文摘

大同矿区是一个典型的双系统煤层矿区在中国,同时在侏罗系和石炭系煤层开采。上侏罗纪煤层主要开采,留下了大量的采空区。此外,大量的有害的水是累积的。与3 - 5 #特厚煤层的开采石炭系系统,上覆岩层破坏的范围大大增加,矿业断裂领域进一步发展。一旦骨折程度与上覆采空区,很容易引起排水灾难。的采矿地质条件在同心煤矿8202工作面引用,排水的灾难性的机制在采场上方的废弃采空区开采特厚煤层研究通过数值模拟与数值模拟软件,并得到了研究结果。水在上覆采空区渗流通过骨折程度更高的关键层形成一个“淋浴”渗流模式。水在上面吐唾沫收敛的关键裂缝通道,流入工作面。高关键层的渗流在骨折经历的过程增加,减少,和稳定,与高关键层之间的拉伸和挤压变形块。与其他骨折相比,流率在2号和4号骨折远场关键躺更大,因为骨折处于紧张状态,形成了“鞍”流模式。 The influencing distance of mining-induced seepage is about 80 m in front of the working face. The research results provide a guided reference for the prediction and prevention of water discharge disaster in an abandoned gob above the stope in a mining extra-thick coal seam.

1。介绍

大同煤炭矿区煤层是一个典型的双元制在中国,同时在侏罗系和石炭系煤层开采(1,2]。目前,侏罗纪煤炭开采几乎完成,和石炭系3 - 5 #特厚煤层的关键是侗矿山开采区域[3,4]。采空区有害水来自降雨,河流,和上覆含水层。3 - 5 #特厚煤层的开采厚度是14到20米,这就增加了上覆岩层破坏高度和裂缝发展高度(5,6]。当裂缝在表土与上侏罗纪煤层的开采采空区,采空区的积水被释放的工作面石炭系3 - 5 #特厚煤层,岩层采动裂隙通道通过,导致排水灾难(7- - - - - -9]。因此,准确地把握具有重要意义的灾难性的机制在采场上方的废弃采空区排水开采特厚煤层,为预防和控制提供参考排水的灾难。

重要研究在废弃采空区排水的灾难性的机制已经被国内外学者进行。孟(10)确定裂纹连接在上面的覆岩煤层开采双系统,双系统在大同矿区煤层开采为工程背景。杜et al。11)开发了多孔介质两相水沙流测试系统,研究了砂的影响,粒子大小的破碎岩体,多孔介质的孔隙水沙侵入灾难。杨et al。12)建立了一个三场耦合的非线性流模型基于流的翻译,从含水层中层流到湍流流动的隧道,在这个过程中突水倒塌的支柱。桔多琪et al。13)的研究进展总结水进行了采动带的演化规律在表土,water-preserved矿业对策或解决方案,根据理论和实践在中国water-preserved煤矿在水中。侯et al。14]分析了突水规律与影响因素,建立一个实验平台,进行突水实验,建立了突水预测方法从地面裂缝。张(15]阐述了概念、技术原理,并详细治水煤炭开采技术的关键技术和解决问题的大型煤炭资源损失造成的不同类型的防水煤柱技术在煤矿传统的水体。杨et al。16)建立了上覆岩层组合轴承结构模型和研究基岩裂隙的发生机制传导造成工作面和含有松层降低了最高压缩帧的工作面。Zhang et al。17]分析了极限平衡条件的水和沙子爆裂骨折通过砂体侵入在骨折的力学模型并进行了仿真实验的水和沙子爆裂骨折在不同初始压力。

很明显,研究成果的取得了煤矿突水灾害系统(18- - - - - -20.]。然而,灾难性的排水机理上的研究在一个废弃采空区上方的采场开采特厚煤层(煤层厚度大于8米)已经很少执行。此外,矿业骨折在8202工作面在大同矿区有别于传统的开采情况,因为3 - 5 #特厚煤层的开采厚度是14到20米(21,22]。基于采矿地质条件在8202工作面侗大同矿区的矿井排水的灾难性的机制在一个废弃采空区上方的采场开采特厚煤层在本文中,研究了通过数值模拟与模拟数值计算软件。这项研究提供了一个理论依据排水灾害的预测和预防一个废弃采空区开采特厚煤层采场上方。

