的瓦斯综合治理技术，实现保护层顺利开采和被 保护层解除突出危险并能实施综放开采的条件，以提高矿井生产效率。 安徽理工土学工程硕士研究生论文 2 保护层开采覆岩破断移动特性 2 1概述 岩体是一种地质介质，在它成岩或变质过程中，大都经历许多强烈程 度不同的构造运动，这些构造运动在地层中形成了系列的构造形迹，产 生了变形和破坏，形成了由结构体和结构面构成的地质体。采场覆岩实质 上是一系列岩层的有序组合，而层状组合的覆岩中有一层或凡层较为坚硬 的厚岩层在整个上覆岩体的变形与破坏中起主要作用。岩体的破坏实际上 是指岩体结构改组和结构联结的丧失现象，根据此定义及实际观测和研究 成果，采动岩体内存在的破坏形式有： ( 1 ) 冒落煤层采出后，顶板岩层中重新分布应力超过岩体的强度， 岩体破裂成块状在自重力作用下脱离原岩的破坏形式称之为冒落，冒落一 般发生在采空区上方拉应力区岩层中， ( 2 ) 离层 采空区上覆岩层由于竖向移动变形的大小和速度不同而 使岩层面之间或层理面之间产生的开裂现象称为离层，离层般发生在顶 板拉应力超过层间联结强度而致，也可由拉剪作用形成不规则的离层。规 模较大的离层是由于采动影响程度和岩层的抗弯刚度不同而产生的。 ( 3 ) 层间错动在重力产生的沿层面的下滑力的作用下，或者由于岩 层移动过程中相邻岩层水平移动的大小或方向不同而使层面软弱带两侧 的岩层产生相对滑移，这种破坏形式称之为层间错动，这类破坏主要发生 在不同岩层交界处或沿软弱砸发生。 ( 4 ) 剪切破坏和塑性变形在软弱岩层中常见，表现为软弱岩层在剪 应力作用下形成一系列的滑移面，这种破坏面的特点是在重力作用下容易 闭合，膨胀性岩层中的裂隙面吸水后粘土矿物膨胀也易使之闭合：硬岩层 中的剪切破坏现象在支撑压力区岩层中虽有所见，但以沿着已有裂隙发生 的重剪破坏为多见。 ( 5 ) 块体滚动 这种破坏有两种情况，其一是在已经垮落或断裂的岩 体的下山方向继续进行采煤形成新的采空区时，如果煤层倾角较大，垮落 的岩块就可能下沉或滚动充填采空区，从而使上部形成新的空间，这种移 动如果一直延续至地表，会使地表下沉加强形成塌陷；其二是在岩体内部 安徽理工太学工程硕士研究生论文 发生结构体的滚动或转动现象。 上述破坏形式的出现是由岩体本身的结构特征、物理力学性质和采动 影响程度等共同决定的，从力学机理上可归结为四种常见的破坏机制，即： 张破坏、剪破坏、结构体滚动和结构体沿结构面滑动和错动。 本章从分析远距离保护层开覆岩离层、断裂破坏和变形出发，探讨远 距离被保护层的变形特征，运用关键层理论研究被保护层裂隙发育规律， 为后面的相似材料模型实验和现场试验过程中卸压瓦斯抽放钻孔布置提 供理论依据。 2 2 保护层开采覆岩破坏特征及分布形态 2 2 1 保护层开采覆岩“三带”的形成 保护层采出后，其上覆岩层要发生破坏和位移，位于不同层位的被保 护层，其变形与破裂形态有较大差异，研究保护层开采后，覆岩“三带” 分布规律对被保护层瓦斯防治具有指导作用。经长期现场观测证实：覆岩 破坏和位移具有明显的分带性，其特征与地质、采矿等条件有关，在采用 长壁全部冒落法开采缓倾斜煤层开采条件下，当采深达到一定深度( 1 0 0 m 左右) ，覆岩的破坏和移动出现三个具有代表性的部分，自下而上分别称 为：冒落带、断裂带和弯曲下沉带。如图2 1 所示。 