GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/5199755 5199755 研究文章 调查的反应上覆岩层压力和水压力下采矿逆断层 https://orcid.org/0000 - 0002 - 8365 - 1508 楚 成成 马 丹 地球和环境 安徽科技大学 淮南 安徽232001年 中国 aust.edu.cn 2021年 20. 10 2021年 2021年 31日 8 2021年 29日 9 2021年 6 10 2021年 20. 10 2021年 2021年 版权©2021成成楚。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

本文关注的反应在承压含水层上覆岩层压力和孔隙水压力对奥陶系石灰岩含水层下采煤和逆断层。以3<年代ub>2第一东方矿区的煤层开采Qianyingzi煤矿在中国作为工程背景,挖掘的基础上,研究区域的水文地质和工程地质模型,考虑了流-固耦合数值计算模型。仿真结果表明,孔隙水压力的变化特征在承压含水层和上覆岩层压力影响开采效果和地质构造和都是密切相关的剪切破坏采矿造成的逆断层平面效果,在采场覆岩的破坏特征。根据孔隙水压力的变化前后顶板突水,孔隙水压力的减少范围可以用作一个突水事故的预警指标。这些新的理解参考价值的矿业突水的共同作用下逆断层和承压含水层,并建立相应的预测和预警系统。

 安徽省科学技术厅 1908085 qe248 中国安徽教育部自然科学基金 KJ2018A0100 1。介绍

这是一个煤矿灾害防治的关键理论问题,上覆岩层压力和孔隙水压力的变化在承压含水层由煤炭开采造成的。错误不仅破坏表层结构的完整性,而且还影响应力场和渗流场的分布特征。据统计,80%的突水事故相关的缺点。系统的研究和实践在中国下煤层开采含水层起源于1950年代,但在这一领域的研究主要集中在煤层松散含水层下采煤( 1- - - - - - 6]。不同于松散含水层下采煤,屋顶煤矿突水机理和表土故障特征在石灰岩(奥陶系灰岩和寒武纪灰岩)含水层往往伴随着缺点,使采场的地质条件更加复杂。

学者们研究了应力下开采断层的分布规律和水压力的变化规律挖掘含水层下,分别获得了许多有价值的研究成果 7- - - - - - 12]。与正断层、逆断层附近的水平应力更大,水平应力变化的影响在断裂带断层上升的稳定( 13, 14]。在煤炭开采过程中,断层煤柱,减少双方的开采效果的断层呈现不同的特征 15, 16]。当工作面断层下盘的进步,煤炭的垂直压力的身体在工作面前首先增加然后减少。没有错,煤炭的垂直压力的身体在工作面前逐渐增加并趋于稳定与工作面推进 17]。采动孔隙水压力模拟实验表明,孔隙水压力的变化在承压含水层由于矿业开采密切相关进展和周期性屋顶压力( 18- - - - - - 20.]。流固耦合的数值模拟表明,bed-separated之间的互连程度和垂直裂缝,并增加液压和上覆地层的渗流率的关键因素在预测潜在的突水时挖掘浅煤层松散,承压含水层( 21]。岩体的非线性性质可以改变由于流水的侵蚀逐渐突水过程中( 6, 22- - - - - - 25]。这些研究成果奠定了本文的研究的一个重要理论基础。然而,目前的研究较少关注在这个问题上的双重威胁下开采断层和屋顶承压水,尤其是在上覆岩层压力和孔隙水压力的变化在这种特殊的地质条件。

本文以3<年代ub>2第一东方矿区的煤层开采Qianyingzi煤矿在中国作为工程背景,上覆岩层压力和水压力的反应在承压含水层对奥陶系石灰岩含水层下采煤和逆断层研究使用应用FLAC3D软件,旨在揭示开采的顶板突水机理下奥陶系石灰岩含水层和逆断层和建立预警和预测指数采矿造成的顶板突水的共同作用下逆断层和承压含水层。

 2。工程地质和水文地质条件的研究情况

研究区是第一个在中国东部矿区Qianyingzi煤矿。Qianyingzi煤矿位于苏州城西南,安徽省,是淮北煤田地层类型,属于华北地层类别。3的开采深度<年代ub>2第一东方矿区的煤层Qianyingzi煤矿-280 ~ -650米,平均厚度3<年代ub>2煤层是3.3米。在矿区钻探表明,奥陶系地层从底部到顶部,石炭纪、二叠纪、新第三纪和第四纪。如图 1,DF200错把奥陶系石灰岩的3<年代ub>2煤层直接,这是一个逆断层的研究领域。DF200断层的倾角是大约45度。3的顶板岩性<年代ub>2煤层是软、硬地层的夹层。

