导水裂隙带发育高度

导水裂隙带发育高度（精选7篇）

导水裂隙带发育高度 第1篇

1 导水裂隙带的空间形态

导水裂隙带发育高度影响因素众多, 主要包括:煤层开采厚度、顶板岩层的力学性质、覆岩的结构类型、采煤方法及采空区处理方法、开采深度和煤层倾角等。岩层破坏后形成的空间形态主要与煤层倾角有关, 研究一般认为[2,3]:

倾角为0°~35°的煤层, 垮落带的边界在采空区上方开采边界之内, 裂隙带两端边界超出开采边界, 中间较低, 两端较高, 呈“马鞍形”, 最高点位于采空区斜上方, 见图1 (a) 。

倾角为36°~54°的煤层, 由于倾角增大, 采空区上部垮落的岩石下滑充填采空区下部, 致使裂隙带的上部边缘增高, 其上部边界大体呈抛物线形状, 见图1 (b) 。

倾角为55°~90°的煤层, 垮落岩石滚动下滑加剧, 充填采空区下部空间, 限制了裂隙带下缘的发展。在采空区上部的边界煤柱悬空, 产生片帮、碎裂、抽冒, 使导水裂隙带上缘急剧向上发展, 大大超出采空区上边界, 呈耳形或上大下小的不对称拱形, 见图1 (c) 。

2 导水裂隙带高度的研究方法

根据研究方法原理的不同, 可以分为四大类, 确定性预测法, 统计学预测法, 非线性预测法和现场实测法。

(1) 确定性预测方法包括力学解析方法、数值模拟方法和相似材料模拟实验。

力学解析方法是把影响导水裂隙带发育的各个参数用确定的数值量表示, 分析煤层开采后覆岩变形移动破坏内在的力学机制及演化过程, 用明确的函数来严格表达导水裂隙带发育高度和各个影响参量之间的数学关系。

数值模拟方法的实质是将带有边界条件的常微分方程或偏微分方程离散为线形代数方程组, 利用适当的方法求解方程组, 获得基本的未知量。根据几何方程和物理方程, 求出研究范围内的所有未知量[4]。具体分析过程是:依据地层、覆岩结构等情况, 结合工程规模的大小, 附以边界条件, 建立数值模型。模拟煤层开采求解计算后进行应力及应变分析, 依据一定的界定准则, 确定导水裂隙带高度。

相似材料模拟实验是采用与原物理力学性质相似的材料, 按一定的几何相似常数缩制成实验模型进行相应目的研究的一种方法。建立煤层开采模型, 模拟开采过程中覆岩变形破坏, 进行导水裂隙带高度的观测研究[5]。

(2) 从数学的角度看, 导水裂隙带的发育高度问题是一个多变量的函数, 这些变量之间不相关。统计预测法是从以往调查统计获得的导水裂隙带发育高度的数据出发, 分析获得导水裂隙带发育高度与相关影响因素之间的统计规律, 对导水裂隙带形成过程的内在作用机理只是定性说明, 不用严格的数学表达。

(3) 20世纪70年代以来, 非线性科学开始发展, 至今方兴未艾, 成为研究复杂现实世界的有力工具, 出现了众多的非线性方法, 如分形理论, 灰色理论, 人工神经网络方法, 突变论等[6]。可以认为, 煤层开采后, 覆岩的变形破坏体系是一个开放系统, 具有确定性与随机性, 平衡与非平衡, 有序与无序等对立与统一的系统, 可以采用非线性科学中合适的理论进行研究。