匿2 1 覆岩破坏移动分带示意图 i 一冒落带i i 一断裂带i 一弯曲带 a 竖向裂隙b 一离层裂隙c 一地表裂隙 1 一不规则冒落带2 一规则冒落带 fi 冒落带 冒落带即垮落带，是指脱离岩层母体，失去连续性，呈不规则岩块或 安徽理工太学工程硕士研究生硌文 似层状巨块向采空区冒落的那部分岩层。冒落带位于覆岩的最下部，紧贴 煤层。煤层采空后，上覆岩层失去平衡，由直接顶板岩层开始冒落，并逐 渐向上发展，直到开采空间被冒落岩块充满为止，冒落带下部岩层破坏较 大，失去层状，呈不规则岩块冒落，杂乱堆积于采空区内，该部分可称为 不规则冒落带。向上冒落岩块渐大，甚至过渡为巨块，呈似层状断块，脱 离母体岩层，不连续地覆盖于不规则冒落带上部，称为规则冒落带。 冒落岩块由于碎胀，体积较冒落前增大，增大比率可用碎胀系数表示， 碎胀系数大小与岩性及采厚有关，硬岩及采厚较大时，其值大，反之则小， 平均约为1 1 一1 5 。在自由堆积状态下，由于冒落岩块的碎胀性而逐渐填 充开采空问，导致冒落带向上发展至一定高度而自行停止。 冒落带碎落岩块在上覆岩层沉降压力下可逐渐压实，甚至部分形成再 生顶板，厚煤层分层开采时，冒落岩块受到重复采动多次破坏，岩块碎度 增大，碎胀系数减小，冒落岩块也多次被压实。冒落带内岩块之间的空隙 多，连通性强，是地下水和瓦斯涌出和聚积的场所。 ( i i ) 断裂裂隙带 断裂带或称裂隙带，位于冒落带之上。该带具有与采空区连通的导气 ( 水) 裂隙，但连续性未受破环的那一部分岩层，裂隙带的裂隙主要有两种： 一种是垂直或斜交于岩层的新生张裂隙，主要是岩层向下弯曲受拉而产 生，它可部分或全部穿过岩体分层，但是其两侧岩体基本无相对位移而保 持层状连续性；另一种是沿层面的离层裂隙，主要是因岩层间力学性差异 较大时，岩层向下弯曲移动不同所致，离层裂隙要占据一定空间，致使上 部覆岩和地表下沉量减少，离层裂隙是贮气和导气的通道，裂隙带的下部， 垂向裂隙逐渐发育增强，离层裂隙和垂向裂隙透通，导气性明显增加，并 能向下渗透到采空区，故裂隙带又称为导气( 水) 裂隙带。 裂隙带随采空区扩大而向上发展，当采区扩大到一定范围时，裂隙带 高度达到最大，此时采空区继续扩大，裂隙带高度基本上不再发展，并随 着时间的推移，岩层移动趋于稳定，裂隙带上部裂隙逐渐闭合，裂隙带高 度也随之降低，一般说来，在采空区形成两月左右之后，裂隙带发育最高， 厚煤层分层开采时，冒落带高度可能上升，裂隙带高度也随之增加，但其 上升幅度较初次采动将大为减小。 ( i i i ) 整体移动带 整体移动带又叫弯曲带。是指裂隙带顶部到地表的那部分岩层，弯曲 带基本呈整体移动，弯曲下沉带内岩层一般不再破裂，只有自重作用下产 安徽理工大学工程硕士研究生论文 生的法向弯曲，故岩体较好地保持了原有的整体性，特别是带内为软弱岩 层及松散土层时，在垂直剖面上，弯曲带上下各部分下沉量差值较小，弯 曲带上部一般很少出现离层，但其下部可能产生离层，特别是在软硬岩层 交替接触处离层最易产生，甚至在弯曲带中上部可出现离层，但此带中的 离层裂隙仅局部充气而不与导气裂隙带连通。弯曲下沉带高度随岩性不同 而异，当岩层多为脆而硬岩时，其高度约为规则移动带的3 5 倍，当岩体 为软弱而具塑性时，约为规则移动带的数十倍，直至地表。 