叠加开采下浅埋煤层裂隙演化的相似实验与模拟.docx

叠加开采下浅埋煤层裂隙演化与连通特征文虎1,2，于志金1，2，翟小伟1,2，刘雷政3，赵婧昱1,2（1.西安科技大学能源学院 陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.中国矿业大学 安全工程学院 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州221116）摘要：浅埋近距离煤层群上覆岩层受重复采动影响，裂隙叠加发育易形成采空区与地表连通。以典型近距离开采煤层群为例，采用物理模拟实验和数值分析的方法对上、下煤层开采过程中上覆岩层的裂隙演化时空规律和应力分布特征进行了模拟。结果表明：两煤层开挖结束后，裂隙高度呈驼峰式分布，沿倾向和走向方向的两侧上方形成了较为明显的应力集中区；上部煤层开挖结束后，最大竖向裂隙发育高度为75 m，但并未连通地表；随着下部煤层开挖，裂隙重复发育，裂隙高度随工作面推进逐渐增加，两侧裂隙率先与地表连通。 关键词：重复采动；采空区；地表；物理模拟；数值分析；Crack Development and Interconnected Characteristics of Closely Spaced Shallow Coal Seams by Overlapping MiningWEN Hu1,2，YU Zhi-jin1,2，ZHAI Xiao-wei1,2，LIU Lei-zheng3，ZHAO Jing-yu1,2(1. School of Energy and Resources, Xian University of Science and Technology, Xian 710054;2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education, Xian 710054; 3. Faculty of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116)Abstract: Overlying strata of closely spaced shallow coal seams by the influence of repeated mining which cause cracks superposition development and form connection of mined-out area and surface. Taking typical closely mining coal seams as an example, using the method of physical experiment and numerical analysis to simulate crack evolution regularity and stress distribution of overlying strata during the process of slice mining. The results shows that after the mining process of two coal seam there come obvious stress concentration region on both sides of trend and tendency. Fracture height exhibits hump shape distribution, the maximum vertical fracture height is 75 m, but not connected to surface after higher slice have been mined. With the mining process of lower slice, crack develop again, crack height gradually increased with the advance of working face and the both sides of fracture connected to surface firstly.Key words: repeated mining; mined-out area; surface; physical experiment; numerical analysis我国神东、榆神、灵武等重要煤田赋存着大量埋深在100-150 m的近距离煤层群参考文献范钢伟,张东升,马立强.