留設(shè)斷層防水煤柱開(kāi)采的模擬試驗(yàn)研究

1、第26卷第6期建 井 技 術(shù)Vo l 26 No 6 2005年 12月 M I NE CO NST R U CT ION T ECH NO L OG YDec 2005收稿日期:2005 03 02留設(shè)斷層防水煤柱開(kāi)采的模擬試驗(yàn)研究唐東旗1,李運(yùn)成2(1襄樊學(xué)院旅游與地理科學(xué)系,湖北襄樊,441053;2安徽理工大學(xué)資源與環(huán)境工程系,安徽淮南,232001摘 要:以皖北臨渙礦區(qū)任樓煤礦F 3-F 4斷層間塊段為原型,建立了相似材料模型,模擬煤層開(kāi)采條件下斷層帶巖體的變化情況和斷層下盤(pán)含水層在采動(dòng)影響下突水的可能性。通過(guò)模擬試驗(yàn),確定了開(kāi)采范圍,為安全回收煤炭資源提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞:斷層帶

2、;防水煤柱;模擬試驗(yàn)中圖分類(lèi)號(hào):T D822+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002 6029(200506 0021 03目前,斷層帶煤柱留設(shè)基本上是按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定的。這種留設(shè)方法有很大缺陷:煤柱留設(shè)過(guò)大則造成資源大量損失,過(guò)小則可能又留下安全隱患。因此,有必要用相似模擬技術(shù)來(lái)模擬開(kāi)采條件下斷層帶巖體的變化情況并進(jìn)行觀測(cè),為實(shí)際開(kāi)采提供可靠的數(shù)據(jù)。皖北臨渙礦區(qū)任樓煤礦位于安徽省宿州市西南約30km 的濉溪、蒙城兩縣交界處,該礦F 3-F 4斷層間塊段在建井和設(shè)計(jì)階段均作為難以開(kāi)采塊段。為了最大限度地回收煤炭資源,我們對(duì)該塊段煤層回采時(shí)斷層保護(hù)煤柱的留設(shè)進(jìn)行了相似材料模擬試驗(yàn)研究,

3、即模擬研究該塊段可采煤層7-2煤層和8-2煤層回采時(shí)煤層底板巖體隨開(kāi)采的變化情況,以及F 3斷層區(qū)域巖層位移變化情況,為實(shí)際回采時(shí)斷層保護(hù)煤柱的合理留設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件所模擬的區(qū)域?yàn)槿螛敲旱V-250水平至-400水平之間的F 3斷層區(qū)域。F 3斷層落差85m ,斷層面傾角67 ,斷層帶寬度3m 。F 3斷層左邊有可采煤層7-2煤層和8-2煤層。7-2煤層平均厚度4 0m,埋深351m ;8-2煤層平均厚度2 0m,埋深367m 。F 3斷層中間為7 41m 厚的泥巖和8 02m 厚的粉砂巖。F 3斷層的左邊,距8-2煤層40m 的底板為含水灰?guī)r,水壓3 5MPa 。2 開(kāi)采模擬方

4、案設(shè)計(jì)相似模擬試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)地點(diǎn)為任樓煤礦-250水平至-400水平之間的F 3斷層區(qū)域,該區(qū)域有可采煤層7-2煤層和8-2煤層。先進(jìn)行7-2煤層開(kāi)采,預(yù)擬定停采線距斷層50m;然后進(jìn)行8-2煤層開(kāi)采,其停采線也預(yù)擬定距斷層50m 。模擬試驗(yàn)在平面應(yīng)變模型架上進(jìn)行,模型體尺寸3 2m 0 4m 1 1m (長(zhǎng) 寬 高。根據(jù)任樓煤礦-250水平至-400水平之間的F 3斷層區(qū)域試驗(yàn)待開(kāi)采的范圍,確定模型幾何縮比為1!100,即模擬的實(shí)際區(qū)域長(zhǎng)度320m ,寬度40m,高度110m 。未模擬到的上覆巖層通過(guò)模型上方的7個(gè)液壓千斤頂加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直應(yīng)力補(bǔ)償。模型模擬的開(kāi)采順序及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。模擬試驗(yàn)共布

5、置測(cè)點(diǎn)12個(gè),其中3號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)量水平位移,其余均測(cè)量垂直位移。建 井 技 術(shù) 2005年第26 卷圖1 模型模擬的開(kāi)采順序及測(cè)點(diǎn)布置 用石膏、砂類(lèi)等材料來(lái)模擬采場(chǎng)圍巖,因?yàn)檫@些材料的單向抗壓與抗拉強(qiáng)度和地層基本相似,且其力學(xué)性能穩(wěn)定,不易受外界條件影響。模型參照地層柱狀圖分層鋪設(shè)而成,以砂子作骨料,以石膏、碳酸鈣作粘結(jié)材料。模型強(qiáng)度的確定綜合考慮了地層層理、節(jié)理等弱面的影響,以盡量消除模型與巖層在力學(xué)性質(zhì)上的差異。對(duì)斷層帶巖體進(jìn)行了弱化,以反映斷層的性質(zhì)。相似模擬材料與原巖的單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)附表。附表 相似模擬材料與原巖的單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)序號(hào)巖石名稱(chēng)單軸抗壓強(qiáng)度原巖/M Pa1/100模擬材料

