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厚煤层开采覆岩破坏规律及粘土隔水层采动失稳机理研究

刘世奇  
【摘要】:我国水体下压煤严重,厚松散层薄基岩地质条件下高强度开采的防治水技术难题制约着我国东部矿区诸多煤矿的采掘规划;伴随着厚甚至巨厚煤层开采技术的不断成熟,我国西部矿区保水开采也将面临新的技术难题,急需相关理论突破。采动覆岩破坏高度预计和隔水层的失稳评判是近水体下采煤的两个关键技术点,本论文针对我国厚煤层一次采全厚(包括放顶煤开采和大采高开采)覆岩破坏规律并无统一结论的事实,以及针对我国东部矿区深厚松散层底部普遍存在的粘土隔水层的研究空白开展了系统性研究。利用相似模拟、数值模拟、现场实测和室内试验等研究手段,运用统计学、灰色理论、突变理论、力学、采矿学和地质沉陷学等相关学科的理论研究方法,归纳了厚煤层一次采全厚覆岩破坏高度预计公式,提出了采动影响粘土层隔水性失稳定量判据,并把研究成果应用到了姚桥煤矿新东四采区微山湖下薄基岩浅埋煤层的开采实践中。论文主要研究内容和结论如下:(1)补充和完善了覆岩破坏高度预计公式和理论。(1)根据152组实测数据归纳了适用于综采放顶煤开采、大采高开采的厚煤层(采厚M3m)开采“两带”经验公式,提出了与其相应的保护层厚度的留设方法,从而形成了厚煤层开采的安全煤岩柱的留设方法。(2)提出了近距离煤层组下组煤开采综合采厚和“两带”高度计算的新方法:综合采厚一般采用计算,在极近距离煤层组(0≤h≤M)上、下煤层开采时间间隔半年以内的条件下,综合采厚采用(54)=∑4)计算;当第i层煤开采后,最终所取“两带”高度(8)/7)4))4)为顶层煤层到第i层煤各煤层开采后“两带”高度发育标高最高者。(3)对大屯矿区近距离煤层组下组煤(8煤)在7煤采空区下开采覆岩破坏高度进行了实测:姚桥煤矿8503工作面采厚2.5m的垮落带高度16.5m,徐庄煤矿8172综放工作面采厚4.49m的导水裂缝带高度84.74m。(4)综放开采与大采高开采覆岩破坏高度规律并无明显差异;随着采厚的增加,“两带”高度增加趋势并不完全符合分数函数式的增长方式,尤其是垮落带高度与采厚趋势线更接近于线性规律;开采厚度和开采方法是覆岩破坏高度的主控影响因素,因此根据覆岩类型和采煤方法,仅以采厚M为唯一变量的“两带”高度计算公式符合统计学原理,且便于应用。(5)根据覆岩原生裂隙和采场顶板应力的重新分布规律,“两带”发育高度应为“马鞍“形态。目前许多学者根据相似模拟提出的“拱形”形态观点是错误的,原因是后者实验过程中完整坚硬“岩层”与工程实际中存在裂隙弱面的岩体相悖。(2)研究了薄基岩粘-岩复合结构采动协同变形和力学传递规律,分析了粘土层失稳机理(1)相似模拟实验表明在下沉盆地滑移面与粘土层的接触面容易形成离层或断裂空隙,此时粘土层受剪切、拉伸失稳可能性大;采用灰色理论分析了离层、断裂空隙△W形成的影响因素显著性为:水平移动倾斜水平变形间距曲率断层下沉量,由于模型实验的局限性忽略和弱化了采厚M和断层的显著性影响程度。(2)薄基岩顶板为“全软覆岩”顶板类型,一般不存在关键层。无论是岩层的滑落失稳还是变形失稳,在粘-岩接触面的岩层断裂处,粘土层中形成集中应力,集中应力容易造成粘土层的隔水性失稳,为保证粘土层不发生剪切破断而造成连续性破坏,作为稳定隔水层的粘土层厚度应不小于1倍采厚M(即△W的最大厚度)。