中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望(2)

地表沉陷实测结果表明,该综放面在推进60m时,地表开始出现下沉,推进到84.5m时,地表下沉急剧增大,最大达0.92m,地表有裂缝出现,局部隆起,地表下沉盆地开始出现,最大下沉点的下沉速度0.1m/昼夜.由此可以推断,当工作面推进到85m左右时,上覆主关键层初次破断,导致地表沉陷加剧.工作面矿压观测表明,当工作面推进到80~90m时,工作面矿压显现突然加剧,煤壁片帮深度在1.0m以上,并且几乎整个工作面范围都出现片帮,端面上方部分区域出现断裂线,裂缝宽度达20~30mm.继煤壁片帮之后,即出现支架迅速增阻,速度可达每小时400kN/架,支柱迅速下缩,个别支架后柱可缩量仅剩50~60mm,支架空间变小,安全阀开启率达22%,动载系数达1.64.可见,造成工作面矿压显现加剧是由于主关键层初次破断引起的.

2)结构关键层运动对地表沉陷的影响

研究表明,主关键层运动将对地表沉陷产生决定性影响,因而控制主关键运动是充填开采等技术的主控目标.上述实测给出了潞安王庄矿某综放工作面主结构关键层破断对地表变形的影响,这里用数值模拟的方法更加详细地说明主关键层对地表下沉影响的动态过程.

模型走向长度450m,垂直高度110m,开采深度103m.煤层为水平煤层,厚度3.0m.距煤层30m,厚10m的细砂岩为覆岩主关键层,其上部为厚60m的表土层.

根据设计的计算模型,主关键层将在采72m时初次破断,采112m时顶板发生第1次周期破断,采152m时顶板第2次周期破断.由此得到主关键层破断前后地表下沉速度曲线如图2所示.由图2可见,主关键层破断时的地表下沉速度较主关键层破断前的地表下沉速度显著增大,从而导致地表下沉速度随主关键层破断呈现周期性增大的现

由图3,4可以看出,随着工作面推进,覆岩关键层下离层动态分布总体上呈现2阶段规律:

阶段Ñ:从开切眼开始至关键层初次垮落.该阶段内关键层下离层量沿走向分布曲线呈高帽状,采空区中部离层最发育.不同推进距时关键层下的最大离层量均位于各自走向采长的中部,如由切眼采至68,135,165m时,关键层下的最大离层位置距切眼距离分别为34,70,85m处.此阶段内关键层下离层发展由如下3个区组成.

离层始动区(Ñ1):当岩移未发展至覆岩关键层下部时,则关键层下不会出现离层,一旦工作面推进距达到一定值时,岩移发展至关键层下,导致关键层下开始出现离层,但其离层量很小,该推进

图2 主关键层破断前后地表下沉速度曲线Fig.2 Velocitycurvesforsurfacesubsidencepre

andpostbrokenofmainkeystrata

距称为关键层下离层始动距(ds),从切眼至离层始动距区间称为离层始动区.实验结果表明,主关键层下的ds=68m左右,此时主关键层下最大离层量仅为8.8cm左右.

离层扩展区(Ñ2):随着工作面继续推进,关键层下离层量不断增大,当工作面推进距达某一值时,关键层下离层量达到其最大值,此时工作面距切眼距离称为最大离层距(dm),从开始出现离层至离层达最大值区间称为离层扩展区.实验结果表明,主关键层的dm为105m左右,此时主关键层下最大离层量为119cm,离层扩展区的长度为dm-ds=105-68=37(m).

离层闭合区(Ñ3):当工作面推进距超过dm后,关键层下软岩的快速下沉过程已经结束,其下沉速度小于上覆关键层下沉速度,从而导致关键层下离层逐渐减少呈闭合趋势,直至关键层发生初次垮落,此时工作面距切眼距离称为关键层离层闭合

3)结构关键层运动对采动裂隙的影响

研究表明,结构关键层运动对采动裂隙演化起主要控制作用.这里,以沛城某矿实际覆岩结构,采用模型实验对覆岩关键层下离层动态分布规律进行研究.图3为距煤层30.5m处的主关键层下离层量沿走向分布随工作面推进变化的实验结果,图4为主关键层下最大离层量随工作面推进的变化

.