神东矿区浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征J.中国矿业大学学报，2011，40(2):196-201.-柴敬，郝雷，姚纪凯.近浅埋煤层综采工作面矿压规律试验研究J.煤矿安全，2014，45(1):40-43.。浅埋藏、薄基岩、间距小的特点，使其矿压显现特征和覆岩运移规律与普通工作面具有一定的区别黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义J.岩石力学与工程学报，2002，21(8):1174-1177。许多研究者通过相似模拟或数值计算的方法对采动岩体的破坏规律及裂隙发育高度进行了研究许力峰，刘珂铭，张江利.近距离煤层群上行开采薄煤层覆岩移动规律研究J.煤矿安全，2012，43(7):52-55.-林海飞，李树刚，成连华，等.覆岩采动裂隙带动态演化模型的实验分析J.采矿与安全工程学报，2011，28(2):298-303.。但近距离煤层上、下分层开采过程中，上覆岩体裂隙受重复采动影响， 具有叠加发育的特点。并随着开采强度的逐渐加大，裂隙高度发育，易形成裂隙连通地表，造成地表漏风，引发煤自燃火灾朱卫兵.浅埋近距离煤层重复采动关键层结构失稳机理研究D.徐州：中国矿业大学，2010.-郑忠亚，赵祉友，张群，等.浅埋煤层综采工作面采空区自燃危险区域判定技术J.煤矿安全，2015，46(1):47-50.。褚廷湘等褚廷湘，余明高，杨胜强，等.煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究J.采矿与安全工程学报，2010，27(1):87-91.认为岩层裂隙发育诱导采空区漏风是浮煤自燃的主要原因。因此，掌握浅埋煤层覆岩裂隙随开采过程的演化规律，并依据连通裂隙的产生和分布特征进行堵漏对防治浅埋煤层采空区煤自燃具有重要意义。1工程概况 神东矿区某矿1-2煤层地面埋深为94 m-235 m，与下覆2-2煤层间距为10 m-39 m，两煤层内分别设6个综采工作面。其中，2-2煤层2-2305工作面位于上覆1-2煤层1-2306工作面的正下方，采用综合机械化开采，先上后下的回采方式。1-2、2-2煤层的平均厚度分别为6.5 m、7.1 m，两工作面平均采高分别为3.5 m、4.5 m。浅埋近距离煤层覆岩地质状况及物理力学参数如表1。表1 煤层覆岩地质状况及物理力学参数序号岩层厚度/m密度/kg.m-3弹性模量/GPa内聚力/MPa泊松比抗压强度/MPa备注18松散层7170017黄土820000.616砂质泥岩92330100.20.3515粉粒砂岩924102020.242514中粒砂岩52450282.30.223013细粒砂岩182550442.60.238主关键层12砂质泥岩82410181.80.251511中粒砂岩122410242.10.252410粉粒砂岩92410202.00.24259粗粒砂岩52410202.00.24258中粒砂岩122550442.60.2038基本顶（亚关键层）7砂质泥岩82410181.80.2515直接顶61-2煤层3.51300131.00.26145粉粒砂岩62410202.00.24254中粒砂岩182550442.60.2038亚关键层3粗粒砂岩62410202.00.242522-2煤层71300131.00.26141细粒砂岩52550442.60.20382 物理模拟实验2.1实验参数以典型浅埋近距离煤层为实验原形，模型相似比如表2所示，由此结合表1可以确定模型的物理力学参数、材料配比。选定的相似材料主要有石膏、砂子、碳酸钙、凡士林、硅油等。表2 实验主要相似比名称比例几何相似比 l1：200容重相似比 r1：1.9时间相似比 t1：14.142.2 实验方案选用平面应变模型，模型长宽高=130 cm 20 cm70 cm。为消除边界效应，1-2煤层左边界留设15 cm和右边界留设20 cm的煤柱，2-2煤层左边界留设20 cm和右边界留设15 cm的煤柱。22煤层开切眼位置内错1-2煤层开切眼5 cm，2-2煤层停采线位置外错1-2煤层停采线5 cm，1-2煤层和22煤层都开挖95 cm，模拟工作面推进190 m，每次开挖0.4 cm。首先进行上覆煤层的开挖过程，待开挖过程结束，覆岩整体运动趋于稳定后，开始开挖2-2煤层。