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综放面覆岩运移与两带高度数值模拟研究

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 138次

摘要本文运用UDEC数值模拟方法和相似材料模拟试验,建立和围岩条件相似的数值模型,结合试验工作面的生产地质条件和围岩力学参数,对两带动态变化特点进行了模拟分析; 并通过现场钻孔注水试验,对综放工作面的裂隙发育实际情况进行了现场测定,可知: 余吾煤业深部综放工作面冒落带和裂隙带的高度为33m左右和61m左右;不同推进距离下,采空区中间的离层量较大,两端离层量较小。

关键词:覆岩运移;裂隙发育;数值模拟;冒落带;裂隙带

Overburden Rock Migration at Fully-mechanized Caving Face and Numerical Simulation to Two Zones Heights

YAN Huan-huan,Liu Lin-bing

(School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

Abstract: By using the UDEC numerical simulation method and similar material simulation experiment ,establishing numerical mod

-el Which is similar to rock conditions ,the paper analyzed dynamic development features of two zones of overburden rock on the base

of geological contions and mechanical parameters of rock in the experimental working face. And field drilling segment injection test is used to detect fractures development situations in deep full-mechanized caving face .The result shows that the height of caving zone is about 33m and 61m in Yuwu Mining Company deep full-mechanized caving face .With different advancing distance,abscission layer

on both ends of the gob is small,but the middle of abscission volume is big.

Key  words:overburden migration;fracture development;numerical simulation;caving zone;fractured zone;


0  引言

本次试验模拟的工作面是余吾煤业N2202工作面,该工作面主采山西组3#煤层,埋深550-600m,煤层稳定,厚度约6.31m。采煤方法为走向长壁、后退式放顶煤开采,综合机械化采煤工艺。老底为中细粒砂岩;基本顶是灰色粉砂岩和灰白色细粒砂岩,厚约5.6m;底板为粉砂岩和黑色泥岩;直接顶是粉砂质泥岩,泥岩,厚度11.2m3#煤层上覆岩层构成比较简单。研究顶板裂隙的分布不但对矿井水害治理和水资源的保护有重要作用,而且还可以确定瓦斯在上覆岩层[1-4]裂隙空间的可能富集区域,对瓦斯灾害防治[5-7]和煤层气资源开发也有一定的现实指导意义。


1  UDEC数值模拟

1.1  模型的力学参数

1 煤岩力学参数

Tab.1 Mechanical parameters of rock and coal

岩性/m

厚度/m

累厚/m

体积模量/GPa

剪切模量/GPa

内聚力/ MPa

内摩擦角

密度/

Kg/m3

中粒砂岩

8

130

19

11

14

30

2580

细粒砂岩

5.5

56.5

26

13

22

33

2750

砂质泥岩

10

51

14

9

12

35

2630

泥岩

0.55

20.4

10

5

8

38

2580

煤层

6.31

19.85

7

2

7

35

1400

泥岩

4

14

10

7

8

30

2580

砂质泥岩

10

10

14

9

12

35

2630

 

 

 

 

 

2 节理力学参数

Tab.2 The mechanics parameters of joint

节理

类型

法向刚度

MPa/m

切向刚度MPa/m

内摩擦角

内聚力

/MPa

抗拉强度/MPa

假节理

真节理

10e9

10e9

10e9

8e9

40

10

1

0

10

0


 1.2  建立模型的布置

根据煤层上覆岩层属性的不同以及上覆岩层距离煤层顶板距离的不同两个划分因素,对煤层岩层划分求解单元,根据岩层属性不同划分的岩层如图1,根据上覆岩层距顶板距离的不同划分的单一连续体如图2所示。

1 UDEC数值模拟模型

Fig.1 The UDEC model in the numerical simulation

  zone

2 块体单元划分

Fig.2 The division of the block unit

工作面回采的计算模型可简化为二维模型,建立走向剖面上的二维UDEC求解模拟模型,并布置了模型上的测线及测点,用来追踪在采动过程中岩层内的应力变化特征以及煤岩层下沉量与破裂变化规律。根据所考察的余吾煤业N2202工作面的综放开采特点以及煤层所处地层空间的上覆岩层属性特征,在煤层以及上覆岩层标志性层与层之间布置七条反映岩层位置变动与应力变化的测量线,从下到上测量线命名为L1L2L3L4L5L6L7。为了反映相关关键层的离层位置以及离层高度的大小,在煤层以及上覆岩层顶板关键岩层的相关位置布置五个测量离层高度的点,从下到上测量点命名为ABCDE。需要建立的测量线和点安排如图3

侧线

 图3测量线、测量点位置模型图

Fig.3 Sketch map of measuring line and point in the modle

1.3 模型边界设定

为了接近实际考察的工作面采动空间岩层变化特征[8-10],需要对模型边界进行设定,假设采掘空间周邻未受采动影响,四周约束,不发生水平的移动;采动时主要为垂直空间的下沉变形变化,模型边界只考虑沿垂直方向的变形移动作用,不考虑煤层底板的底鼓作用,模型底部位移变动也设置为零,即底部固定,并且对模型施加从上到下的垂直力的作用,模型边界条件设计安排如图4