矿业研究区水文地质和工程地质模型。

通过群洞非定常流的抽水试验钻孔T1、T2、T3、T4, T5奥陶系石灰岩含水层,每个钻孔的天然水位和水位变化数据后泵。流场演化是绘制,如图 2。根据涌水量的计算和压降的T1洞,渗透系数 K = 2.42 m / d,单位涌水量 问 = 0.53 l / 年代 · 米 。在奥陶系石灰岩含水层抽水实验的结果表明,含水层的水力联系和周围含水层介质富水含水层。因此,3<年代ub>2煤层开采受到DF200断层和奥陶系灰岩含水层的威胁。

(a)的比较自然流程图的石灰岩含水层和(b)的流程图石灰岩含水层抽水后30分钟。

 3所示。流固耦合数值模型

根据研究区域的工程地质和水文地质条件,建立了流固耦合数值模型。坐标系如图 3,模型大小 900年 米 × 10 米 × 500年 米 。在数值模型中,第四纪松散的重力压力层以上采用均布荷载加载模型。补偿负载0.5 MPa。计算公式如下: (1) σ = γ z = 10 kN / 米 3 × 50 米 = 0.5 MPa ,

数值模型的坐标系统。

在哪里 σ 是压应力,MPa, γ 是单位重量,KN / m<年代up>3, z 是第四纪厚度,m。

莫尔-库仑屈服准则采用的数值模拟。前后边界,左和右边界,边界模型的底部是固定的,和上部边界是免费的。周围的边界模型被认为是不透水边界,和开挖围岩边界是免费的透水边界。对于大多数坚硬的岩石质量,侧压力系数( λ )是在0.25和0.43之间,水平应力是大约三分之一到五分之一的垂直压力。然而,断层的存在将影响区域应力场,从而导致大局部应力场之间的差异和区域应力场和侧压力系数的逆断层周围的局部应力场大于1。结合区域地质资料、数值模型的侧压力系数是1.65。根据现场抽水试验数据,底部的水压力接口的奥陶系石灰岩含水层为6.5 MPa,开挖前和孔隙水压力的静水压力。此外,故障通常是弱水产量和糟糕的导电性。数值模型的飞机图如图 4。岩石参数的数值模型是基于钻岩石的物理力学性质,如表所示 1。

数值模型的计划。

数值模型的主要参数的岩石。

地层 密度(公斤/米<年代up>3) 体积弹性模量(MPa) 剪切模量(MPa) 内摩擦角(°) 凝聚力(MPa) 紧张(MPa) 渗透率(m<年代up>2/ Pa·sec) 孔隙度
石灰石 2090年 22.60 11.10 42.0 6.72 1.58 7.0 × 10 − 8 0.15
煤层 1400年 1.04 0.51 25.0 2.00 0.50 2。0 × 10 − 13 0.10
Mudstone1 2020年 8.80 4.30 25.0 5.00 0.90 3.0 × 10 − 10 0.25
Sandstone1 2436年 16.50 10.00 31.4 6.12 1.90 7.0 × 10 − 10 0.22
Mudstone2 2364年 9.00 5.00 33.1 2.75 1.30 3.0 × 10 − 10 0.25
Sandstone2 2621年 16.80 10.00 33.6 7.60 1.76 7.0 × 10 − 10 0.19
Mudstone3 2537年 8.00 7.00 34.8 4.42 1.77 3.0 × 10 − 10 0.24

考虑到边界效应,切割孔距的右边界200模型。在数值模型中,煤层厚度是5米,矿业是40米,每一步的长度和采矿计划是一个完整的挖掘高度。数值模型停止采矿在最后一步,当屋顶输水断裂带与承压含水层,突水事故发生。这时,采空区的水平距离是440米,和开采范围 x = 260年 ~ 700年 m。奥陶系灰岩含水层的水平范围是0 ~ 100底部的模型和0 ~ 695 m模型的顶部。在数值计算过程中,模型计算应力场和渗流场的平衡每个挖掘步骤,直到发生突水。