(3)建立了静力载荷下粘-岩结构折叠突变模型,突变理论分析认为:粘土层突变失稳与粘土层和对其作用的岩层的切变模量和厚度有关,在准静态状态下粘土的切变模量越大,厚度越薄时,粘土层发生突变失稳的可能性越大;而当粘土厚度接近甚至大于对其作用的岩层,切变模量较小时,粘土层不会发生突变失稳,而是以蠕变方式缓慢失稳。采动过程中基岩对于粘土的动载荷作用增加了粘土层突变失稳的概率。(3)与浅表粘土相比,深埋粘土(埋深70m)密度增大,孔隙度和含水量降低,但其力学参数并无明显变化。粘土的液性指数随着埋深的增大有明显下降的趋势,当埋深超过一定范围后(不同矿区数据不同,海孜矿的埋深约80 m,兴隆庄矿的埋深约70 m),粘土的液性指数基本降为0,粘土为硬塑甚至半固态,这种状态的粘土层隔水性良好。(4)受采动影响,第四系松散层内部各地层普遍存在少量水平移动。水平移动方向随机,且移动量随与开采煤层距离的减小而增大;受采动影响,松散层内部含水层整体表现为压缩变形,隔水层整体表现为膨胀变形。采动裂隙导致含水层疏水降压引起有效应力增大是含水沙层压缩的主要原因;粘土中的蒙脱石水化膨胀作用是隔水层遇水后膨胀的主要原因。略去上覆地层对粘土层造成的小量水平应变,可采用概率积分法的地层移动变形参量对粘土层的移动变形进行预计。(5)建立了采场顶板流固耦合数值计算模型,模型表明:采场顶板应力场的重新分布和岩土层的移动破坏导致岩土的物理化学性质的改变,从而引起渗流场变化;粘土层隔水性能并非因为其完整性的破坏而发生突变,而是存在一个渐变的前奏,且有一定的“自我恢复功能”;裂隙的不断发展和特定开采、地质条件下粘土层隔水特性之间的“博弈”结果决定了最终渗流场状态。(6)提出了采动变形粘土层隔水性定量判别准则(1)地层的移动变形引起粘土层的剪切、拉伸和弯曲变形甚至是破坏,为此专门研发了粘土极限变形实验成套装置,对6个矿区10种粘土试样进行了极限变形实验。实验表明:粘土层隔水能力随变形的增加存在着以“突变节点”和“失去节点”为界的三个阶段:保持段、下降段和失去段;“突变节点”的拉厚比λL为0.120,剪厚比λJ为0.105;“失去节点”拉厚比λL为0.156,剪厚比λJ为0.135。(2)结合粘土层极限变形实验成果和地层移动变形参量构建了以、(6、(7和四个指标形成的粘土层隔水性定量判别准则,根据判别准则将粘土隔水性划分为3个状态:a.隔水性保持:b.隔水性下降:c.隔水性失去:(7)将微观扫描和数字图像处理技术应用于粘土变形渗透性变化机理研究。通过对粘土试样变形前后孔隙度变化对比分析可知:粘土层隔水性失去的过程,本质上是新生裂隙的增生和原生裂隙的扩展;不同性质粘土在受到变形后其裂隙度增加方式不同,一般高粘度粘土偏重于原生裂缝的扩展,而粘度低的粘土原生裂缝扩展与新生裂缝增生并行。(8)利用覆岩破坏高度预计公式及粘土层隔水性定量判据对姚桥煤矿新东四采区进行了工程应用和论证。应用表明,综放“两带”公式对姚桥煤矿新东四采区7、8煤覆岩破坏高度的预计结果符合江苏省经信委对姚桥煤矿新东四采区7、8煤开采上限的批复内容:7煤开采综放全厚开采防砂煤岩柱的开采标高为-157m,岩柱28m;只采底分层(采高2.5m)的开采上限标高为-135m,岩柱15m。8煤开采在孔H43附近及FW3断层东部区域采全厚开采上限-173m,岩柱75m;其他区域全厚开采上限为-140m,岩柱42m;限厚2.5m开采上限为-135m,岩柱37m;姚桥煤矿新东四采区松散层粘土隔水层受采动变形后AL、AJa、AJb和AW四个指标均小于粘土层隔水性失去极限,粘土层仍然具有良好的隔水性,能够实现微山湖大型水体下安全采煤。


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