2。排水灾难的数值计算模型

模拟(通用离散单元代码)是数值计算程序基于离散单元法的理论(23,24]。根据矿8202工作面地质条件的侗煤矿的开采高度上侏罗纪14 #煤是4米,而较低的石炭系3 - 5 #煤层是15米;除此之外,两个煤层之间的平均距离是160米,和3 - 5 #煤层的埋深480米。数值计算的关键是研究之间的关系断裂的关键层和渗流场的演化规律与3 - 5 #煤层的开采。数值计算模型的长度是500米,194米的高度,和开采深度488米。数值模型如图1。

双方的边界条件是速度边界条件,水平方向上是固定的,和底部边界模型的固定在垂直方向。此外,垂直压力上限为8.6 MPa,转换后的表土上模型的一部分。两个模型的侧面和底部设置为不透水边界,也就是说,没有水的供应,但渗透压力可以在这个边界进行交换。模型的顶部有一个免费的边界,可以提供从顶部根据水压的变化。当14 #煤层开采,应用液压边界固定的水压力。后3 - 5 #煤层的开采,采空区的水压力设置为零。有害的水进入空间时,压力设置为零。另外,岩体的物理参数如表所示1关节的渗流力学参数如表所示2。的数值计算的数据表1和2得到的岩石力学实验。

因此,数值计算方案确定。在数值计算中,14 #煤层首先开采,开采宽度为300米,100根柱子两边消除边界效应。3 - 5 #煤层的开采宽度是300米,每一步都有15米,当14 #煤层的开采结束后,和上覆岩层断裂和渗流场的发展规律进行了分析。

3所示。时空演化规律排水灾难

14 #煤层开采后,上覆岩层的水压力分布在初始平衡如图2,当采空区的水压力为0.1 MPa开采前的14 #煤层。指出围岩孔隙压力的中间的开采采空区较大,在两端较小。关键层是指地层控制整个或部分上覆岩层运动的上覆岩层表面(25]。

当8202年3 - 5 #煤层工作面发展到30 m,初始屈服发生直接的屋顶,横向裂缝顶部图层1快速开发的关键。关键层的孔隙压力在前3层)(远场关键是最大值0.3183 MPa。屋顶的最大孔隙压力在未开发的区域3 - 5 #煤层为0.2929 MPa,如图3。从流速分布的角度,水流在地上两端是最大的,最高为0.78米³/ s,因为两端14 #煤矿采空区的最大裂缝深度和骨折开放程度。它坐落在1 m以下地板两端,和外面的流1 m以下地板滴 很快,一个伟大的大小的变化。与此同时,它也指出,预制主要关节的关键第三层(远关键层)也有渗漏现象,但流量 ,极低的渗流量。此外,屋顶上的最大流量的3 - 5 #煤层 ,和它位于7 m直接屋顶,这是来自于极低渗流通过主断裂,产生如图4。根据流速度矢量分布的初始屈服直接屋顶,流动不仅射向下沿纵向裂缝,还沿着横向裂缝渗流,和流融合或分离发生在一个节点,如图5。

当8202年3 - 5 #煤层工作面进步到90米,关键层1的初始屈服发生。因为图层1的关键是22 m远离3 - 5 #煤层的顶板岩层不能形成一个稳定的结构,所以它与旋转不稳定和崩溃到采空区成为屈服区。关键层之间的距离1和2层的关键是只有6米。上覆岩层移动变形引起的裂缝的关键层1产生重大影响的关键层2和它的上层,导致明显的纵向和横向骨折2层的关键。与此同时,由于关键层的破损1,矿区的最大孔隙压力增加到0.3909 MPa,如图6。流分布关键层1的初始屈服。骨折在上面的表土中关键层1进一步发展,在采空区和水向下渗透通过主要骨折在关键的第三层(远场关键层)在小流量和进入工作面临的主要渗流通道。关键的第三层的流量(远场关键层)增加 ,和最大流量的工作面 ,这就增加了近10倍,如图7。根据流动速度矢量分布的初始屈服关键层1,如图8,水在远场主要关节的关键层渗流现象开始出现,随着增加第三层裂缝张开度的关键。此外,渗水的现象在岩层中更明显的主要联合大开口,渗水是集中在采空区。