 4所示。分析仿真结果 4.1。塑料带的发展特点

模型挖掘后,采空区上方的岩层受到拉伸和剪切失败,和塑性区逐渐向上发展矿业距离的增加,如图 5。在采矿过程中,开采后第十一步,剪切破坏发生在断裂带附近的水平高度200 ~ 235年DF200断层的下盘。与岩石高度数值模型相比,这一水平是泥岩软硬岩接触面附近的3和砂岩2。这时,断裂带附近的塑性区并不是与采空区上方的断裂带。十一挖掘步骤后,塑性区进一步发展和骨折相连的两个部分。因此,屋顶突水事故发生在第十一矿业的一步。

在矿区塑性区发展规律。

矿业3步骤

矿业9步骤

矿业10步

矿业11个步骤

根据试验的钻井数据采矿工作面在矿区东部第一,当推120工作面时,测量水裂缝带的高度是42.50米。如图 5(一个)第三步开采,采空区的范围是120米,最大塑性区是45米的高度。因此,发展高度的塑性区采场通过数值模拟接近实际的发展高度。

 4.2。充分开采后上覆岩层压力的分布特征

的横坐标DF200故障记录 X DF 200年 。 X DF 200年 变化在不同的水平高度。根据模型坐标系(图 2)和采空区范围,如果 X DF 200年 < 260年 m,它表明,断层位于采空区的前面。如果 260年 米 < X DF 200年 < 695年 米 ,采空区上方的错。如图 6在矿区,垂直应力的分布特点可以概括如下。

充分挖掘模型之后,错在采空区面前时,有两个在采空区应力集中分,位于断层的位置和停止采矿位置,分别如图 6(一)和 6 (b)。在这种情况下,对采空区上覆岩层的垂直应力分布是u形附近。错采空区上方时,应力集中在错,只是和上覆岩层的垂直应力分布水平高度类似于w型,如图 6 (c)和 6 (d)

覆岩层的远离煤层的水平高度 z = One hundred. 米, z = 200年 m, z = 300年 米为例,垂直应力值的断层的下盘显然比的上墙的错。这是由于故障屏障影响压力转移,这与以前的研究结果是一致的。然而,对于煤层附近的地层,采取的水平高度 z = 7.5 米为例,上墙的垂直应力值的断层大于断层的下盘。这主要是受到承压含水层的水压力的影响

垂直应力分布特征。

Z = 7.5 米( X DF 200年 = 109年 米)

Z = One hundred. 米( X DF 200年 = 219年 米)

Z = 200年 米( X DF 200年 = 338年 米)

Z = 300年 米( X DF 200年 = 458年 米)

不同于上面的垂直压力的减少开采后采空区模型,采场的水平应力增加。从图可以看出 7采空区上方的水平应力的变化逐渐随岩层埋深的减小而减小。这表明之间的垂直距离的增加岩层和煤层开采的影响效应的变化水平应力逐渐减小。当岩层和煤层之间的垂直距离是远,水平应力的分布特征主要受地质构造的影响。基于垂直应力和水平应力的变化特点在采场中,可以看出垂直应力和水平应力的变化从前面的采空区下盘DF200断层明显比的上墙的错,指示故障的传播起着屏障作用的压力。

等值线图充分挖掘后的压力变化(单位:Pa)。

等值线图的垂直应力变化后完整的矿业(单位:Pa)

等值线图的水平应力变化后充分挖掘(单位:Pa)

 4.3。承压含水层孔隙水压力的变化

如图 8、承压含水层水压保持层状分布特征的早期阶段采矿和增加逐渐与工作面推进。第六挖掘步骤后,高水压力区形式的高度范围25 ~ 125 m在承压含水层断裂带附近。与前5 ~ 6.5 MPa模型挖掘相比,这个地区的孔隙水压力增加到8 ~ 9 MPa矿业甚至第六步后10 ~ 18 MPa十一后一步。第九挖掘步骤后,低水压区形式在承压含水层的高度范围275 ~ 325在断裂带附近。孔隙水压力的面积是3 ~ 4 MPa在挖掘之前,减少为2 ~ 2.5 MPa第九步后的挖掘。与工作面推进,低水压区域的范围进一步扩大。