边界1

4 模型的边界

Fig.4 The border of the modle

1.4模拟结果分析


          laoding-15   ldjb-45   ldju-60

(a)工作面推进度10m  b)工作面推进度20m  c)工作面推进度55m

 ldjb-75  laoding-105syy   laoding-120guance

 (d)工作面推进度75m     (e)工作面推进度100m    (f)工作面推进度120m

5 覆岩变化特征数值模拟结果

Fig.5 The numerical simulation results of overburden rock variation features


从开切眼位置开始,利用UDEC模拟6.31米综放高度的N2202综放工作面上覆岩层发育特征随工作面推进进度变化如图5。从图5能够得出,在采高为6.31米的综放开采空间条件下,能够观测到随工作面推进覆岩的变化动态和断裂的全部过程,当工作面推进距切眼10m,直接顶冒落,松散堆积在采空区空间,冒落带高度约4.55m,冒落带和裂隙带继续发育;当推进到20m时,直接顶全部冒落,冒落带高度约16m,裂隙带高度发育约25m;当工作面推进55m时,老顶初次断裂,上覆岩层开始出现不同步下沉,冒落带高度发展至23.6m;当工作面推进75m时,老顶第一次周期垮落,亚关键层首次断裂且其上覆岩层裂隙发育;当工作面推进100m时,亚关键层周期断裂,主关键层初次断裂,采空区中部压实,应力回升,冒落带高度达最大约33.5m;图(f)显示出了推进120m时工作面动态演化,裂隙带高度发育至距顶板约56m,停止继续发育,主关键层完全破断,采空区逐步压实,采空区[11-13]“漏斗型”盆地形成。

由以上模拟结果的综合分析可知,冒落带高度是33.5m,裂隙带高度56m


2 相似模拟设计

2.1模拟相似比确定

综合本试验的条件和试验目的,使用二维试验台,其尺寸3000mm×1800mm×200mm,建立模型的主要材料组成是骨料和胶结材料[14]。依据余吾煤业的地质实际条件确定相似模拟的相关几何常数比如下表3所示。


3 几何常数比值

Tab 3.The ratio of geometric constant

参数  时间  密度   强度      外力比      弹模比    几何相似常数     应力相似常数  掘进长度

比值  1:10   2:5   3:1000   110000000    1:300         1:150          1:300          2

2.2 模拟结果分析

由相似模拟可得,工作面推进不同长度时覆岩裂隙位置分布,如下图6。

laoding-10 laoding-45syylaoding-60syy laoding-160guance

(a)直接顶垮落          (b)基本顶垮落          (c)第1次周期来压      (d) 第2次周期来压

图6 推进不同长度覆岩裂隙分布

Fig.6 The distribution of overburden rock fractures in different advancing distances

 


由图6分析可知,两带高度与数值模拟结果较为吻合,分别为33m左右和55m左右。

根据试验结果,对工作面上覆岩层孔隙密度进行统计分析,孔隙度[15]的分布曲线如图7。在图7中,随着工作面推进距离的递增,采空区上方离层量增加;其变化曲线呈中间位置高两端位置低的走向。

图7   回采过程中裂隙位置及变化

Fig.7 The location of fractures in mining process


3 两带高度现场实测


(1)观测方法。两带破坏高度的观察使用分段注水地表打钻法[16]。图8是设计的地表钻孔注水系统。地表打钻分段注水由测试封堵段、钻杆、钻机和供水高压系统构成。测试封堵段的设备组成如图9所示。

(2)设计方案。根据建议的上覆岩层两带经验高度公式及N2202工作面巷道设计特点,此次设计方案运用地表钻孔,在N2202工作面中设计两个钻孔,其间相距350m,孔深635m,图10为设计钻孔示意图。



     图9  实测设备装置

Fig.9 The equipments of testing experiment

图10  钻孔布置示意图

Fig.10 The sketch map of drilling arrangement

            图8  注水系统

Fig.8 The system of water injection


(3)结果分析。余吾煤业N2202工作面分段注水试验测试在2013年5月开始,2014年2月完成,经历10个月,得到了比较合理的现场实测数据。现场实测注水试验施工Φ55mm钻孔两个,长度1198m。回采后工作面注水流量改变如图11。在图11中,经过回采钻孔的注水流量很大,呈现阶梯型发展,裂隙发展良好。距地表约574,605m处是变化临界位置,由覆岩两带特征可以确定两点是冒落带和裂隙带顶部,则这两带的高度大约为30,61m。

 

图11   注水量的变化

Fig.11 The variation of water injection after mining process

4 结论

1)通过相似材料模拟试验和室内数值模拟验证了工作面回采过程中顶板“两带”高度分别为33m左右和56m左右,并得到回采工作面采空区中部的离层量较多,两端离层量很小。

2)运用现场注水试验确定覆岩两带高度,得到覆岩两带高度是30m,61m。由于钻孔高度有限仅得到冒落带高度UDEC模拟和相似模拟结果较为吻合,裂隙带位置较难判定。

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