以上“三带”虽各带特征明显不同，但其界面是逐渐过渡的，掌握“三 带”破坏特征对保护层开采和合理布置抽放钻孔具有重要的指导作用。当 被保护层位于断裂带内时，被保护层充分卸压，致使被保护层地应力大大 减小；同时产生大量的垂直或斜交裂隙和层间裂隙，所以被保护层中的瓦 斯通过导气裂隙大量进入保护层采空区，这样被保护层瓦斯潜能得以充分 释放，所以位于此带煤层的保护范围内煤层突出危险性得以解除；当被保 护层位于弯曲下沉带内时，其保护作用主要是由于保护层开采后，岩体中 形成自由空间，破坏了原岩应力的平衡，地应力重新分布，岩体向采空区 方向移动，被保护层发生卸压、膨胀，同时产生大小不同的层间裂隙，煤 层透气性增大。芦吟矿现场试验表明，被保护层瓦斯一般不会通过垂直或 斜交裂隙运移到其它岩层中，因此，必须通过卸压瓦斯抽放，造成被保护 层煤层瓦斯含量的减小和瓦斯压力的下降，这样使瓦斯潜能降低。同时， 瓦斯的排放使煤的坚固性增加，即提高了煤自身抗突出的性能。这一系列 变化都是由于煤层的变形和移动。 2 2 2 “三带”的空间形态 ( 1 ) 水平一缓倾斜保护层开采 冒落带为不对称的枕型( 中间微凸、平或微凹) ，边界一般在采空区边 界内。裂隙带一般呈马鞍形，边界一般在采空区边界外( 特别坚硬岩层例 外) 。由于采煤工作面中部冒落速度快，下沉幅度大，故冒落中止早，再 者，随着覆岩弯曲下沉，采空区中部逐渐压实，导水( 气) 裂隙带亦随之下 降，故冒落带和裂隙带最终形态为：冒落带一般为中间微凹的枕形，裂隙 带一般为马鞍形，其最高点位于采空区的倾斜上方，如图2 2 。弯曲带沿 走向及倾向均为基本对称的下沉盆地。 ( 2 ) 倾斜保护煤层开采 冒落带为不对称的平枕或拱枕，边界一般在采空区边界内。上方略大 安徽理工大学工程硕士研究生论文 干下方。裂隙带为上大下小不对称的凹形枕，上轮廓线大致呈抛物线，马 鞍形消失或残留不明显，与采空区边界齐或略偏外。这是因煤层倾角增大， 采空区上部冒落岩抉下滑先充填采空区下部，采空区上部覆岩继续失稳雨 离层、断裂、充分冒落所致，如图2 3 所示。弯曲带沿倾向不对称下沉， 上山方向较下山方向下沉量大。但若走向开采长度大，则沿走向仍为对称 下沉。 图2 2 水平一缓倾斜保护层开采 冒落带、裂隙带空间形态 ( 3 ) 急倾斜保护煤层开采 冒落带为耳形或上大下小不对称拱 形，裂隙带与冒落带形态类似。二者上边 界均大大超过采空区边界。其原因是倾角 加大，冒落岩块滚动下滑加剧，迅速填充 采空区下部空间，限制了冒落带与裂隙带 下边缘的发展，而采空区上部，边界煤柱 悬空，逐次片帮、开裂、冒落，使两带上 边缘急剧向上发展，以致大大超过采空区 上边界，如图2 4 。在高角度条件下，如 顶底板岩性坚硬、平整，煤层厚且松软， 1 r ，仨督 r 1 玎，r z 1 ， _ _ n 叠孓，翼罩蕊 图2 3 倾斜保护层开采 冒落带、裂隙带空间形态 z t ， ，e ”1 n 1 r _ ，一 图2 4 急倾斜保护层开采 冒落带、裂隙带空间形态 则可能沿本煤层抽冒，高度可超过百米，甚至穿过松散层到达地表，形成 丑 王 一 _ | n整霄 安徽理工土学工程硕士研究生论文 地表塌陷坑。 2 _ 2 3 冒落带裂隙带发育高度的预计 在对现场工程地质条件岩石地质条件和岩石物理力学指标了解不充 分的条件下，可应用已有的经验公式预计覆岩的破坏高度，它们来源于实 测、简单易用。