含溶洞矿区煤层开采覆岩裂隙位移特征研究

含溶洞矿区煤层开采覆岩裂隙位移特征研究含溶洞矿区煤层开采覆岩裂隙演化的影响规律，本文采用3DEC软件分析含溶洞矿区条件下煤层开采覆岩裂隙的发育特征，贵州矿区煤层普遍具有埋深浅、煤层较薄、煤层间距较小以及溶洞发育显著的特性用这种地质特征形成得益于贵州地区独特的喀斯特溶洞地貌开该地貌是在长期的自然气候演变、地质构造活动以及水流侵蚀等综合作用下逐步塑造而成¹1用贵州省为世界上岩溶地貌最显著的地区之一矿区的生态环境相比非岩溶矿区展现出显著的脆弱性#该地区的围岩承载结构与应力环境更复杂开对矿区开发与环境保护提出了更高要求²1地下开采活动导致原有岩石应力重新分布开诱发因开采引发的纵向断裂裂隙向上扩展与聚合开岩溶洞顶出现崩塌失稳现象可能诱发岩溶洞穴塌陷、山体滑坡、地表不连续变形及水土流失等地质灾害3用矿区原有的生态系统遭受严重破坏环境影响极端恶劣用鉴于这一严峻形势开研究含溶洞矿区在煤层开采过程中覆岩裂隙的演化特征不仅具有现实意义还具备工程应用价值近年来数值模拟与相似模拟实验相结合的方法得到广泛应用开对采矿活动诱发的裂隙演化规律的研究已经取得令人瞩目的进展4】#黄庆享51等广泛运用分形几何理论于地下煤层开采研究开为探索微观、复杂、无序的开采裂隙演化规律开辟了新的思路和路径吴群英61等利用相似材料模拟实验成功模拟了采空区裂隙的形成过程和分布状态并借助分形几何理论开深入探讨采空区三带岩体裂隙的分形特征及规律目前开浅埋煤层开采中开覆岩裂隙演化的研究主要侧重方法与实验领域的创新探索用然而开针对贵州矿区独有的地质环境州特别是涉及典型含溶洞地貌的开采实践开研究尚显不足曲鉴于这一现状本文特地将研究聚焦贵州矿区典型的岩溶地貌浅埋煤层开采工程借助3DEC数值模拟软件的强大功能剖析在煤层开采进程中含溶洞矿区覆岩裂隙位移的复杂演化特性用通过此研究明确并揭示岩溶洞穴结构在开采中对岩石裂隙演化过程的作用机制与深井区地处贵州高原西部属低-中山地貌开山脉多呈北东-南西向延伸开与地层走向基本一致#飞仙关组地层形成区内最高山脉山高坡陡开沟壑纵横#永宁镇组分布区则呈岩溶地貌发育含煤地层呈条带状缓坡或凹地下部多呈沟谷中上部多呈反向坡村落密布植被发育曲第四系掩盖严重煤层露头一般标高1800~1900m#玄武岩多形成缓顶开海拔2405.73m#最低点为北部边界附近河谷开海拔1700m左右用矿区内岩溶裂隙不均一含有溶洞发育用井区内含煤地层为二叠系上统龙潭组开组厚180～220m平均202m#含煤层5层平均含煤14.9和21%南部含煤系数稍高溶蚀发育高局部地段含溶蚀裂隙开顶板溶洞在地表层位由上而下具有明显的分带用在岩溶地质环境背景下由于采动引起的裂隙会导致上覆岩层发生变形和损伤显著降低采场覆岩稳定性用通过对国内外喀斯特含溶洞裂隙的研究得出岩溶地面塌陷主要和煤层采动推进距离有关因此开利用离散元3DEC数值模拟软件构建针对煤层上覆岩中含岩溶洞的数值模拟模型开精确描述采动过程中覆岩裂隙的演化特征数值模型及岩层分布如图1BlockD3采动裂隙场分布规律采动对上覆岩层的位移重分布产生了显著影响开导致裂隙场分布呈现动态扩展与演变特征开这一变化进一步引发了岩体变形与破坏#图2为不同推进度采动覆岩裂隙场分布图(c)推进130m(d)推进190m图2不同推进度采动覆岩裂隙场分布图根据图2所示采动裂隙场的分布老顶在开采过程中展现出周期性断裂开同时上方的覆盖岩层裂隙也呈现向上延伸的趋势开老顶与关键层均出现断裂破坏用随着工作面推进开达到90m深度时开正式进入溶洞正下方的作业区域曲在此阶段因采动作用引发的裂隙迅速向采空区的主控层延伸并达到最大扩展边界开裂隙发育程度呈显著增强趋势用尽管采动裂隙持续向采空区一侧