长壁综放工作面覆岩导水裂隙带高度的确定

长壁综放工作面覆岩导水裂隙带高度的确定

近年来，随着煤炭产量的显著提高，开采中的事故也频繁发生。我把屋顶突然崩溃就是其中之一。矿区采矿打开，不可避免地导致采矿周围岩石的变形、破裂和移动。如果有含水层，并且在采空区形成导水通道，则可能会形成采矿水灾。除了对井水条件进行调查和分析外，还必须研究和分析开采后岩石的移动、岩屑带的高度，以及为开采设计提供依据。目前，国内外确定岩屑带高度的主要方法有物理相似材料模拟法、实验公式计算法和现场测量法。这些方法各有优缺点。在这项工作中，我们根据特定矿山的地质和技术条件建立了力学模型，并使用了基于破坏力学的国内电计算方法（wormed分析软件）模拟岩石变形、破碎和移动的整个过程。我们模拟了随着工作面的推进而减少的岩石变形和倾斜，然后使用数值模拟方法确定导水带的高度。1矿井地质条件某矿3号煤层为目前主采煤层.该煤层位于下二叠系山西组中下部,煤层厚度大且层位稳定,厚度3.25～7.87m,平均为6.62m.夹矸0～5层,夹矸平均总厚度约0.28m.煤层走向为近南北,倾向西,煤层倾角2°～6°,局部受构造影响倾角增大到约16°,属近水平煤层.3号煤层开采后的充水水源为顶板砂岩裂隙水,按照《矿井水文地质规程》,该矿3号煤层矿井水文地质条件为中等类型.煤层顶板硬度中等,岩性以砂岩、泥岩为主,顶板较完整,裂隙发育不充分,等级为Ⅱ级Ⅳ类顶板.底板以砂岩为主,基本稳定,无底鼓现象.采用综合机械化放顶煤开采方式,工作面长度180m,顶板管理方式为随采随垮.根据所提供的岩层综合柱状图、岩石力学性能试验结果,选取有关参数如表1所示.表1中岩层厚度取所提供的某矿岩层综合柱状图中岩层厚度平均值.2模拟岩石导水带高度变化的高度变化2.1岩相基元分析用岩石破断过程分析软件RFPA2D,对随工作面推进时上覆岩层冒落、变形破坏情况进行数值模拟.模型尺寸工作面推进方向取400m,铅垂方向取200m,基元取1m×1m,总基元数80000个.每步开挖10m,开挖20步.岩层之间设定了弱层.软件取基元弹性模量、单轴抗压强度等按Weibull随机分布,来模拟岩石材料的不均质性和各向异性.根据岩层综合柱状关于岩性的描述,取岩层的均质系数在2～8之间.系数取2表示岩层材料的均质度差,系数取8表示材料的均质度好.RFPA2D矿压模型如图1.模型左、右两侧为水平方向位移约束,底部为铅垂方向位移约束.上表面边界受向下的均布载荷作用,分布集度q=2.5MPa.由模型和表1分析可见,序号12,14号岩层为顶板关键层.2.2顶板冒落特征随工作面推进上覆岩层变形、冒落破坏情况如图2所示.当工作面推进50m,煤层向上第1,2层顶板发生初始冒落,顶板冒落和裂隙带高度约22m,见图2a.当工作面推进70m,煤层向上第1,2层顶板发生第1次周期冒落,顶板冒落和裂隙带高度约28m,向上发展约6m,顶板第1次周期冒落距离约20m,见图2b.当工作面推进90m,煤层向上第1,2层顶板发生第2次周期冒落,第3,4,5层顶板发生第1次初始冒落,第6层岩层,即顶板关键层1出现局部损伤破裂,覆岩冒落和裂隙带高度约46m,第2次周期来压距离约20m,见图2c.当工作面推进110m,煤层向上第1,2层顶板发生第3次周期冒落,第3,4,5层顶板发生第1次周期冒落,第6层岩层,即顶板关键层1出现局部拱型冒落,顶板冒落和裂隙带高度约67m,第3次周期来压距离约20m,见图2d.当工作面推进130m,第6层岩层,即顶板关键层1局部拱型冒落之外的区域损伤破裂进一步发展,裂隙向上发展约9m,顶板冒落和裂隙带高度约76m,见图2e.当工作面推进180m,工作面出现第5次周期来压,第6层岩层,即顶板关键层1出现了总长约90m的冒落,其右上方出现明显的局部损伤开裂.顶板关键层1上覆第8层较软的岩层出现长度约150m的破断和冒落.上覆岩层总冒落和裂隙带高度约83m.顶板关键层2仅发生了弯曲变形,而没有发现明显的开裂.顶板关键层2上面的岩层发生局部的损伤但无开裂,见图2f.由以上数值模拟情况可见,工作面推进过程中上覆岩层总冒落和裂隙带总高度约83m.覆岩导水裂隙带高度随工作面推进的变化见图3.由图3可见随着工作面进一步推进,覆岩导水裂隙带最大高度趋于稳定,不再往上发育.3岩石带的高度估算及现场观测结果3.1煤开采导水裂隙带高度由文献附录7中冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式.煤层倾角2°～6°,抗压强度20～40MPa,覆岩为砂质页岩、泥质砂岩、页岩等,顶板管理方法为全部垮落,取采高M=6.5m,煤开采分层层数n=1,冒落带最大高度Hc为Hc=(3~4)M=19.5~26m.Ηc=(3~4)Μ=19.5~26m.导水裂隙带高度(包括冒落带最大高度)Hf为Hf=100M3.3n+3.8+5.1=96.65m.Ηf=100Μ3.3n+3.8+5.1=96.65m.3.2覆岩导水裂隙带高度由工作面上方布置3个观测孔,进行钻孔,钻孔位置如图4.采用简易水文观测方法,钻孔至第四系松散层和风化层进行了严格止水,采用清水钻进,观测下钻前和提钻后的动水位、冲洗液消耗量,所有钻孔均采用简易综合注水试验,注水段长一般为4m.注水试验随钻进自上而下进行,钻进到强烈漏失段终孔.终孔后用水泥砂浆全孔封闭.钻进过程中全部取芯分析鉴定.根据所观测的上下钻动水位变化、冲洗液消耗量变化、注水试验资料、岩芯的破碎程度等综合分析,得到3个钻孔位置的覆岩导水裂隙带高度如表2.3.3导水裂隙带高度由RFPA2D数值模拟情况可见,工作面推进过程中上覆岩层冒落和裂隙带总高度约83m.由经验公式得到的导水裂隙带最大高度为96.65m,3个钻孔的实测值为83.9m.可见经验公式得到的导水裂隙带高度最大,实际使用中其结果偏向于保守.RFPA2D数值模拟上覆岩层冒落和裂隙带总高度结果很接近实际观测结果.当然钻孔数量偏少,观测结果也可能有偏差.但从现场工作面顶板涌水量看,模拟结果是合理的.4覆岩导水裂隙带高度确定的意义1)用RFPA2D软件数值模拟的方法确定覆岩导水裂隙带高度的方法是可行的.2)本文所用