但实际情况下最常见的是各种不同岩类交替出现互相组合 的覆岩。 缓倾斜保护煤层开采冒落带和裂隙带高度按下式计算。 1 ) 冒落带高度 当煤层顶板有坚硬岩层，采后能形成悬顶时，则冒落高度h m 可用下 式计算： h m = 志 式中 。一煤层倾角； m - 采高； k - 冒落岩石的碎胀系数。 当煤层顶板有坚硬、中硬、较软弱和极软弱岩层或其互层时，采后随 冒随沉，则开采单一煤层冒落高度h 。可用下式计算： = 两m 丽- w i 式中a 煤层倾角； 肼采高； 职冒落过程中顶板下沉量； 雎冒落岩石的碎胀系数。 2 ) 裂隙带高度 试验保护层工作面为芦岭煤矿i i1 0 4 8 工作面，该工作面风巷与机巷 在标高一5 5 5 m 一5 8 0 m 之间，倾斜长1 2 0 2 2 0 m ，平均1 7 0 m ，走向长 1 2 3 0 m ，煤层厚度平均3 o m ，煤层倾角平均9 。，煤层顶板为中硬砂岩、 砂质泥岩和泥岩互层，由此可计算得试验区保护层工作面开采后，覆岩的 冒落带和裂隙带最大高度分别约为：1 4 m 和3 4 m 。 安徽理工大学工程硕士研究生论文 表2 1 裂隙带最大高度计算公式 2 2 4 裂隙带发展的时间过程 在研究覆岩破坏时，不仅要了解其空间分布的规律性，而且要了解在 时间上分布的规律性。裂隙带发展的时间过程可分为两个阶段：在裂隙 发展到最大高度以前，它是随着时间而增长的。从缓倾斜、中倾斜煤层覆 岩裂隙带最大高度实测统计中得出：对于中硬覆岩，一般是回采工作面放 顶后l 2 个月的时间内，导气裂隙带达到最大值；对于坚硬覆岩，导气裂 隙带高度达到最大的时间长一些；对于软弱覆岩，导气裂隙带高度达到最 大值的时间短一些。当导气裂隙带高度达到一定值以后，发展过程出现 稳定和导气裂隙带高度有所降低。导气裂隙带高度的降低及降低幅度同覆 岩的岩性及力学强度有密切关系。覆岩由坚硬岩层组成时，导气裂隙带高 度形成后，基本不再变化，覆岩主要由软弱岩组组时导气裂隙带最大高度 随时间的增加有所下降。 2 t 3 保护瑟器采覆岩破坏及移动的力学模式 采场回采工作结柬后，覆岩破坏、移动及应力分布模式简化为如图 2 。5 瘊示。在瑗岩破坏、移动稳定了的猿援下，在垂耋赛l 瑟凑，采场残嚣 所采煤层本身殿顶板覆岩均为压应力区或增压区。在采空区上方，岩层在 铅垂方向上受挝律，程水平方向上受艨绫。因此，自下藤上产生霉落蛰、 裂隙带和弯曲带，其中冒落带、裂陈带为卸压酝。襞隙带以上糟层，在垂 直方向上受拉，水平方向上受压，产生整体移动。这种力学状态对于位予 裂豫麓以上谈谦护层( 鲡图2 5 的垂鬣拉应力廷) 卸疆变形和袭隙发育产 安徽理工大学工程硕士研究生论文 i i i 生较大的影响，由于被保护层在垂直方向上受拉，水平方向上受压，所以， 被保护层发生膨胀变形并产生层间裂隙，在一定范围内有利于卸压瓦斯抽 放。 图2 5 覆岩破坏、移动力学模式示意图 t - - - 拉伸应力或变形；- 压缩应力或变形；t - - 垂赢压缩压力区 i 一垂直拉应压力区：l 一地表移动范围：2 一应力变化范围 采动岩体的破环状况可采用弹塑性理论分析，采用弹塑性理论分析采 动岩体的破杯状况时，可将采动岩体划分为以下几种区域： 弹性区：岩层仅发生弹性变形，完整无破坏，实际上可以认为是在采 动影响下未发生新的破坏； 塑性区：岩土层发生塑性变形，有些区域发生剪切破坏； 拉张破坏区：在双向拉应力作用下，岩层被拉断拉开或冒落； 拉张裂隙区：某点一个方向的拉应力超过了岩体的抗拉强度而产生一 定方向的拉张裂隙( 与层理方向平行、斜交或垂直) ，这些拉张裂隙贯通时， 可形成导气( 水) 裂隙带；这些裂隙不贯通或密度较小，不影响岩体的整体 性时j 可称轻微拉裂区。 