采动与煤岩裂隙演化规律李化敏.ppt

采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析,河南理工大学2010.9.12,研究内容,一、研究意义二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析五、主要结论,采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析,我国大部分煤矿煤层原始透气性系数较低，地面钻井采气、井下原始煤体抽采和压裂增透试验均表明预抽效果较差，应重点抽采采动影响下的卸压瓦斯。煤层开采后将引起覆岩移动与破断形成采动裂隙带，它的产生发展时空规律及动态变化特征，与卸压瓦斯抽采密切相关,一、研究意义,采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析,采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,二,走向及倾向物理相似模型,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,FLAC3D模型及网格划分图,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,沿走向破断裂隙分布图,1、采动覆岩破断裂隙分布规律,覆岩破断裂隙沿走向分为三个阶段：开切眼到顶板初次来压前（范围大约32m），裂隙密度较大；采空区中部垮落矸石被压实，裂隙密度较小；工作面附近（范围大约26m），覆岩破断裂隙分布密度仍然很大,沿倾向破断裂隙分布图,裂隙区B1,裂隙区B2,压实区,进风巷,覆岩破断裂隙沿倾向也分三个阶段：采空区中部（范围大约123m）垮落的矸石趋于压实，而进风巷（范围大约24m）和回风巷（范围大约21m）附近仍各自保持一个裂隙发育区，沿工作面倾向分布呈驼峰状,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,沿走向第三排与第七排测线间离层率分布,2、采动覆岩离层裂隙动态演化规律,第2亚关键层初次垮落,第5亚关键层初次垮落,主关键层明显弯曲,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,沿走向推进220m时第26、6主关键层间离层率、离层量分布,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,沿工作面倾向的离层量分布规律,裂隙区,裂隙区,进风巷,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,离层裂隙沿走向及倾向分布具有两大阶段、两个层位及三个区间特征阶段1（主关键层接触垮落矸石前）上层位：垮落的最上位亚关键层上部。离层率及离层量沿走向及倾向分布曲线呈高帽状，采空区中部离层最为发育。下层位：垮落的最上位亚关键层下部。离层率及离层量沿走向及倾向分布曲线呈驼峰状，沿走向在切眼、工作面附近裂隙发育，采空区中部离层裂隙趋于压实；沿倾向在进回风巷附近裂隙发育，采空区中部裂隙较小,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,阶段2（主关键层接触垮落矸石后）主关键层下部离层分布规律类似于阶段1中的第二层位，即在采空区中部离层趋于压实，而在采空区四侧（即切眼、工作面、进风巷及回风巷侧）仍各自保持一个裂隙发育区，关键层下离层沿走向采长分布呈驼峰状,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,裂隙最高位置、垮落高度与工作面的推进距离之间关系,3、采动裂隙带高度,随工作面推进，裂隙高度逐渐增大，但裂隙发展非匀速，一般在经过若干循环后才有离层动态变化，最高离层层位大部分出现于未垮的上位关键层下方,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,4、采动覆岩裂隙带形态,（1）主关键层接触垮落矸石前，垮落的最上位亚关键层上方与未垮关键层之间裂隙发育，其下方在采空区四周覆岩裂隙较为发育，采空区中部裂隙则被压实，裂隙区及压实区边界线近似为直线，从外形上看呈梯形状，但内外梯形高度不同,裂隙区,压实区,主关键层,裂隙区,压实区,沿走向形态,沿倾向形态,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,（2）主关键层接触垮落矸石后，主关键层下的采空区中部被压实，但采空区四周裂隙仍可保持，裂隙区及压实区边界线也可近似为直线从外形上看呈梯形状，内外梯形高度相同,裂隙区,压实区,裂隙区,沿走向形态,沿倾向形态,裂隙区,主关键层,压实区,裂隙区,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,（3）沿平行于煤层剖面。当采空区见方前（即推进距小于采宽）及见方后（即推进距大于采宽），在垮落带中充分卸压裂隙发育区形态可以认为是圆角矩形圈，在断裂带随着离煤层顶板高度的增大趋于椭圆形,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,推进90m距煤层顶板40mZ向位移,推进90m距煤层顶板10mZ向位移,当采空区见方时（即推进距等于采宽），在垮落带中充分卸压裂隙发育区形态转为圆角方形圈，在断裂带随着离煤层顶板高度的增大趋于圆形,二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析,推进170m距煤层顶板40mZ向位移,推进170m距煤层顶板10mZ向位移,采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析,采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,三,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,1、采动裂隙带工程简化模型,岩层离层裂隙和破断裂隙相互贯通后，在三维空间上形成梯形堤坝状外部边界，当工作面推进到一定距离，采空区中部采动裂隙被压实，其边界也可用近似梯形堤坝状来描述，于是在垂直于煤层剖面上，近似于一裂隙发育的梯形台,走向剖面形态示意图,倾向剖面形态示意图,平行于煤层面剖面，在一矩形框内有一环状裂隙发育区域，在环形圈中部是压实的裂隙，如工作面足够长，则可形成类似于经过圆倒角的矩形，简称圆角矩形环，如果工作面,平行于煤层剖面形态示意图,较短或在裂隙带上部，可形成椭圆形结构。