图3 主关键层下离层分布随工作面推进的变化Fig.3 Distributionoftheseparatedstratabelowthemainkeystratawiththeadvancingofworking

face

距(dc),从最大离层至关键层初次垮落的区间称为关键层离层闭合区.实验结果表明,主关键层的dc为195m左右,此时主关键层在采空区中部离层仅为4cm左右,离层闭合区长度为

dc-dm=195-105=90(m).

阶段Ò:关键层初次垮落以后.此阶段内关键层在采空区中部离层趋于压实,而在采空区两侧(即切眼侧与工作面侧)仍各自保持一个离层区,关键层下离层量沿走向采长分布曲线呈驼峰状.切眼侧的离层区是固定不动的,而工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的,该离层区的长度db、最大离层量及最大离层量距工作面侧煤壁距离,随着工作面推进基本保持不变.实验结果表明,

图4 主关键层下最大离层量随工作面推进的变化Fig.4 Themaximumseparatedstratabelowthemain

theofwo工作面侧离层区的长度db=60~75m,相当于主c3

离层量为26.5~35.5cm,是阶段Ñ最大离层量119cm的1/4左右.

上述实验结果表明,在关键层破断后的阶段Ò区域,采空区中部离层趋于闭合,而在采空区两侧仍各保持一个离层发育区.因此,从平面看,由于关键层破断时形成的/砌体梁0结构,在采空区四周存在一沿层面横向连通的采动离层发育区,称之为采动裂隙/O0形圈.

1.3 采动岩体渗流理论

孔隙岩体或裂隙岩体的渗流多为定常渗流,而煤矿突水和煤与瓦斯突出等事故多为渗流突变所致.因而传统岩石渗流理论无法合理描述采动破碎岩体渗流特性.由于受采动影响,采场围岩一般处于峰后应力状态,而破碎岩体的渗透率要远比孔隙岩体高得多,加之附近承压水源的作用,这就会由于渗流突变而引起重大突水事故.采动破碎岩体大致可分为2类:1)岩体原有构造再加开挖应力作用(应力超过峰值)破碎后仍处原位置的岩体,可称原位采动破碎岩体;2)开挖破碎冒落后的堆积体,可称为堆积采动破碎岩体.不论是何类破碎岩体,其渗流特性与一般孔隙或裂隙岩体有着显著差异,最本质的区别在于采动破碎岩体会发生渗流突变,而采动破碎岩体中水的渗流突变是煤矿突水和煤与瓦斯突出等的主要根源.为了实现对煤矿突水瓦斯灾害的有效防治,开发保水采煤和煤与瓦斯共采技术,必须从整体上掌握采动破碎岩体渗流与渗流突变规律,建立采动岩体渗流理论[27-32].

1)采动破碎岩体渗流规律

由于采动破碎岩体渗流特性与一般岩体渗流特性有着显著差异,现有的岩石渗流研究试验方法、手段无法适用,所以为了测定其渗流特性和规律,专门开发了2种专利试验装置,即原位采动破碎岩体渗流特性试验装置(见图5a),堆积采动破碎岩体渗流特性试验装置(见图5b).

这些装置与MTS815.02岩石力学伺服试验

系统组合成一种新的试验系统,研究采动破碎岩体渗透性的非Darcy渗流特征.

原位采动破碎岩体渗流规律:以砂岩为例,通过对一系列试样测试结果的分析,得到渗透率和非Darcy流B因子B的均值、均方差及其与轴向应变EA的回归关系分别为

a之间的回归关系E(k)与轴向应变E

E(k)=4.93@10-3e193EA(Lm2).

E(B)与轴向应变Ea之间的回归关系

E(B)=1.14@1013e-207EA(mm-1). R(k)与轴向应变Ea之间的回归关系R(k)=5.14@10eA(Lm).

R(B)与轴向应变Ea之间的回归关系

R(B)=2.81@1013e-188EA(mm-1).

Bk2的均值和标准差

E(Bk)=5.27@10eA(Lm/mm),

R(Bk2)=7.63@108e203EA(Lm4/mm). 砂岩在单轴峰后状态下的渗透率很大,远远超出(超出2个量级以上)MTS815.02系统瞬态法测试岩石渗透率的最大值,岩样的渗透率均值为指数规律增长关系.

砂岩在单轴峰后应变状态下的非Darcy流B因子B随E增长而指数规律降低,这说明B随着渗透率增加而降低,但 …… 此处隐藏：3695字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……