6、/k Pa1煤13112 72泥巖251633粉砂巖322094砂巖48 33165灰?guī)r704586中細(xì)砂巖67 14397中粗砂巖754908鋁土巖10 675相似材料模擬范圍:F3斷層左邊220m,右邊100m。7-2煤層除去模型邊界煤柱35m和預(yù)留斷層保護(hù)煤柱50m,可采煤層長(zhǎng)度約135m;8-2煤層可采煤層長(zhǎng)度約120m。3 相似理論相似模擬試驗(yàn)以相似理論為基礎(chǔ),要求模型與原型各物理量之間組成的相似準(zhǔn)則不變,相似指標(biāo)為11。相似模擬試驗(yàn)成功與否常取決于模型與原型相似條件的滿足程度。相似模擬試驗(yàn)就是要用和原型力學(xué)性能相似的材料,按照一定的幾何比例模擬巖體及礦脈,并進(jìn)行開(kāi)掘,在滿足相似的邊

7、界及初始條件下,在相應(yīng)的時(shí)期內(nèi)造成相似的礦山壓力現(xiàn)象2。按照一般物理現(xiàn)象相似的要求,模型和原型間應(yīng)滿足以下基本相似條件:幾何相似;運(yùn)動(dòng)相似;應(yīng)力相似;動(dòng)力相似;外力相似。在滿足上述相似條件的基礎(chǔ)上,模型以及礦脈在模型中的位置還必須滿足邊界相似條件。相似模擬材料的強(qiáng)度以標(biāo)準(zhǔn)試塊干燥后的測(cè)試強(qiáng)度為準(zhǔn);整個(gè)相似強(qiáng)度的實(shí)際值與理論值力求接近,而不是相同。4 試驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)相似模擬回采試驗(yàn)可以看出,在7-2煤層和8-2煤層回采過(guò)程中,隨著工作面的推進(jìn),煤層底板巖體將出現(xiàn)不同程度的變形和破壞,斷層帶巖體也將會(huì)隨之發(fā)生變22第6期 唐東旗等:留設(shè)斷層防水煤柱開(kāi)采的模擬試驗(yàn)研究形和破壞。 (1回采過(guò)程中,

8、7-2煤層底板破壞深度最大可達(dá)到17m;8-2煤層底板破壞深度為8m 左右。(2受含水層水壓力的影響,斷層帶附近巖體在回采過(guò)程中發(fā)生變形。當(dāng)7-2煤層工作面推進(jìn)到距F 3斷層50m 時(shí),斷層上盤(pán)巖體水平位移和垂直位移有一定變化。在8-2煤層回采過(guò)程中,當(dāng)工作面推進(jìn)到距F 3斷層50m 時(shí),巖體水平位移和垂直位移開(kāi)始發(fā)生明顯變化;當(dāng)工作面推進(jìn)到距F 3斷層40m 時(shí),巖體水平位移和垂直位移變化速度加大(見(jiàn)圖2,同時(shí)此處斷層帶下盤(pán)太灰含水層巖體已開(kāi)始產(chǎn)生裂隙。8-2煤層煤柱留圖2 8-2煤層回采時(shí)煤層底板巖體垂直位移曲線(8號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)時(shí),應(yīng)充分考慮這一情況。(3回采過(guò)程中,斷層帶兩側(cè)巖體變形趨勢(shì)基本

9、一致,但上盤(pán)較下盤(pán)變形量大,且隨煤柱的減小變化明顯,如圖3所示,說(shuō)明斷層兩盤(pán)位移有一定的差異,可能導(dǎo)致斷層錯(cuò)動(dòng),即活化#。在實(shí)際開(kāi)采中留設(shè)煤柱時(shí),一定要考慮斷層活化#現(xiàn)象。 圖3 回采過(guò)程中斷層帶兩側(cè)巖體垂直位移曲線(a7-2煤層回采時(shí)斷層上盤(pán)巖體;(b8-2煤層回采時(shí)斷層上盤(pán)巖體;(c7-2煤層回采時(shí)斷層下盤(pán)巖體;(d8-2煤層回采時(shí)斷層下盤(pán)巖體(4根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況,任樓煤礦試驗(yàn)?zāi)M塊段7-2煤層應(yīng)留設(shè)防水煤柱35m ,8-2煤層應(yīng)留設(shè)防水煤柱60m 。5 結(jié) 語(yǔ)本次模擬試驗(yàn)方法科學(xué)、實(shí)用,模擬試驗(yàn)研究成果已在任樓煤礦生產(chǎn)中得到了應(yīng)用,取得了預(yù)期效果。該模擬試驗(yàn)研究方法具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。參考