基于变单因素法的黏土隔水层稳定性模拟研究

基于变单因素法的黏土隔水层稳定性模拟研究

1煤矿绿色开采随着世界环境的关注，煤炭开采也进入了环保的方向，提出了绿色煤矿开采的概念，其中保水开采越来越受到重视。相似模拟技术在采矿、水利和岩土工程领域得到广泛应用作者2层的开口水流的压力及其类似条件榆树湾煤矿隔水层由红土和黄土层构成,通过三轴实验获得了土样的应力–应变全程曲线,按照几何相似比α3比较水层的差异3.1原材料配比实验隔水层模拟材料选用河砂、黏土、水及机油4种原材料,其中砂作为骨料,土作为胶结剂,水和油作为土的黏性及塑性影响剂,进行配比实验。这些材料价格低廉,方便获取。(2)比较的实验设计为了提高效率,采用“变单因素法”确定合理砂土比及水或油与土的比例。根据以往研究3.2应力–应变本构分析通过实验,可以得出砂土比为1.0∶1时,不同水(油)土比的应力–应变曲线(见图2)。由此可见,油作为影响剂能有效降低试件的强度,对材料的弹性模量、残余强度和应变等塑性指数也有显著影响,相似材料的应力–应变曲线与原型曲线比较相似,因此确定油作为影响剂。(2)最佳表面用量的确定在油土比为1∶5时,不同砂土比的应力–应变全程曲线如图3所示。由此可见,当砂土比大于1.0∶1时,材料强度随砂土比的减小而减小;当砂土比小于1.0∶1时,其强度又有升高的趋势。当砂土比为1.0∶1时,材料强度最低,并且其峰值应力和应变及残余强度都与换算模型值接近,因此确定选用砂土比为1∶1。(3)拓展油土比时残余强度的变化在砂土比为1∶1时,不同油土比的相似材料应力–应变曲线如图4所示。由此可见,砂土比为1.0∶1,油土比为1∶3.0时,强度最低;当油土比小于1∶3.0时,其强度随着油土比的增大而降低;当油土比大于1∶3.0时,其强度又有增大的趋势。此外,当油土比为1∶4.0时,残余强度最低;在油土比小于1∶4.0时,残余强度变化不大,但当油土比大于1∶4.0时,残余强度有显著增大的趋势。在砂土比为1∶1,油土比为1∶4.0和1∶4.5时,二者的应力–应变全程曲线与原型换算曲线最为接近。根据模拟经验,由于模型铺装的密度小于相似材料试件的密度,加上铺装过程的分层和人工节理裂隙工艺,实际模型强度要低于试件强度10倍,所以上述配比是本次模拟的最佳配比。4岩石移动和隔水层稳定性的模拟4.1基岩、风化层相似模拟实验模型以榆树湾煤矿首采区地质条件为原型,模拟黏土隔水层稳定性规律,为保水开采提供科学依据。榆树湾首采区地质特征如表2和图5所示,地层含水层主要是黄土层之上的地表潜水。在隔水层下的基岩风化层也含有少量裂隙水,但对工作面威胁不大。工作面采用倾斜分层长壁综合机械化采煤法。工作面长250m,走向长5810m,符合平面模型条件,按照1∶200的几何相似比进行相似模拟实验。在顶板基岩关键层(距煤层56m)、隔水层底部(距煤层120m)及地表分别布置位移测线,观测岩层运动规律。基岩、风化层采用传统原料砂、石膏、大白粉铺装,黏土隔水层采用新开发的上述材料及配比铺装,首次实现隔水层的应力应变全程相似模拟。采用分层开采方法,首分层采高5m,二分层采高6m,首分层采完后采二分层。4.2岩层和隔水层的垮落规律为了便于理解,将实验数据还原为原型值,得出的工作面顶板垮落规律如图6所示。(1)基岩内渗流裂隙首分层大范围开采后,垮落带高度为90m,主要在基岩内,裂隙带高度达到120m,波及风化层(见图7)。实测首采工作面顶板淋水规律(见图8),证实了此刻为风化层裂隙水,说明模拟结果可靠。(2)黏土层结构安全设施二分层多工作面开采后,顶板垮落高度达到166m,比首分层开采增大76m。