承压含水层孔隙水压力的变化与矿业的距离(单位:Pa)。

在矿业

矿业6步骤

矿业9步骤

矿业11个步骤

如图 8充分挖掘后,低水压区域的范围扩展到160 ~ 340米,和水压力的变化是0.5 ~ 1.5 MPa。在这个地区,165 ~ 240的范围是低水压核心区域,和水压力的减少在这方面是1 ~ 1.5 mpa。在采矿的过程模型,六孔隙水压力设置监视点。他们的位置和坐标图所示 9和表 2,分别。其中,点,点,点C和D点孔隙水压力监测断层带附近的点在不同的水平高度,点B、E, F点三孔隙水压力监测分不同水平距离故障在同一水平高度。如图 10孔隙水压力的变化规律,监视点与矿业步骤可以概括如下。

孔隙水压力的监测点底部的承压含水层(点)增加明显随着矿业距离的增加。上的孔隙水压力监测的承压含水层(D)没有显著变化的过程中挖掘模型。的孔隙水压力监测在承压含水层水压降低核心区域(B点)开始下降后塑性区生成在断裂带附近。当发生突水事故时,B点的孔隙水压力进一步降低和减少范围大于在突水。C点的孔隙水压力,水压降低地区减少但之外的核心区域,继续增加塑料断层附近发生故障和降低时突水的时刻

以223米水平高度为例,E点的孔隙水压力继续增加开采距离的增加由于远离断层,和B点的孔隙水压力和F开始减少塑料失败后由于接近出错。它表明,剪切破坏区附近的开采造成的故障效应,靠近断层,孔隙水压力的减少在同一水平高度

轮廓充分挖掘后的孔隙水压力变化(单位:Pa)。

孔隙水压力监测的坐标点。

孔隙水压力监测 x 协调(m) y 协调(m) z 协调(m) x 错在这个层次上的协调(米)
一个 156年 5 48 157.20
B 364年 5 223年 365.76
C 516年 5 350年 517.11
D 575年 5 400年 576.70
E 50 5 223年 365.76
F 200年 5 223年 365.76

孔隙水压力的变化监测分与矿业的步骤。

 4.4。上覆岩层故障特征对孔隙水压力分布的影响

根据发展特点的塑性区采场上覆岩层压力的变化规律和在承压含水层孔隙水压力,可以看出顶板突水的本质研究地区煤炭开采造成的逆断层的下盘,硬摇滚的接口和软岩断层带附近的断裂强度较低,这有利于裂缝的发展和扩张,容易受到剪切破坏。当断层带附近的塑性区与水进行煤层顶板断裂带,顶板突水事故发生。

开采的工作面沿逆断层造成剪切破坏面在约90米的范围。在断层剪切破坏区,通透性增加,导致减少压力的形成区域承压含水层。在早期阶段形成的水压力减少,断裂带附近的塑性区不与水进行煤层顶板断裂带,屋顶和突水尚未发生。这时,水压还原带的范围很小。与工作面推进,断裂带附近的塑性区发展不断,和水压力减少的范围区域扩张。此刻突水,孔隙水压力值的水压力减少面积进一步减少,和减少范围大于突水。水压力的核心面积减少在一定区域形成接近的错,和水压力的下降很大。因此,孔隙水压力的减少范围可以作为预警指数突水事故。

 5。结论

基于工程地质和水文地质条件的分析,挖掘水文地质和工程地质模型建立了研究区第一。这时,一个数值模型考虑渗流场和应力场的耦合效应是通过应用FLAC3D软件建立。数值模拟表明,在承压含水层孔隙水压力的变化特征和影响上覆岩层压力开采效果和地质构造和密切相关的剪切破坏采矿造成的逆断层平面效果,在采场覆岩的破坏特征。

由于断层的屏蔽效应,应力变化的断层的下盘显然比的上墙断层断裂带附近。与埋深的减小,压力和孔隙水压力的变化在承压含水层逐渐减少,这表明与岩石和煤层之间的垂直距离的增加,开采的影响影响上覆岩层压力和孔隙水压力逐渐降低。

断层附近的孔隙水压力降低剪切断裂带和形式在承压含水层水压还原区。随着工作面推进,塑性区继续开发和水压还原带的范围扩大到顶板突水。即时的突水、减少孔隙水压力进一步增加。因此,孔隙水压力的减少范围可以被用作一个突水事故的预警指标。这些新的理解参考价值的矿业突水的共同作用下逆断层和承压含水层,并建立相应的预测和预警系统。

 数据可用性

数据支持本研究的结果都包含在这篇文章,可从相应的作者的请求。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项工作是支持的中国安徽教育部自然科学基金批准号下KJ2018A0100和自然科学基金会中国安徽科技主管部门批准号1908085 qe248。

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