拉张破坏区和拉张裂隙区主要分布在采空区上方拉应力区岩层内和 正曲率区拉伸应力区岩层内，顶部拉伸区随着工作面推进面前进，原拉伸 裂隙部位又产生压缩。塑性区分别位于支承压力区、采空区上部软弱岩层、 盆地中间部位土层及风化带岩层内。 采用以上分区可以较为方便地预测岩体破坏状况，在详细分析上覆岩 土体工程地质岩组特性基础上，采用数值分析方法确定冒落带和裂隙带的 高度，可以灵活地针对某一实际工程地质剖面进行预计，还可克服前述经 验类比法的某些不足，其精度能够满足生产需要。 安徽理工文学工程硕士研究生论文 ；i ；i i i ；i d ；i ；i i ；_ ；i i ；i ； 2 4关键层的破断特性及对覆岩裂隙发育的影晌 2 4 1 关键层初次破断后动力学分析 ( 1 ) 关键层上的载荷 为了说明关键层的有关概念和基本理论，假设各岩层上的载荷为均匀 分布，并设采场覆岩中有m 层岩层，从下至上n ( n 聃) 层同步变形。每层 岩层的厚度为：h i ( i = l ，2 ，3 ，n 1 ) ，体积力为：r i ( i 2 i ，2 3 ，m ) 。 由于 层岩层同步变形，考虑到层状岩体中层面上的抗剪切力较弱， 则由梁理论可知 堕：堕一：堕 e i l le 2 1 2e h in ?j 式中m 第i 层岩层的弯矩； e r 第i 层岩层的弹性模量； 第i 层岩层的惯性矩； 由( 2 1 ) 式可解得 堕：盟，堕：盟，堕：盟( 2 2 ) m 2e 2 ，2m 3e 3 ，3 m 。e 。，。 、 其组合梁弯矩m 为 m = m l + m 2 + + m 。= m 。 ( 2 3 ) 对于第1 层梁，由式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 得 m ：e l l l m( 2 4 ) e ， 由梁的受力微分原理，可得 口、：盟 e ， 一i + 式中，q 为全部( n 层) 控制岩层的自重载荷，将正和q 的具体表达形式代 入上式得 安徽理工文学工程硕士研究生论文 ( 2 5 ) ( 2 ) 关键层的初次破断距 假设支承关键层的弹性基础符合w i n k l e r 地基假设，其力学模型见图 2 7 所示，关键层内的剪切力为q ，弯矩为m ，则表达式为 q l = e i y m l = e i y “ 在x = l 处，即梁的中部，其弯矩为 厶，则 m 口= e l y _ ，= a q l l 2 当y , - = o ，则此时的弯矩值f m f = m ，且其位置为x 。 压压 即2 i 眦万 2 + c o l 一- 2 a c o l c o l 2 a c o l ( 2 6 ) 珊 、7 式中舻矗； 也2 1 2 + 6 篮+ 6 压 一丽西习犷 - 七为w i n k l e r 地基系数，? 为梁的半长。 此处弯矩m 。