文摘
高压和富含水分承压含水层发生在奥陶系石灰岩序列构成了巨大威胁的常规生产地下长壁开采。考虑采矿扰动和水压力的强烈的合作,输水骨折内煤层地板可以连接较低含水层上部采空区,这液压行为被认为是突水灾害的根源和水损失或污染。在这篇文章中,该小组4301年的龙泉煤矿作为案例小组紧密合作水压高的地板之上。物理和数值模拟相结合的方法,裂缝发展和体积应变的变化特征层岩石受开采扰动进行了分析。数值计算模型是构造基于体积strain-permeability曲线拟合得到的方程,在这样的基础上,不同开采参数对层岩石渗透率的影响进行了研究。结果表明,层岩石断裂代经验,扩展和融合过程workface沿纵向方向进步,和骨折出现在前面的workface更发达。在整个生产过程中煤层开采,体积应变概要展览”Λ“形状和前后倒置的马鞍形状覆岩崩溃。通过控制单一变量,揭示板高度是影响层渗透率变化大于面板长度和面板宽度。
1。介绍
煤炭资源在中国经济发展中起着重要的作用,和煤矿在中国北方导致总产出的90%。煤矿的安全生产在这样一个广泛的领域吸引了太多的关注1,2]。然而,在基地楼北煤田存在奥陶系岩溶含水层,并因为它的高压力和水丰富,地下水污染损失或甚至我洪水灾难可能发生只要采动液压桥的直接渠道,在奥陶系石灰岩含水层。长期和大规模的煤炭资源开发引发大量煤层地板和承压含水层之间的骨折。这样的连接骨折可以大大影响地下水均衡,此外,水资源的损失可能会影响地下流态和产生不可逆转的生态恶化3- - - - - -5]。目前,大量的产煤企业离开传统模式和转换绿色和water-conserved矿业模式。在这种背景下,研究变形,失败,和液压特性变化的煤层楼上一个高度承压含水层具有重要意义提供最好的华北water-conserved采矿实践。
近年来,长壁板的破坏机理楼上一个承压含水层引起了极大的关注6- - - - - -9]。例如,刘等人。10)进行数学模型来描述的故障计算倾斜煤层底板承压水之上,失败后深度挖掘基于半无限元素理论。陆和王11]表明,岩体破碎与采空区扩大可能会经历三个步骤,其中包括轻微骨折开始第一步,裂缝扩展第二,并通过整个岩体裂缝延伸的第三。通过物理和数值模拟方法,胡锦涛et al。(12]研究煤层地板的拖延行为失败的耦合效应下承压水和连接开裂的政权。梁等。13]分析了煤层底板采动影响下的应力再分配失败和不均匀压力引起的承压水;通过建立二维水力模型和关键层稳定性模型,失败的理论概要和稳定的地区倾斜的地板上。与故障相关的此类研究主要煤层地板受到深度低水压或岩体裂缝传播的状况。事实上,对于密切的情况下长壁板是位于高承压含水层之上,它是更具挑战性的较大的水压力,高在勘探区,和更大的风险workface突水。所以考虑安全的长壁板暴露在这种极端情况下,重要的是要理解煤层地板变形和破坏机制。
目前,许多学者通过实验获得各种strain-permeability曲线(14- - - - - -18]。然而,这样的研究主要是基于小规模的岩石样本,对于那些情况下采矿作业工作高度承压含水层之上,整个地板面板应考虑在一起。在这种背景下,挖掘参数是关键因素层渗透率的提高。事实上,在这一领域的研究成果有限,大部分都是与上覆岩层岩石(而不是地板19- - - - - -21]。例如,拜会et al。22)研究了不同几何图形的长壁板如何影响上覆岩层的渗透性地层的数值建模和获得相应的渗透率的变化规律。直接应用这些法律是不喜欢这种煤层地板。因此,研究矿业参数影响层渗透率高承压含水层的情况下是必要的深层承压水的就地保护。
从water-conserved挖掘的角度,本文以小组4301年的龙泉煤矿地质背景。起初,面板层压裂和渗透率变异workface推进使用物理模型进行了研究。函数之间的体积应变与渗透率层岩石通过曲线拟合得到,这被认为是适用于龙泉煤矿的地质条件。然后,采用数值模拟的方法来评估板高度的影响,板宽度、长度和飞机地面渗透率。这样的作品可以作为参考分析煤层的渗透率变异楼上一个高度承压含水层。
