留设断层防水煤柱开采的模拟试验研究

1、第26卷第6期建 井 技 术Vo l 26 No 6 2005年 12月 M I NE CO NST R U CT ION T ECH NO L OG YDec 2005收稿日期:2005 03 02留设断层防水煤柱开采的模拟试验研究唐东旗1,李运成2(1襄樊学院旅游与地理科学系,湖北襄樊,441053;2安徽理工大学资源与环境工程系,安徽淮南,232001摘 要:以皖北临涣矿区任楼煤矿F 3-F 4断层间块段为原型,建立了相似材料模型,模拟煤层开采条件下断层带岩体的变化情况和断层下盘含水层在采动影响下突水的可能性。通过模拟试验,确定了开采范围,为安全回收煤炭资源提供了科学依据。关键词:断层带

2、;防水煤柱;模拟试验中图分类号:T D822+3 文献标识码:A 文章编号:1002 6029(200506 0021 03目前,断层带煤柱留设基本上是按照传统的经验公式计算确定的。这种留设方法有很大缺陷:煤柱留设过大则造成资源大量损失,过小则可能又留下安全隐患。因此,有必要用相似模拟技术来模拟开采条件下断层带岩体的变化情况并进行观测,为实际开采提供可靠的数据。皖北临涣矿区任楼煤矿位于安徽省宿州市西南约30km 的濉溪、蒙城两县交界处,该矿F 3-F 4断层间块段在建井和设计阶段均作为难以开采块段。为了最大限度地回收煤炭资源,我们对该块段煤层回采时断层保护煤柱的留设进行了相似材料模拟试验研究,

3、即模拟研究该块段可采煤层7-2煤层和8-2煤层回采时煤层底板岩体随开采的变化情况,以及F 3断层区域岩层位移变化情况,为实际回采时断层保护煤柱的合理留设提供科学依据。1 现场地质条件所模拟的区域为任楼煤矿-250水平至-400水平之间的F 3断层区域。F 3断层落差85m ,断层面倾角67 ,断层带宽度3m 。F 3断层左边有可采煤层7-2煤层和8-2煤层。7-2煤层平均厚度4 0m,埋深351m ;8-2煤层平均厚度2 0m,埋深367m 。F 3断层中间为7 41m 厚的泥岩和8 02m 厚的粉砂岩。F 3断层的左边,距8-2煤层40m 的底板为含水灰岩,水压3 5MPa 。2 开采模拟方

4、案设计相似模拟试验的现场地点为任楼煤矿-250水平至-400水平之间的F 3断层区域,该区域有可采煤层7-2煤层和8-2煤层。先进行7-2煤层开采,预拟定停采线距断层50m;然后进行8-2煤层开采,其停采线也预拟定距断层50m 。模拟试验在平面应变模型架上进行,模型体尺寸3 2m 0 4m 1 1m (长 宽 高。根据任楼煤矿-250水平至-400水平之间的F 3断层区域试验待开采的范围,确定模型几何缩比为1!100,即模拟的实际区域长度320m ,宽度40m,高度110m 。未模拟到的上覆岩层通过模型上方的7个液压千斤顶加压来实现垂直应力补偿。模型模拟的开采顺序及测点布置见图1。模拟试验共布

5、置测点12个,其中3号测点测量水平位移,其余均测量垂直位移。建 井 技 术 2005年第26 卷图1 模型模拟的开采顺序及测点布置 用石膏、砂类等材料来模拟采场围岩,因为这些材料的单向抗压与抗拉强度和地层基本相似,且其力学性能稳定,不易受外界条件影响。模型参照地层柱状图分层铺设而成,以砂子作骨料,以石膏、碳酸钙作粘结材料。模型强度的确定综合考虑了地层层理、节理等弱面的影响,以尽量消除模型与岩层在力学性质上的差异。对断层带岩体进行了弱化,以反映断层的性质。相似模拟材料与原岩的单轴抗压强度指标见附表。附表 相似模拟材料与原岩的单轴抗压强度指标序号岩石名称单轴抗压强度原岩/M Pa1/100模拟材料

6、/k Pa1煤13112 72泥岩251633粉砂岩322094砂岩48 33165灰岩704586中细砂岩67 14397中粗砂岩754908铝土岩10 675相似材料模拟范围:F3断层左边220m,右边100m。7-2煤层除去模型边界煤柱35m和预留断层保护煤柱50m,可采煤层长度约135m;8-2煤层可采煤层长度约120m。3 相似理论相似模拟试验以相似理论为基础,要求模型与原型各物理量之间组成的相似准则不变,相似指标为11。相似模拟试验成功与否常取决于模型与原型相似条件的满足程度。相似模拟试验就是要用和原型力学性能相似的材料,按照一定的几何比例模拟岩体及矿脉,并进行开掘,在满足相似的边

7、界及初始条件下,在相应的时期内造成相似的矿山压力现象2。按照一般物理现象相似的要求,模型和原型间应满足以下基本相似条件:几何相似;运动相似;应力相似;动力相似;外力相似。在满足上述相似条件的基础上,模型以及矿脉在模型中的位置还必须满足边界相似条件。相似模拟材料的强度以标准试块干燥后的测试强度为准;整个相似强度的实际值与理论值力求接近,而不是相同。4 试验结果与分析通过相似模拟回采试验可以看出,在7-2煤层和8-2煤层回采过程中,随着工作面的推进,煤层底板岩体将出现不同程度的变形和破坏,断层带岩体也将会随之发生变22第6期 唐东旗等:留设断层防水煤柱开采的模拟试验研究形和破坏。 (1回采过程中,

8、7-2煤层底板破坏深度最大可达到17m;8-2煤层底板破坏深度为8m 左右。(2受含水层水压力的影响,断层带附近岩体在回采过程中发生变形。当7-2煤层工作面推进到距F 3断层50m 时,断层上盘岩体水平位移和垂直位移有一定变化。在8-2煤层回采过程中,当工作面推进到距F 3断层50m 时,岩体水平位移和垂直位移开始发生明显变化;当工作面推进到距F 3断层40m 时,岩体水平位移和垂直位移变化速度加大(见图2,同时此处断层带下盘太灰含水层岩体已开始产生裂隙。8-2煤层煤柱留图2 8-2煤层回采时煤层底板岩体垂直位移曲线(8号测点设时,应充分考虑这一情况。(3回采过程中,断层带两侧岩体变形趋势基本

9、一致,但上盘较下盘变形量大,且随煤柱的减小变化明显,如图3所示,说明断层两盘位移有一定的差异,可能导致断层错动,即活化#。在实际开采中留设煤柱时,一定要考虑断层活化#现象。 图3 回采过程中断层带两侧岩体垂直位移曲线(a7-2煤层回采时断层上盘岩体;(b8-2煤层回采时断层上盘岩体;(c7-2煤层回采时断层下盘岩体;(d8-2煤层回采时断层下盘岩体(4根据模拟试验结果和实际情况,任楼煤矿试验模拟块段7-2煤层应留设防水煤柱35m ,8-2煤层应留设防水煤柱60m 。5 结 语本次模拟试验方法科学、实用,模拟试验研究成果已在任楼煤矿生产中得到了应用,取得了预期效果。该模拟试验研究方法具有一定的实用价值和参考意义。参考