基于FLAC 3D的五沟煤矿松散含水层注浆改造数值模拟.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(项目编号:)作者简介:孟佳乐硕士生:.通信作者:杨本水教授博士研究方向:防灾减灾与矿井防治水:.:./.基于 的五沟煤矿松散含水层注浆改造数值模拟孟佳乐杨本水(安徽建筑大学 土木工程学院安徽 合肥)摘 要:为了研究注浆改造对五沟煤矿二采区近含水层下薄基岩煤层开采安全的影响采用 进行数值模拟选取合适的注浆推进距离进行覆岩应力场、覆岩位移场和覆岩塑性区的对比分析对治理段采用泥灰比 注浆孔间距取 注浆方式采用分段上行式最终压达到 且流量小于 /标志着注浆结束并且维持不小于 初步方案设计 个注浆孔和 个检查孔结果显示“四含”注浆后应力、位移、破坏和渗透流动性与注浆前相比显著减小注浆效果明显关键词:注浆改造方案松散含水层应力 数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:()():./.:第 卷 第 期 年 月 湖 北 理 工 学 院 学 报 .煤炭工业是我国国民经济的支柱产业由于有些地方煤炭资源基本开采殆尽因此开展松散含水层改造技术研究十分必 要 费宇等在薄基岩以及顶板为粘土的前提下对煤层开采覆岩破坏进行了研究研究发现基岩同粘土破坏具有不同步性并解释了支承压力大小的周期加权现象 胡彦博使用 系统监测工作面底板动态变化发现监测结果和矿井实测结果基本一致表明 监测地下岩体活动效果良好为今后研究矿井围岩破 坏 提 供 了 新 的 技 术 手 段 本 文 通 过 数值模拟软件模拟注浆前后 煤层覆岩破坏的演变规律根据结果判断注浆改造是否减缓覆岩破坏 计算分析注浆改造成本和注浆后带来的经济和社会效益判断该工程推广的可行性工程概况及水文地质条件.矿井概况五沟煤矿坐落于安徽淮北濉溪县北邻袁店一矿东、南、西 面为煤层露头与界沟煤矿以李家断层为界南北长约.东西宽 面积约.由探查结果可知五沟煤矿井田可采煤层产生年代根据地质年代表被划分为古生代的二叠纪(系)可分为 个煤层分别为、煤层 根据地质条件判断五沟矿井主要可采煤层有、煤 个煤层累计可采总厚度高达.平均厚度分别为.、.、.、.属于中厚 厚煤层其中 煤层属于浅部煤层也是目前主采煤层易采的工作面区域已基本殆尽.水文地质条件 煤顶底板砂岩含水层以静储量居多但体积较小且易于疏干“四含”补给条件较差含水性弱 中等太灰岩溶发育不均匀水动力条件上部较好、下部较差含水性弱 中等虽然奥灰岩溶较发育但距 煤较远正常情况没有影响“四含”:./()顶底板砂岩含水层:./()太原组灰岩含水层:./()奥陶系灰岩含水层:./()在 煤层的开发工程中受松散层四水洪涝灾害的影响程度为一般受煤层开采顶、底板砂岩水洪涝灾害的影响程度为一般受底板太灰水洪涝灾害的影响程度为一般受断层水洪涝灾害的影响程度为一般受老空水、封闭不良层钻孔水洪涝灾害的影响程度为一般五沟煤矿 煤顶板基岩主要由泥质胶结的砂岩和泥岩构成其物理力学参数见表 通过岩石力学试验可求出岩石的力学强度根据岩石强度可将岩体分为软质、中硬和硬质 种类型 通过计算硬质岩石占某区段的百分比判断该区段煤层顶板岩体岩性类型本文根据煤层上 厚度覆岩中硬质岩石占比进行判断表 五沟煤矿 煤覆岩物理力学参数岩样编号岩石名称比重/(/)容重/(/)孔隙率/单项抗压强度/单向抗拉强度/变形模量/弹性模量/泊松比 细砂岩 .粉砂岩 .泥岩 .细砂岩 .泥岩 .粗砂岩 .粉砂岩 .粗砂岩 .粉砂岩 .中砂岩 .第 期 孟佳乐杨本水:基于 的五沟煤矿松散含水层注浆改造数值模拟 二采区西翼区段突水溃砂风险评价二采区西翼区的“四含”与地表水距离较远且中间分布较多隔水层因此无水力联系但“四含”承压水水头压力达.下部基岩层厚度薄开采过程易发生突水溃砂事故颗粒分析试验表明“四含”颗粒组成以砂砾组和砾粒组为主砂颗粒较多级配性较差渗透和赋水性较好 成 分 分 析 试 验 表 明“四含”化学成分中二氧化硅含量最高平均含量为 二氧化硅是构成石英矿物的主要化学成分从而也验证了颗粒分析结果 通过抽水实验和达西定律计算出该区段“四含”渗透系数 ./属于微透水 弱透水性单位涌水量 ./()富水性属于弱富水性 综上可知二采区西翼区段“四含”同其它含水层水力联系较差富水性属弱富水性但该层颗粒级配较差松散度较高渗透性较好下伏基岩薄开采过程中容易通过垮落带发生突水溃砂事故 软件模拟分析.数值模拟根据工程实际概况采用二采区西翼基岩最薄()的 钻孔为模拟原型 为了使模型简化模型中的土层和岩层都视为均匀连续介质模型选取地层中部分高度并且初次计算使用自重应力场为原始应力场在模型顶部施加均布应力从而补偿上覆岩土体的自重荷载.