2。地质概况
没有石灰石在龙泉煤田露头。由于厚覆层的存在,没有横向从大气降水和地表径流补给,水进入岩溶摇滚乐队来自大气降水的入渗通过西北西部和西南碳酸盐露头,其他来自泄漏充电在大混乱。结果,水流路径的一个重要扩展从南方和西北到东南的距离。同时,没有自然放电路径在这样一个领域,但只人工供水井可以考虑放电点。作为一个整体,奥陶系灰岩水从西向东和面板4301是唯一的蒸发的地区。的地板。4在龙泉煤矿煤层熊奥陶系灰岩突水系数0.036 ~ 0.097 MPa / m。煤田可分为7个地区,如图1。根据突水系数的临界值0.06 MPa / m,从图可以看出1(一)有突水风险4301年东北地区和面板。面板4301是720米长,250米宽,用提取煤层放顶煤开采过程方法与身高6.47米。面板的海拔范围从+ 525.2米+ 630.5米。受限制灰岩水在太原和奥陶系地层,板楼遭受高水压力4.97 ~ 6.29 MPa的自然状态。面板的岩性序列4301表现出图1 (b)。
(一)
(b)
3所示。变形和破坏特征
3.1。物理建模
为了了解煤层的应力状态和故障规则层受开采扰动和高水压力以及屈服和覆岩的运动行为,采用物理模拟方法来模拟分阶段开挖过程。构建物理模型,计算每个地层单位的各种参数通过相似理论。然后,采用自主研发的高压水模拟器。
根据相似理论的基本原理,相似的比例是100:1在几何,10:1,1.7:1大导热和170:1的弹性模量和强度。这样一个物理模型主要由砂、石灰、石膏和纯净水。详细的内容和比例的每个列出成分表1。
基于平面物理模型实验平台,2500毫米,2200毫米,和30毫米长度、高度、厚度,分别建立了。该模型模拟226米厚的岩性序列,和上面的375米厚的地层地球表面不是模仿,而是模拟148 kN压力使用重力加载设备,如图2。因此,按照垂直地应力梯度,采用148 kN模拟重力。实际workface进步的速度6 m / d,并根据相似理论关于几何和时间,物理模型提取高度是6厘米,和每个开挖6厘米间隔时间执行每2.4 h。另一方面,一个30厘米长的煤层保留双方消除边界效应引起的负面影响。物理模型配置如图2。同时,一套自主研发的弹簧安装在面板层模拟高压受承压水。春天集团的每个单元由两个铁盘子通过两个弹簧连接,和盘子都是30厘米,10厘米,1厘米的长度,宽度,厚度,分别。根据胡克定律和相似理论,强调在煤层地板提供的弹簧组应达到6 MPa之前模型建设。
3.2。地板裂缝发展
板楼经历复杂的装卸过程由于采矿作业。积累和释放能量后,岩体裂缝和各种骨折与不同的维度。这样的小二次骨折将延长和扩大受开采扰动,然后往往收敛后上覆岩层崩溃。从图可以看出3(一个)workface进步36米,小规模层面分离形成,与此同时,这种分离5 m沿纵向延伸方向与垂直裂缝达到0.1年开放。在采空区的中间,有两个小垂直裂缝,而眼前的屋顶仍然是稳定和地板裂缝发展深度达到6米。随着workface进一步的发展,屋顶发生故障和骨折形成面积逐渐缩小,因为重力的表土地层坍塌,如图3 (b)。
(一)
(b)
(c)
(d)
当骨折在中间的空白往往收敛,小说骨折前启动workface和垂直裂缝附近设置房间,深入和扩展约8米。在承压水区域,也有一些轻微的骨折与workface推进向上传播。102米长的煤层时发掘,如图3 (c)、地板裂缝达到它的最大深度,14.8米,和一些中间的空压实。图3 (d)显示面积可以分为三个区域从眼前的地板,包括断裂区,完整的防水区域,在勘探区。详细,断裂区就像倒置的马鞍,达到其最大深度横向肋骨下方的区域。采动裂隙workface前最大的发展程度和达到的最大深度,16 m在垂直方向。此外,封闭的厚度的输水区约为18米。
3.3。地板变形
研究膨胀变形的基础上可以实现表面而不是线的一种方法,即“四点周围区域。“膨胀变形比例决定以这种方式应当有更多的应用价值(23]。所以,根据“四点包围区”方法的公式,地板的体积应变计算不管物理模型厚度的影响模拟开采过程中体积应变。 在哪里是岩体的体积应变;煤层底板的面积在挖掘之前,一个恒定值;和地板的面积是煤层开采后。