为 肘，= 咱几一老、( 等+ 丢一咖t n 万0 3z ，+ ( 圭- - t 2 ) c o s 老圳：一助l f 2 式中= e 音讯等+ 圭一咖i n 老x ，+ ( 圭- - t z ) c o s 万c o 训 当( - 0 斗。时，可得到初次破断的最大极限破断距，即两端固支梁 模型的极限破断距厶，计算式为 n 一卵。盟e 砰。 e 一 = g 安徽理工土学工程硕士研究生论文 ；ii ；i i i ；z ；i ；i ；i j ；_ i ；i ；i ；j k “1 案 q 7 式中，仃。为关键层抗压强度。 ( 3 ) 关键层的周期破断距 在图2 7 中，如令f 1 处m 。= 0 ，则连续梁模型就转化为悬臂梁模 型。周期来压力学模型如图2 8 所示。设在x = o 处的剪切力为函，弯矩 为蚴，则弹性地基上悬臂梁挠度曲线为 胪。寺1 警c o s 老一鲁s m 芳叫 眨s ， 为了得到周期破断距，从( 2 8 ) 式求得最大弯矩他的位置x i ，由式( 2 8 ) 可得 y ? = 击e 噎1 警c c 。s 击x “n 击矿等c c 。s 老x 槲n 老力i 令并= 0 ，得 铲等而q 瓦o q4 2 c o m ( 2 9 ) 0 +0 其中，q o = q l ，肘o = 去g t l 2 。 由岩梁的强度理论 一m z 仃c 盯= o = 一 。 1 0 得求解f ；计算公式为 q ，li lli l 、，ll lilll f 0 一 l j l j 游 i i 、 r 翌。l 。 y 图2 8 周期来压力学模型 ，鲥静牟s i n ：0 9 + 1 , c o s 老2 2 垆托= 。 则周期破断距l ：可由下式求得 l ：= l l + x l( 2 l o ) 安徽理工大学工程硕士研究生论文 2 4 2 关键层破断形式对岩层移动的影响 由于煤系岩体的分层特性差异，各岩层在岩体活动中的作用是不同 的。有些较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，即起承载主体或骨架作 用，有些较为软弱的薄岩层在活动中起加载作用，其自重大部分由坚硬的 厚岩层承担。通常将在采场覆岩层中存在着多层岩层时，对岩体活动中起 控制作用的岩层称之为关键层。之所以称为关键层，是因为它本身具有很 强的抗扰动能力，工作面初采或开采厚度较小时不能使其破断失稳，它一 方面形成某种力学结构( 板或简化为梁，如砌体梁等) 形式支撑其上覆岩体 的载荷，另一方面又以这种结构保护着回采空间，阻止覆岩的垮落、断裂 及弯曲变形向上发展；当开采空间足够大( 如连续大面积开采及采厚加大) 到一定临界尺寸时，该坚硬厚岩层所形成结构将破断失稳，由上述关键层 力学分析可知，这种破断失稳具有周期性。由此可知，关键层的断裂导致 全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动，其断裂步距即为上部岩体中部 分或全部岩层的断裂步距，从而引起明显的岩层运动和矿压显现，它对处 于上覆岩层中的被保护层瓦斯的释放和卸压起关键作用。 一般地，关键层即为主承载层，在破裂前可以“板”结构的形式承受 上部岩层的部分重量，断裂后则可形成砌体梁结构，其结构的形态即是岩 层移动的形态，而各亚关键层之间或主关键层和亚关键层之间移动的不协 调即形成覆岩内部的离层。 