扩展开但主控层仍维持高水平的承载稳定性开能有效遏制裂隙向更上方蔓延用随着采场破断过程结束开关键层及下部岩层逐渐压缩开离层和垂向裂隙得以封闭开裂隙发展高度基本维持稳定状态用此外溶洞下方覆岩均有裂隙发育开裂隙主要分布于主关键层以下用在采场裂隙区开岩溶洞顶板的垮落呈现高度危险性开且顶板裂隙极可能与采动裂隙贯通用溶洞区采动岩体内溶洞的位置对采动裂隙的扩展趋势具有制约作用用此外开溶洞区岩体的裂隙分布特征对采动岩体裂隙的演变过程产生重要影响开尤其值得注意的是工作面过溶洞下方开采时开溶洞顶板上的采动岩体裂隙发展高度有可能急剧攀升用为确保工作面安全、高效开采开必须在煤层开采前对地下水层进行探测与分析以便迅速且精准采取防范措施保障生随着回采工作面深入开工作面溶洞毗邻区域的裂隙发育现象愈发明显如图2(b)所示开鉴于岩层质地坚硬开当工作面推至溶洞下方时用岩层依然保持稳固状态溶洞周边并未断裂有效遏制了采动干扰向上蔓延用溶洞在岩体内未发生明显塌陷开岩体总体保持稳定尽管溶洞发育开采动效应主要局限于采动侧地层开对围岩的直接影响较小开但仍导致岩溶洞穴两侧地层出现协同弯曲沉降现象开增加了洞顶张裂破坏风险用如图2(c)、(d)所示当工作面推进至溶洞前方时开溶洞顶部发生严重损伤矩形溶洞顶部的顶板岩石在肩部产生裂隙引起溶洞顶部岩石的悬臂结构产生岩石中的离层用不规则溶洞受开采影响较大开结构不完整且岩溶洞穴在顶板上使覆岩易发育裂隙采动裂隙会贯穿地面开造成岩溶地表坍塌4采动位移分布规律在采动层内布置不规则形态的岩溶洞研究不同采动距离溶洞断面及覆岩对采动岩体破裂发展的影响通过这一设置开能够准确了解这些因素如何影响采动裂隙的发育过程开采推进距离分别为20m、50m、(c)推进110m ..图3不同推进度采动覆岩位移图煤矿开采活动致使原有应力平衡遭受破坏触发原岩应力重新分布此种分布变动导致覆岩发生运动、形变及破坏现象用随着采场形成采场内部的自由空间通过垮落岩块的填充与压实逐步建立新的应力平衡状态用在这一过程中采场后部的应力水平较原岩应力显著降低形成应力缓解区域用同时开工作面前方出现的最大支撑压力随着工作面推进持续向前方转移用工作面尚未直接临近溶洞的情况下工作面的位移分布如图3(a)、(b)所示：煤层向前推进20m直接顶最大下沉位移仅1cm即使煤层推进到50m直接顶下沉也仅3.6cm用但在接近溶洞的工作面区域开覆岩下沉位移呈现逐步增大的趋势用这一现象主要归因于顶板开采过程中开溶洞区域的存在使采动应力在溶洞两侧的围岩也表现出明显的位移集中开引发溶洞前后区域的位移变化用因此在岩溶地质区域进行煤层开采若工作面前方的位移和应力异常增大可能意味着上覆岩层存在溶洞发育的可能用工作面逐渐接近或穿越岩穴时开岩溶区与非岩溶区之间的围岩垂直位移分布状态如图3(c)、(d)所示用煤层开采深度达到110m后用工作面穿越至不规则溶洞正下方用观测到直接顶的最大上方覆岩的沉降高度亦呈现显著上升趋势用待煤层开采全面完成溶洞周边区域的覆岩位移状况相比其他地带表现出更大的位移幅度在工作面推进的后续区域开由开采活动诱发的岩层位移变动尤为剧烈用鉴于此针对含溶洞矿区实施超前支护策略及加强位移应变监测整体来看工作面进入含溶洞矿区下方或通过时含溶洞矿区开采引发的覆岩垂直位移明显增大用含溶洞矿区采动侧岩石的挠曲变形远大于不含溶洞地区开因其溶洞会破坏岩体的结构完整性和力学传导能力开与不含溶洞区相比开该区域更易断裂用其次开由于溶洞存在其上部岩层在溶洞附近缺乏充分支承开导致在开采过程中开岩溶洞顶部岩层的弯沉值呈现异常增长的5.1在采动过程中溶洞对覆岩裂隙区发挥着引导与牵引作用#随着采动巷道顶板的裂隙自底部逐步向上延伸达到特定高度时采动裂隙会向覆岩上方内部扩展直至与地表