随着采矿工作的发展,地面岩石在不同深度看到相似的体积应变的变化规律。因此,下面的层5米4 #煤层地板选择并详细分析了其体积应变。在图列出相关数据4。
workface进步36 m时,岩体开幕式背后10米是压缩由于支承压力的影响和显示体积应变下降,最低-0.00085。层岩石相似的影响也可以证明了前面11 m范围内workface,额支承压力使得这样的岩石压缩变形和体积应变降低至-0.00131。目前,并没有倒塌,顶板岩层的层地层下采空区压力卸荷状态。考虑到张力效应,岩体体积应变的增加,峰值为0.00226。可以看出,膨胀变形比例配置面板的地板是“Λ”形状。然后,最大体积应变达到0.00241,最低达到-0.00168 workface进步72米,在地板上岩石开采面板的中间经历轻微下降,体积应变由于媒体逐渐压实的崩溃。144米长的煤层时发掘,最大体积应变变化为0.0192,最低-0.00149。膨胀变形比例概要文件显示,其峰值附近设置房间附近额低于肋,因为倒塌的表土的压实程度较高的设置房间面积。这样recompaction下降的岩石板楼达到平衡,和体积应变层的岩石中间的面板空白workface进步162时变得稳定。这里的最大体积应变仍分布在后面的面板空白7 ~ 9米额肋骨,值达到0.00236。相比之下,体积应变的煤层地板前8 ~ 10 m workface达到最低,-0.00134,膨胀变形延伸像倒置的马鞍。
4所示。矿业的影响参数对岩石渗透率
通过上述分析地板变形特性的物理模拟煤炭开采过程中,变形和破坏的原因引发地下水损失可以从地板上岩石渗透率的变化。事实上,更发达的骨折,体积应变与渗透率越高。为了研究不同开采参数的影响程度在地板上的岩石渗透率、三个几何因素对面板高度,长度和宽度的上下文中选择的4 #煤层龙泉煤矿。这样的调查结果有重大价值的支持理论引用到面板几何water-conserved开采条件下的设置。
4.1。体积Strain-Permeability曲线拟合
为了描述水力耦合下渗透率的变化,不同的学者有许多理论模型假设的基础上建立小弹性变形(24- - - - - -27]。然而,为了研究开采层的渗透率演化,一些学者将使用体积应变渗透率关系研究(28,29日]。风扇等人进行了一项试验研究弱胶结砂岩的渗透率,得到了弱胶结的岩石的体积应变与渗透率之间的关系(19]。同样,Yu et al。30.]研究了岩石样本的渗透率属性不同的应力路径和获得砂岩的曲线。其他曲线从华北石炭系岩石钻也得到夏et al。31日通过伺服渗透试验。不同的岩石样本的岩性特征及其相应的体积strain-permeability曲线如表所示2和图5,分别。
如前所述在表2,地板4 #煤层的龙泉煤矿主要由砂岩和可以看出研究的取样位置和地质时间层岩石在本文中有一个很好的协议与文献[29日]。因此,砂岩体积应变的曲线和渗透率得到夏等人是由于高斯函数,给出结果 在哪里渗透率和是体积应变,其他参数不变,有吗 , , ,和 。
4.2。数值模拟
通过应用FLAC3D软件建立的三维数值模型如图6(32]。模型是2000米、1500米和252米的长度,宽度和高度分别。顶部表面熊9.3 MPa的垂直压力,和底部有水6 MPa的压力。此外,底部和四个侧面部分的位移是固定的;这个数值模型与上述共享相同的地层序列构造物理模型。监控线放置5 m煤炭seam-rock楼以下接口收集地板岩石的体积应变变化。这个操作的目的是验证数值模型的适当性和合理性的体积应变指标。描述体积应变变化的曲线与煤层开挖图所示7。
(一)
(b)
(c)