在岩层发生较大位移变化时，采用仪器测量裂隙的分布特征，测点布置如图1所示：图1测点分布图试验数据采集与分析设备主要由数码相机、压力盒、位移计、YE2539A型高速静态应变仪等组成。为了分析裂隙分布及发育规律，设计每10分钟采集数据一次，同时每次开挖过程都要进行一次数据采集，直至试验结束。3实验结果与分析3.1 1-2煤层开挖过程裂隙特征为体现实际特征，实验描述均采用相似比例换算后的数据。1-2煤层开挖过程裂隙产生和分布的特征如图2，开挖结束后顶板破坏规律及上覆岩层“三带”分布特征如图3，(a)推进61 m(b)推进190 m图2 裂隙分布随1-2煤层开挖演化特征图3 1-2煤层开挖结束后的“三带”分布情况由于裂隙是采动影响导致的张军，王建鹏.采动覆岩“三带”高度相似模拟及实证研究J.采矿与安全工程学报，2014，31(2):249-255.，随着工作面的持续推进，岩体发生破坏，离层范围从下向上扩大，裂隙也随之发育和增加。依据实验记录，当工作面推进到42 m时，基本顶初次断裂，两端形成明显的向上发育的裂隙，裂隙高度约为20 m并形成离层。推进至61 m时，如图2(a), 基本顶第一次周期来压，两端竖向裂隙明显加宽延长，离层裂隙长度、宽度增加，两端的竖向裂隙通过离层裂隙相互贯通，并产生大量横向裂隙。推进至120 m时，主关键层首次发生破裂，基岩整体下沉，切眼侧竖向裂隙向上迅速发育，同时地表开始出现一些微小向下发育的裂隙，但是上行裂隙与下行裂隙并未贯通。推进180 m时，两端竖向裂隙继续发育达到最大高度约为63 m，覆岩中部已压实稳定，横向裂隙与竖向裂隙都已经压实闭合，裂隙宽度有所增加，但仍未与上行裂隙沟通，同时可以明显观测到切眼一侧的裂隙发育宽度较开采一侧的更大。上分层开挖完毕后，上覆岩层稳定后的裂隙发育情况如图(b)，整个采动裂隙范围内，裂隙最大高度位于切眼侧，且该侧竖向裂隙宽度要比停采侧的裂隙宽度大，在竖向裂隙的顶端产生了横向裂隙，使得两端的竖向裂隙连通。切眼、停采两侧的断裂角分别为75o、60o，采空区中部上方逐渐压实，两端的上行裂隙并未与地表贯通。结合开挖过程各岩层变形、离层、及裂隙发育贯通的实际情况，由图3可知，待上覆岩层稳定后，出现了明显的“三带”分布，其中垮落带高14 m，为采高的5.6倍；裂隙带高49 m，为采高的19.6倍。3.2 2-2煤层开挖过程裂隙特征(a) 推进58 m(b) 推进80 m(c) 推进190 m图4 裂隙分布随2-2煤层开挖演化特征待1-2煤层上覆岩层移动稳定后，开始2-2煤层开挖过程。工作面推进42 m时，基本顶发生初次跨断，并在开采空间的中央和两端都产生了竖向裂隙，贯穿了近距离煤层层间覆岩，两采空区相互连通。推进至58 m时，2-2煤层基本顶发生第一次周期来压，来压步距为16 m，如图4(a)， 此时1-2煤层采空区压实部分裂隙重新发育，并与2-2煤层开采侧的竖向裂隙沟通，裂隙宽度加大，由于主关键层未发生二次断裂，故产生大量离层裂隙，同时在上覆岩层整体性下沉和叠加开采扰动的影响下，上部煤层开切眼一侧竖向裂隙重新发育。推进至80 m时，基本顶第三次周期来压，主关键层发生破断失去承载作用，同时上覆岩层发生整体性下沉，如图4(b)，开切眼侧竖向裂隙高度继续发育，并已到达松散层底部。当推进90 m基本顶第四次来压时，工作面切眼侧和开采侧的竖向裂隙均完全贯穿松散层，并随着工作面推进，切眼侧裂隙发育逐渐稳定。2-2煤层开采完毕裂隙的发育情况如图3(c)，此时，位于开切眼与停采线顶部的竖向裂隙已经完全贯通地表，同时地表也形成了明显的裂缝，实验与现场连通裂隙分布特征对比如图5。 a 实验地表裂隙 b 现场裂隙情况图5 连通裂隙分布特征3.3裂隙高度与应力分布1-2、2-2煤层开挖结束，待岩体稳定后测得沿开采方向上裂隙发育的最大高度如图5，由图5可见。由于开采两端的支撑作用，在整个采动裂隙空间内形成了类似驼峰式的裂隙高度分布，切眼和停采两端的裂隙高度明显大于中部。1-2煤层开采完毕时，最大的裂隙高度为75 m，并未连通地表，2-2煤层开采结束后，在两端均产生了110 m以上的连通裂隙。且在相同位置，2-2煤层开采后裂隙高度明显大于1-2煤层开采后，并呈现较为明显的叠加性。说明由于较小的层间距，2-2煤层开采引起了1-2煤层采空区的下沉，同时受叠加采动影响，上覆岩层破坏加剧，已经闭合的裂隙再一次发育导致裂隙高度增加，加之埋深较浅，形成地表连通采空区，加剧了采空区漏风，易引发采空区煤自燃。图5 裂隙高度分布图6垂直应力分布为掌握浅埋近距离煤层上、下煤层开采后不同高度的垂直应力分布特征，利用UDEC分别沿煤层走向和倾向方向对两煤层开采完毕后，采动影响空间内的垂直应力大小进行