2 4 3 覆岩“0 一搿型破断特征及瓦斯运移通道形成 对于采用走向长壁开采形式，关键层在未破断前可视为处于四周不同 支承条件下的矩形板。据开采边界形式可将其归纳为4 种力学模型的板， 即：( a ) n 周均为实体煤固支；( b ) 一边采空或断层简支、三边固支；( c ) 两 邻边简支、两邻边固支；( d ) 三边简支、一边固支，即称孤岛工作面条件。 甘峦拼女- h n 阿1n 昕； 净套如叁峰地 图2 9 各种支承条件下板四周及中心线上弯矩分布 安微理工大学工程硕士研究生论文 由图可知，工作面( 矩形的长边) 上方中部弯矩的绝对值始终为最大， 故在四周固支条件下，随着工作面的推进，长边的中心区首先超过极限弯 矩而成裂隙( 图2 2 0 a ) ，而后在短边中央形成裂缝( 图2 1 0 b ) ，待四周裂缝 贯通成“0 ”型后，四周简支的板再形成“x ”型破坏( 图2 1 0 c ) 。形成关 键层初次破断的“0 型特征，即随着工作面的推进，覆岩周期破断 时所呈现的半“r 型破坏。 研究相似材料模型实 验中顶板岩层的板破断过 程，我们不难发现，在长 边中心区首先超过极限弯 矩形成裂缝，该裂缝表现 为上张下压的破裂形式， 即属于压剪破坏；随后短 边形成的裂缝及破断裂缝 亦如此。力学分析亦表明， 在“x ”与“d ”贯通裂缝 中易于形成破断裂缝，即 在其交点处首先形成导气 通道；最后，在板中间形 ( a ) 图2 1 0 关键层破断过程 成的x 型破断使瓦斯运移通道扩大。 在保护层开采过程中，当关键层初次破断形成“d - 彳”型破坏后，x 型裂缝中都是上表面相互咬合，而在0 型裂缝中均为下表面相互咬合， 只有在0 型与型裂缝的交点处才产生突变，如图2 1 l 所示。若邻近层 距开采煤层较近( 处于冒落带或 断裂带内) ，则在交汇点处形成 最先导气通道，邻近层瓦斯通 过导气裂隙大量进入上下围岩 和保护层采空区；若邻近层距 开采煤层较远( 如远距离保护层 开采) 时，被保护层处于规则移 动带内，由于关键层及其上覆 岩层因变形特性的不同，随之 协调或不协调的垮落，在被保 1 1 - - i i + 一 二二二l 二 一o 图2 1 1 覆岩“0 一x ”破断形态 安微理工大学工程硕士研究生论文 护层中同样产生“0 - x ”型破坏，主要产生层内破断裂隙，般被保护层 距开采煤层愈远，“0 一- x ”型破坏范围愈小，产生破断裂缝愈少，被保护 层中离层裂隙和破断裂隙内集存的瓦斯大多在层内运移，层间运移的瓦斯 量较少。 2 4 4 关键层断裂对远距离被保护层卸压及透气性变化的影响 上述分析可以看出，由于关键层在覆岩移动过程中，起到支承和控制 作用，结合第3 章数值模拟实验结论，关键层发生初次破断以前，保护层 开采对远距离被保护层的影响较小。分析保护层开采后，不同推进距离被 保层主应力变化，保护层工作面开采5 0 m 以前( 即关键层初次破断前) 的主 应力分布曲线表明1 0 煤层采空区上方8 煤层主应力有所降低，但煤层卸 压程度与范围都较小，说明保护层对被保护层的影响很小，随着保护层工 作面继续向前推进，关键层发生周期破断，引起覆岩主应力发生周期性变 化。 同时，顶板破断后工作面中部可能形成砌体梁结构( 取决于工作面长 度与推进度之比) ，及主关键层和亚关键层下沉不一致，使处于整体移动 带内的被保护层产生离层裂隙。 