获得的体积应变数值modelling-based计算三个挖掘时期相比,通过物理模型。结果表明,最大体积应变达到0.00241时,小组工作36米,最低达到-0.00155。在72的情况下,地板的体积应变在中间面板的空隙减少,而在肋面积最高,达到0.00231,下面这两个横向煤炭的身体是最低的,达到-0.00164。workface进步144米,最大和最小体积压力是0.0229和-0.00166,分别。一般来说,最大的差异比数值模型的物理模型只占6.6%,,两曲线有着相似的演化趋势,提出两种模型之间的协议。
公式(2)输入到应用FLAC3D软件研究的影响面板的高度,宽度,长度在地板上渗透率。根据4 #煤层的地质条件,面板高度是4米,6米,和8 m,分别与面板宽度250米,500米,750米和节间长度800米,1000米和1200米。有完全7仿真方案的方法,即单变量控制。这样的设计方案可以相互比较分析不同几何图形面板层渗透率的影响。测量线是安排5米以下煤层地板获得岩石的渗透率块质心位于这条线。最大值在计算渗透率是参与随后的比较。表列出了仿真方案3。
4.3。仿真结果分析
图8表明,当两个水平几何图形(节间长度和宽度)被认为是固定的,地板的最大渗透率岩石 在面板高度4米的情况下,这个值增加 然后在6米面板高度 在8米面板高度。可以看出,之间存在着正相关的最大渗透率层岩石和面板的高度。事实上,最小渗透率也看到同样的变化规律将减少的结果 来 和 与面板高度从4米和6米增加到8米。推测为同一水平几何图形,更大的面板高度层岩石上产生更强的降压效果。压实程度的倒塌表土上面板层变得更低,和渗透率较高的结果。
另一个场景如图9沿着一个梯度,面板宽度变化,但其他几何图形包括面板高度和长度是固定的。结果表明,最大层岩石的渗透率高面板宽度增大: 在250面板宽度, 在500面板宽度 在750面板宽度。然而,它对渗透率变化的影响是弱于上述分析因素,面板高度。有一个完全不同的现象的最小渗透率降低 在250面板宽度 然后在500面板宽度 在750面板宽度。其背后的原因符合节间长度在地板上渗透性的影响。
最后一个场景如图10;当两个几何图形关于面板高度和宽度是固定的,地板的最大渗透率岩石 800面板的长度。这个值增加到 然后在1000面板长度 在1200面板长度。一般来说,这种几何因子的影响仍然是弱于面板的高度。面板下面的压缩区域的最小渗透率空白演示了一个不同的趋势,与价值减少 来 和 。最低层岩石的渗透性降低的现象与节间长度的增长可以归因于倒塌表土的更广泛的范围,这使得压缩到面板层强,和地板渗透率合成的最小值低。
一般来说,三个几何因素包括面板高度,长度,宽度影响层渗透率不同的区段。比较结果表明,面板高度的影响程度最高,其次是节间长度和宽度。
5。结论
根据4301年关于面板龙泉煤矿中,本文建立了一个物理模型捕捉面板层故障特征。地板骨折经历的三个阶段包括初始化、传播、和收敛workface向前发展。两根肋骨见证最强的压裂行为,裂缝扩展到16米的深度。中间的裂缝发展中采空区由于屈服了岩石重新整合逐渐收敛。骨折区提供了一个反向马鞍形状的面积。
随着煤层开挖,地板岩石的体积应变经验decrease-increase-decrease序列。屋顶屈服之前,采空区的地板下面的岩石中间的最大体积应变;冒顶后,两个区域在一个8 - 10米距离两根肋骨展览最大体积应变。从体积应变概要更改Λ形状一个倒置的马鞍形状。
层岩石变形和破坏特征表明,地板骨折,越发达越高渗透率的地板上。本文调查小组高度的影响,节间长度,面板宽度在地板安装体积strain-permeability渗透率的方程。数值模拟结果表明,面板高度的影响程度居第一位,其次是节间长度和宽度。
数据可用性
这个手稿的数据是在实验室测试的煤炭资源安全开采的国家重点实验室,中国矿业大学和技术,提供给授权用户。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢龙泉山西煤矿的支持。这项工作是财政支持的国家自然科学基金(批准号51774268),山西省的重点研发项目(批准号20201101009),未来杰出人才的援助计划的中国矿业大学和技术(批准号2020 wljcrczl96)和江苏省研究生创新研究与实践项目。