当8202年3 - 5 #煤层工作面进步到120米,关键层2的初始屈服发生。因为2层的关键是37 m远离3 - 5 #煤层的顶板,岩层不能形成一个稳定的结构,所以这洞穴到采空区,成为屈服区。关键层2,破碎后的拉伸断裂出现在关键层的下部3(远场关键层)以上中央采空区的位置和关键层的上部3远离采矿中心。同时,顶部的最大孔隙压力的关键层3下降到0.3174 MPa,而煤层的孔隙压力在未开发的区域增加到0.4283 MPa,如图9。流分布的初始屈服关键层获得2图10;水渗流的1号断裂在远场关键层 ,第二大裂缝渗流 ,3号裂缝渗流 ,第四裂缝渗流 ,和世界第五大裂缝渗流 。第一和第四骨折中的渗流流动大于2号和3号骨折,提前受开采影响。此时,最大流量在8202工作面 。流速度矢量分布的初始屈服关键层获得2图11。水流速度的增加远场关键层,随着裂缝张开度的增加,和水渗流流动作为“淋浴”的形式。“淋浴”渗流模式下的蓝线远场图的关键层10。此外,有水流沿着纵向裂缝和横向裂缝,和整体流向最终渗透的主要断裂通道在8202工作面采空区。

当8202年3 - 5 #煤层工作面进步到180米,关键的第三层的初始屈服(远场关键层)发生,和关键层3拱的稳定结构形式。破碎后的岩层,中间部分的上部岩层在压缩状态,和骨折出现在层间混乱的状态。的两个夹头拱在关键的第三层拉伸断裂,这是关键渠道水流到工作面。除此之外,最大的孔隙压力关键第三层的顶部稍微减少到0.3159 MPa,而煤层的孔隙压力在未开发的区域增加到0.4631 MPa,如图12。流分布的初始屈服关键第三层如图13。水渗流的1号断裂在远场关键层 ,第二大裂缝渗流到达 ,3号裂缝渗流到达 ,第四裂缝渗流到达 ,和世界第五大裂缝渗流 。与此同时,在8202工作面最大流量 。

很明显,采动裂隙的发展经历的几个州“small-expansion-peak-closure-stable”的8202工作面。1号断裂位于采场的外面,所以断裂发展在整个生产过程中处于开放状态。2号断裂位于20米内切孔,及其渗流速度最大,形成永久的骨折。此外,岩层采动渗流的影响距离约80在工作面前,和渗流稳定区域的范围大约是165米- 265米在采空区的后面。

裂缝流分布曲线在关键层3是获得图14。3号断裂位于中心位置的关键的第三层,上部是压缩状态,这是困难的水在上面的采空区的渗流;因此,3号断裂的流量更小。与其他骨折相比,2号和4号骨折的流量更大,因为骨折处于紧张状态,形成了“鞍”流模式。

4所示。结论

(1)当8202年3 - 5 #煤层工作面进步到90米,关键层1的初始屈服发生时,岩层不能形成一个稳定的结构,采空区坍塌。水在上覆采空区渗流通过骨折在较高的关键层形成一个“淋浴”渗流模式。水在上面吐唾沫收敛的关键裂缝通道,然后流入工作面(2)当8202年3 - 5 #煤层工作面进步到120米,关键层2的初始屈服发生时,和岩石层不能形成稳定的结构。高的裂缝渗流关键层经历的过程增加,减少,稳定,与高关键层之间的拉伸和挤压变形块工作面推进过程中(3)当8202年3 - 5 #煤层工作面进步到180米,关键的第三层的初始屈服发生时,和关键层3拱的稳定结构形式。采动渗流影响的距离大约是80在工作面前,和渗流稳定区域的范围大约是165米- 265米在采空区的后面。与其他骨折相比,2号和4号骨折的流速大,形成了“鞍”流模式

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(52004082)、河南省自然科学基金(202300410170)的基础高等教育重点研究项目通过河南省(18 a440012),河南理工大学的博士项目基础(B2021-57),河南大学的基础研究基金(NSFRF200302),河南省的博士后研究项目,科技开发项目由河南省煤矿安全生产(HN19-59),河南省的虚拟仿真实验教学项目,和教育教学改革的研究与实践项目河南理工大学(2019 jg074)。