(4) 现场实测法是通过钻孔或者地球物理方法, 利用仪器设备, 实际观测覆岩的破坏范围, 确定导水裂隙带的发育高度。

2.1 确定性预测方法

2.1.1 力学解析方法

刘治国利用覆岩的临界水平拉伸变形值确定导水裂隙带顶点位置, 得到导水裂隙带发育的最大高度[7]。刘同彬根据相似模拟实验, 推导了考虑开采深度、工作面长度、开采高度及覆岩结构特征等因素的导水裂隙带高度理论计算公式, 结合实例, 验证了公式的适用性[8]。施龙青基于采场顶板“上四带”理论, 推导了考虑采厚、采深、工作面跨度、岩石的力学性质、岩层的组合特征和含水层水压等因素的导水裂隙带理论计算公式, 并通过工程实例进行了验证[9]。王占盛和王连国等从不同岩性岩层破坏特征出发, 结合岩层承载能力、变形能力, 及采动中覆岩相关物理量的变化, 提出了一种预测导水裂隙带高度的计算模型, 通过现场实测与数值模拟验证, 效果良好[10,11]。许家林提出通过覆岩关键层位置来预测导水裂隙带高度的新方法[12]。王志强以关键层理论为基础, 提出划分采场导水裂隙带的新方法, 并用相似模拟实验、理论分析及现场实测等方法进行了验正[13,14]。刘腾飞分析了导水裂隙带高度与开采厚度、覆岩性质等因素的关系, 明确了导水裂缝高度与采厚的平方根存在正比关系[15]。

力学解析法的研究方法主要有:基于“关键层位置”的导水裂隙带高度确定;基于“上四带”理论的导水裂隙带高度确定和“变形分析法”确定。这些方法是基于材料力学或结构力学的基本理论, 对矿山特定条件下进行的力学简化分析。

2.1.2 数值模拟方法

桂和荣建立了“大采高FEM-NTA耦合模型”, 在淮南矿务局新集矿进行验证, 获得较为理想预测精度[16]。邹海将显式拉格朗日差分应用于综采放顶煤条件下导水裂隙带高度的预测, 对新集矿1303综放工作面进行了模拟分析, 确定出导水裂隙带高度[17]。王经明建立了FCBP-2D不抗拉力学模型, 以补连塔煤矿为例进行了计算[18]。涂敏在对淮南潘谢矿区具体情况分析的基础上, 建立了采动岩体力学计算模型, 对不同的采高下采动岩体裂隙的演化规律进行分析, 推导了导水裂隙带高度的理论计算式[19]。陈荣华利用RFPA软件, 通过对覆岩变形移动的模拟, 确定了导水裂隙带高度, 并用经验公式对导水裂隙带高度进行了计算, 用简易水文观测法进行了实测[20]。黄志安提出了数值模拟方法的“三带”的界定准则:将应力超过屈服强度或抗剪强度的岩层高度定为裂隙带的上限, 将双向拉应力都超过抗拉强度的岩层高度定为裂隙带的下限[21]。武雄采用不同的数值模拟软件对导水裂隙带发育规律进行了大量计算和分析, 认为:ANSYS-2D宜采用主应变指标来确定;FLAC-2D宜采用塑性区范围来确定;FLAC-3D宜采用应变增量 (曲率) 指标来确定[22]。曾先贵等[23—28]众多学者也都利用数值模拟对特定开采条件下导水裂隙带发育高度进行了研究。

目前在导水裂隙带发育高度预测中使用比较成熟的数值模拟方法主要有限单元法、边界单元法、离散单元法和快速拉格朗日法等。数值模拟方法的优点在于, 操作方便, 易于实现, 模拟成本小。

2.1.3 相似材料模拟实验

刘新河采用相似材料模拟技术, 对水下矿床开采时覆岩的变形、移动进行模拟, 对导水裂隙带的高度进行观测与分析, 论证了在一定地质条件下进行水下矿床开采的可行性[29]。李常文通过相似材料模拟对高头窑煤矿水多湖川河下浅埋煤层开采时导水裂隙带高度进行了研究[30]。张文忠和黄庆享利用走向长壁局部充填开采的物理相似模拟实验, 建立了特殊保水开采区局部充填隔水岩组稳定性力学模型, 确定了上行裂隙发育高度的计算公式[31]。伍永平以胡家河矿首采面为背景, 采用相似模拟实验, 通过三次不同采高的设计, 研究工作面推进到180m时覆岩在不同采高下的破坏状况[32]。张军和王建鹏采用相似材料模拟实验, 对杜儿坪矿68303工作面覆岩“三带”进行了研究;采用仰斜钻孔分段注水法实测了导水裂隙带高度, 与相似模拟实验结果进行了对比, 表明相似模拟实验研究结果合理、可靠[33]。余学义采用物理相似材料模拟和RFPA2D数值模拟, 研究了采后覆岩破坏规律及导水裂隙带高度[34]。