黏土层的垮落高度为46m(见图9),接近隔水层厚度的一半,隔水层稳定,保水开采是安全的。首分层开采导水裂隙带高度约为采高的20倍,二分层开采导水裂隙带高度约为总采高的16倍。4.3岩屑和隔水层的迁移规律模拟实验得出采动顶板56m层位采动顶板和隔水层下沉规律如图10所示。(1)地表下沉规律①顶板56m层位基岩的主要下沉发生在工作面后方60~120m,下沉量2.6m,是采高的55%。②顶板120m层位的隔水层底部和地表的下沉规律基本一致,表现为平缓的连续下沉,说明首分层开采后,黏土隔水层连续完整。③首分层开采的基岩和隔水层下沉量如图11所示,图中所示为2个相邻工作面开采的56m层位基岩和隔水层底部测线的下沉曲线。由此可见,大范围开采后,基岩测线最大下沉量由原来单工作面的2.5m,增大为2.6m。隔水层测线下沉表现为连续平缓下沉。(2)隔水层下沉承载力①由于首分层采动导致顶板破碎,采后基岩移动比较及时,主要下沉位移发生于工作面后方10~60,120m后基本稳定,最大下沉量为9.2m,为采厚的82%。②隔水层下沉滞后于基岩约50m,主要下沉位生于工作面后方60~100m,最大下沉量为7m,为采厚的63%。③二分层开采的基岩和隔水层下沉量如图12所示,56m层位的基岩测线和隔水层底部测线下沉明显大于首分层开采。二分层采动地表下沉曲线平缓连续,说明上部隔水层完整,可以保护地表潜水。4.4涂层的稳定性和控制通过2个分层开采的模拟,发现隔水层稳定性有如下影响因素:(1)基岩对隔水层稳定性的影响2个分层的开采过程中,隔水层的主要位移发生于工作面后方60~120m,基本上是基岩厚度的0.5~1.0倍,隔水层运动总是滞后于基岩的运动,说明隔水层的稳定性受基岩运动的明显影响,通过控制基岩关键层的运动可望改善隔水的层稳定性。(2)基岩顶板控制基岩导水裂隙发育的机理采动地层移动过程,在工作面后方存在主要下沉区,该区的采动裂隙明显发育,可能成为导水通道。将下沉曲线中单位宽度上的下沉量称为下沉梯度T式中:∆s为单位宽度上的下沉量(m),∆l为单位宽度(m)。在下沉量不变的条件下,如果通过控制基岩顶板的运动,增大主要沉降区的宽度,就等于降低了下沉梯度,减缓了导水裂隙的产生。因此,下沉梯度也可以作为隔水层稳定性判定和控制指标。如榆树湾首分层开采,56m层位基岩的主要下沉区位移工作面后60~80m,宽度20m,对应下沉量2m,下沉梯度为0.100,其导水裂隙发育,导致淋水。隔水层下沉区间为60~140m,宽度80m,相对下沉量仅0.4m,下沉梯度为0.050,无导水裂隙,隔水层稳定。二分层开采,隔水层底部在工作面后60~100m内下沉量6m,下沉梯度为0.150,该层位土层失稳。但是,隔水层上部土层的下沉梯度仅为0.0005,隔水层稳定。5实验研究的基本成果通过模拟研究,结合首分层矿压实测验证,得出如下认识:(1)黏土隔水层的塑性变形是其稳定性的重要指标,黏土隔水层稳定性模拟必须实现应力–应变全程相似。本文给出了能够实现应力–应变全程相似的合理相似材料及其配比,发展了物理相似模拟技术,为保水开采研究提供了新手段。(2)模拟实验揭示了榆树湾煤矿2–2煤层开采的基岩关键层、黏土隔水层和地表的下沉运动规律。首分层开采基岩垮落带高度90m,裂隙带波及隔水层底部,隔水层保持稳定。实测证实了开采顶板淋水与来压有对应关系,没有持续性涌水,说明顶板淋水主要是基岩裂隙水,没有波及地表潜水,验证了模拟的可靠性。(3)模拟预计二分层开采垮落高度波及黏土隔水层内46m,但裂隙带没有波及地表。地表下沉曲线平缓,隔