综上所述，关键层的破断对远距离被保护层产生较大影响，关键层破 断以前，被保护层卸压变形较小，反之，影响较大。由于保护层开采，一 方面，使覆岩产生“0 - x ”型破坏，从而在被保护层内部产生大量的破断 裂缝；另一方面，当关键层发生破断以后，覆岩产生不同程度的位移，使 被保护层内产生大量的离层裂隙。这样由于破断裂隙和离层裂隙的共同作 用，使被保护层透气性大大提高，有利于被保护层内的瓦斯运移。 2 。5 本章小结 通过对邀距离下保护层开采覆岩被断移动特性的理论分析，可见关键 层的皴凝对远距褰蔹馁护攫戆卸压交形特性产生较大影响，主要表现在以 下几方面： f l 攥护层开慕最，覆岩“三带”分撩对邻邋屡瓦羝防治产玺较大影穗， 当被保护滕位于断裂带内时，被保护层地_ 呶力大大减小，同时产生大 鲎豌垂妻或载交裂缀窝层怒裂骧，被绦护瀑审的甏戆运过母气裂戮大 量进入保护层采空区；当被保护层位于整体移动带时，其保护作用主 安徽理工史学工程硕士研究生论文 要是由于保护层开采后，破坏了原岩应力的平衡，地应力重新分布， 岩体向采空区方向移动，被保护层发生卸压、膨胀，同时产生大小不 同的层间裂隙，煤层透气性增大。 ( 2 ) 开采不同倾角的煤层时，覆岩冒落移动形成的“三带”空间形态不同， 因此，保护层的开采后引起的被保护层卸压范围和卸压程度亦有一定 的差异。 ( 3 ) 覆岩裂隙带的发育具有时间效应，裂隙发展到最大高度以前，它是随 着时间而增长；导气裂隙带高度达到一定值以后，其发展过程出现稳 定，随着时间的进一步延长，导气裂隙带高度出现有所降低的趋势。 ( 4 ) 覆岩的“0 一- x ”型破坏使被保护层产生大量的层内破断裂缝，同时由 于覆岩的下沉移动的不一致使被保护层产生膨胀变形，形成离层裂 隙，使被保护层透气性增加，有利于瓦斯的层内运移。 ( 5 ) 关键层的破断对覆岩移动变形起控制作用，尤其对于远距离保护层开 采，关键层出现初次破断以前，保护层开采对被保护层的卸压变形影 响较小，随着保护层工作面逐渐向前推进，关键层出现周期破断以后， 被保护层卸压变形范围增大。 安徽理工大学工程硕士研究生论文 3 下保护层开采覆岩移动变形数值模拟 3 1概述 数值计算作为一种力学分析工具己被学术界和工程界广泛接受，从 7 0 年代至今，人们将经典理论的算法编成计算程序，使得过去难于计算 的问题成为可能。用于岩石力学数值计算的有限元、边界元、离散元、刚 体元、流形元、有限差分等数值计算方法，均在岩层移动计算中得到了应 用。宋扬等利用有限元方法研究支承压力显现的过程，王泳嘉、张玉卓、 麻风海、古全忠、林崇德等都利用了离散元法或边界单元法研究了岩层移 动规律及其冒落、离层等问题。谢和平等研究了f 幽c 软件在煤矿开采沉 陷预测中的应用，促进了岩石力学学科的发展，使复杂岩土工程的分析与 设计发生根本性的变化。但是，目前大多数方法仍然只能处理连续介质力 学问题，即使一些非连续介质力学方法( 如块体理论) 也难以考虑岩石从细 观破裂到宏观破裂的过程。对岩石介质而言，模拟基于细观分析的岩石宏 观变形、损伤、局部化直至破坏和失稳的过程，研究其与滑坡、地震、岩 爆等非稳定现象有关的数值计算方法仍然是一个难题。 自1 9 8 4 年日本肋f d 等人将连续介质损伤力学引入到岩石断