模型建立模型几何尺寸为 由于煤层平均倾角较小 对研究注浆前后覆岩移动破坏规律影响不大因此模型中忽略煤层倾角岩层倾角近似水平 数值计算模型如图 所示模型顶部施加的上覆地层补偿荷载通过岩体自重应力计算施加.的垂直补偿应力模型中岩层的水平应力通过岩体的泊松效应计算得出图 数值计算模型对二采区西翼区域现场钻孔所得的岩样进行室内力学参数试验确定其物理力学参数再综合各钻孔试验结果对岩层岩性力学参数做出适当地调整和修正 二采区西翼煤层开采垮落带发育问题的岩体物理力学参数见表 节理面力学参数见表 表 岩体物理力学参数地层岩性密度/(/)弹性模量/泊松比凝聚力/摩擦角/抗拉强度/“三隔”.“四含”.泥岩.粉砂岩.细砂岩.中砂岩.煤.表 节理面力学参数岩性法向刚度/切向刚度/凝聚力/摩擦角/抗拉强度/“三隔”.“四含”.泥岩.粉砂岩.细砂岩.中砂岩.煤.数值模拟方案根据矿井生产技术条件模拟 煤在综放开采(采高.)条件下的覆岩破坏规律边界条件设定以后模拟开挖采用分段开挖分 次开挖每次 工作面长度为 湖 北 理 工 学 院 学 报 年开挖长度为 走向两侧留设 煤柱 走向留设 煤柱 通过对开挖模拟后得到的位移、应力以及塑性区云图进行对比分析验证注浆改造的有效性.覆岩应力场对比随着岩体中煤层的采空区增大覆岩的应力也随之增大 由于岩体结构的抗拉强度很低当采空区上方覆岩的应力大于其抗拉强度时该区域岩石就会发生垮落 因此要分析注浆前后煤层开挖时垂直应力的变化情况注浆改造前后随工作面推进竖直应力云图如图 所示()注浆前推进 ()注浆前推进 ()注浆后推进 ()注浆后推进 图 注浆改造前后随工作面推进竖直应力云图.覆岩位移场对比煤炭的开采会导致煤层顶底板的应力状态发生变化因此煤层顶底板的位移场随之发生了改变 为了分析岩层注浆前后位移场的变化利用软件模拟工作面推进过程中位移场变化特征 注浆改造前后随工作面推进竖直位移云图如图 所示 由图 可知采空区上方的直接顶下沉淀量达到最大并且随着工作面的推进顶板的位移也不断增大而且煤层底板也发生了向上隆起的位移这种现象叫低鼓现象 这与应力变化相对应随着煤层的开采采空区增大顶板弯曲下沉底板荷载解除上凸隆起对比前后位移场的变化可知最大位移注浆后比注浆前显著减小这是因为位移量的大小与基岩厚度相关基岩越厚最大位移越小结果表明对“四含”注浆效果显著“四含”达到了结石效果从松散体变成岩类石体()注浆前推进 ()注浆前推进 ()注浆后推进 ()注浆后推进 图 注浆改造前后随工作面推进竖直位移云图.覆岩塑性区对比煤层或者巷道的采空区导致上覆岩体结构破坏包括弹性和塑性破坏 种类型 岩层岩体在变形的第一阶段一般为弹性破坏随着应力增大逐渐呈现塑性因为弹塑性破坏通常为岩层岩体的破坏 通过数值模拟软件对模型进行有限差分法和时步的迭代计算可直观看出工作面掘进过程中上覆岩体结构塑性破坏发育的演变规律 注浆改造前后随工作面推进塑性破坏云图如图 所示由图 可知随着工作面持续推进煤层上覆岩塑性破坏不断增加工作面推进 时顶部覆岩破坏开始形成马鞍形状中间低两头高 同应力场和位移场相呼应严重破坏发生在位移和应力较大处 对比注浆前后可以发现工作面推进、时 由于“四含”为松散体组成强度较低并且下伏基岩厚度较薄只有 导致覆岩破坏直接穿过“三隔”和“四含”发生了剪切破坏 注浆后的“四含”结构强度增强从松散质砂变成“类第 期 孟佳乐杨本水:基于 的五沟煤矿松散含水层注浆改造数值模拟 砂岩”一样的结构体有效地承担部分荷载减轻基岩破坏程度()注浆前推进 ()注浆前推进 ()注浆后推进 ()注浆后推进 图 注浆改造前后随工作面推进塑性破坏云图结论)随着模型煤层开挖工作面煤壁和切眼处出现最大集中压应力采空区的顶板和底板出现最大集中拉应力相应在采空区的顶板处位移最大覆岩破坏最为严重)注浆后各项指标均优于未注浆注浆后的“四含”密实度和强度较高具有分担上部荷载和应力的效果减轻基岩破坏程度)注浆后单位涌水量和渗透系数下降明显“四含”水体由类水体改造为类水体“四含”中砂土同浆液胶结结石效果良好砂土流动性变差达到安全开采条件同时可延长五沟煤矿的服务年限参 考 文 献 康永华.我国煤矿水体下安全采煤技术的发展及展望.华北科技学院学报():.李超峰虎维岳王云宏等.煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术.煤田地质与勘探():.冯占杰郭文兵.覆岩关键层水力压裂控制采动影响研究.中国安全科学学报():.杨金林李夕兵周子龙等.动力扰动对采空区稳定性影响的离散元分析.科技导报():.:.():.胡彦博.深部开采底板破裂分布动态演化规律及突水危险性评价.徐州:中国矿业大学.张刚艳.超薄隔水层底板突水机理与区域修复技术研究.北京:煤炭科学研究总院.():.:.():.():.张玉鹏张玉军刘毅涛等.蒙西深部厚煤层大采高综采面覆岩破坏高度研究.中国安全科学学报():.(责任编辑 李玉花)湖 北 理 工 学 院 学 报 年