因此，在整个采场覆岩中形成了一个更为形象的采动裂隙发育的圆角矩形梯台带,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,2、采动裂隙带的主要参数,（1）采动裂隙带演化高度内外梯台面的高度并非随工作面的推进逐步升高，而是在关键层破断后时，才有所变化。同时，由于采宽限制，一般当采空区见方时，其高度为最大,采动裂隙带内外梯台带高度与推进距的关系,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,（2）走向带宽距的确定走向带宽距与工作面开采时的初次来压步距和周期来压步距有密切关系，切眼附近梯台带带宽大约相当于1倍初次来压步距，工作面附近的带宽则在23倍周期来压步距间变化,采动裂隙带的走向带宽,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,（3）倾向带宽距的确定倾向带宽距也与工作面开采时的初次来压步距有密切关系，约为0.70.8倍初次来压步距，倾向带宽距取决于周边的支承条件，如为近水平或缓倾斜煤层开采且支承条件相同时，进、回风巷附近带宽距相等,采动裂隙带的倾向带宽,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,（4）断裂角的确定一般沿煤层走向开切眼侧的断裂角大于工作面一侧。差值的大小与工作面推进速度、覆岩层岩性相关。沿煤层倾向一般情况下，由于煤层倾角的影响，回风巷处断裂角大于进风巷，在支承条件相同且为近水平煤层或缓水平煤层时，回风巷与进风巷附近的断裂角大约相等,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,3、采动裂隙带动态演化的影响因素,（1）煤层开采高度煤层开采高度直接影响到采动裂隙带演化高度，随着煤层开采高度的增加，垮落带范围将增大，从而使最低初始梯台带高度增大,最低初始梯台带高度随采高的变化关系,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,（2）覆岩岩性覆岩强度越大，冒裂带高度越大，覆岩空间结构演化高度就越大，反之覆岩空间结构演化高度越小（3）煤岩层倾角倾角较大时空间结构高度沿工作面倾斜方向上呈现下端小、上端大的变化形态。同时，倾角对断裂角也有影响（4）工作面几何参数演化高度受采空区短边跨度所控制，随着走向长度的增加而增大，当走向与倾斜长度相同时，其破坏高度发育到最大,三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数,采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析,采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,四,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,1、采动裂隙带动态演化特征,（1）主关键层接触垮落矸石前采场上覆岩层将形成曲面轮廓较为连续的采动裂隙圆矩梯台带。如主关键层位于弯曲下沉带，梯台带上部离层裂隙较发育，下部则有较多破断裂隙，并且内外梯台面高度不同；如主关键层位于弯曲下沉带下方，其上方将有较少的离层裂隙出现，但与下方的裂隙沟通较为困难,内外梯台面高度将趋于一致，采动裂隙带将形成圆角矩形圈或“O”形圈分布，可称为采动裂隙圆角矩形圈,主关键层破断后垂直于煤层的剖面裂隙形态,（2）主关键层接触垮落矸石后,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,2、基于弹性薄板的关键层判别条件,采场覆岩结构示意图,硬岩层挠度,第1层、n+1层硬岩破断时承受载荷,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,关键层变形协调判别条件及强度判别条件,第1层、n+1层硬岩初次破断距,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,基于弹性薄板的判别程序结果界面,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,3、采动裂隙带动态演化机理,（1）主关键层接触垮落矸石后的裂隙演化机理分析岩层内部第i关键层在工作面、切眼附近的移动曲线可近似用下述拟合曲线表示,关键层破断后基本条件,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,关键层下沉曲线及离层量分布,断块长的岩层下沉值小于断块短的，上、下两岩层下沉量不同导致了离层的产生，离层裂隙主要分布在采空区的边界一侧，从而在采空区周边形成采动裂隙分布的圆角矩形圈,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,（2）主关键层接触垮落矸石前的裂隙演化机理分析下层位裂隙演化机理与主关键层接触垮落矸石后的类似上层位的裂隙演化机理未垮落关键层移动曲线可用式表示,基本假设条件,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,未垮关键层的下表面与垮落关键层所控岩层的上表面之间将形成离层空间，未垮落关键层与垮落关键层间形成了采空区中部离层最为发育的梯台状分布特征,推进距160m关键层下沉及离层量分布,四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析,采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析,主要结论,五,（1）提出了采动裂隙带的工程简化模型，即随工作面的不断推进，覆岩层面离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通后，在整个采空区上覆岩层中，形成了一个类似梯形堤坝状的采动裂隙带，称为采动裂隙的圆角矩形梯台带（2）分析了影响采动裂隙带形态的主要因素，如煤层开采高度、覆岩岩性、煤岩层倾角及工作面几何参数，并得到了采动裂隙带的演化高度、走向带宽距、倾向带宽距及断裂角等主要参数