2.2 统计预测方法

1984年5月原煤炭工业部颁布的《矿井水文地质规程》 (试行) , 2000年6月煤炭工业局发布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》, 2003年1月煤炭工业出版社的《采矿工程设计手册》等相关的规程规范等提供的经验公式是目前国内应用最广的统计预测方法。刘立民运用二元统计模型辨识方法, 得出了导水裂隙带高度与煤层累计采厚及顶板岩层单向抗压强度之间的最佳回归模型和相应的回归系数[35]。马志伟对上横山多层含钒页岩矿床开采进行了离散元数值模拟, 利用正交试验方法, 建立了多因素的导水裂隙带发育高度的预测函数[36]。胡戈采用简易水文观测法对淮南煤田综放开采导水裂隙带高度进行了实测。通过对实测数据回归分析, 得到了软弱顶板导水裂隙带发育高度计算公式[37]。许延春以现场实测成果为基础, 运用数理统计回归分析的方法, 建立了适用于中硬、软弱覆岩条件下综采工作面的导水裂隙带高度的经验计算公式[38]。胡小娟采用多元回归分析, 得到综采导水裂隙带高度与煤层采高、硬岩岩性系数、工作面斜长、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式, 并用于淮南谢桥矿首采面的导水裂隙带高度预计[39]。丁鑫品通过对国内多个综放工作面实测“两带”高度数据的统计分析, 归纳出了中硬或软弱覆岩条件下综放开采“两带”高度预计的经验公式[40]。滕永海利用回归分析, 研究了综采放顶煤导水裂隙带最大高度的计算公式[41]。陈凯根据趋势面分析理论建立了导水裂隙带发育高度的趋势面预测模型[42]。尹尚先用SAS软件对国内大量实测数据进行回归分析, 通过不同回归方法对比, 优选出综采条件下较为精确的计算公式[43]。

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的经验公式是在单一煤层或厚煤层分层开采时在当时的开采条件下总结出来的, 开采深度及覆岩的组合特征等条件没有考虑, 对目前广泛采用的综采放顶煤开采技术也不适用, 需要进行重新修正, 以增强其适用性。统计分析法主要有:线性回归法, 多元非线性回归法, 多项式回归法和趋势面分析法。

2.3 非线性预测方法

丁德馨将自适应神经模糊推理方法应用于康家湾矿Ⅲ—1号矿体14采场的导水裂隙带高度的预测[44]。陈佩佩将人工神经网络技术用于覆岩破坏高度预测, 选择采高、基岩厚度、煤层倾角、顶板单轴抗压强度、泥岩比例和覆岩结构等六种因素作为主要的影响因素, 建立导水裂隙带高度预测模型[45]。马亚杰基于BP人工神经网络技术建立了预测模型, 提出工作面倾向长度和埋藏深度对裂高影响较大的结论[46]。孙云普建立了遗传-支持向量机模型, 反映了采空区长度、抗压强度和采厚等因素与导水裂隙带高度的非线性关系[47]。王正帅针采用模糊聚类分析和加权支持向量机相结合的方法, 建立了导水裂隙带高度预测的模糊支持向量机模型[48]。藺哲渊建立了基于支持向量机的长壁自然垮落开采条件下采空区顶板导水裂隙带高度非线性预测模型[49]。张宏伟采用改进的果蝇优化算法优化参数, 建立了改进支持向量机导水裂隙带高度预计模型[50]。李波对收集的实测数据进行因果模糊聚类分类, 建立了模糊预测模型, 通过工程实例验证, 精度满足工程应用的要求[51]。赵德深以大平矿区实测数据作为样本, 基于熵权-层次分析预测模型, 通过Matlab编程获得导水裂隙带高度的预测值及各影响因素的权重[52]。

非线性方法主要有:神经网络方法, 支持向量机方法, 模糊聚类分析法和熵权层次分析法。同统计分析方法一样, 神经网络方法中是基于学习样本的进行研究的, 样本主要来源现场实测数据, 要保证样本是在相同条件下获得的, 同时样本要满足一定的数量。

2.4 综合分析法

邹海提出了覆岩体地质环境、覆岩体力学环境和数值模拟技术三位一体的综合预测评价方法[53]。孙景武利用规程经验公式计算、数值模拟计算以及临近矿的实测资料, 综合确定了导水裂隙带的发育高度[54]。田玉新对实测数据进行回归分析, 结合经验公式, 获得了淮南矿区的导水裂隙发育高度的预测公式, 并与物理探测法和数值模拟法进行比较, 确定了合理的导水裂隙带高度[55]。刘玥以榆阳区三台界煤矿3#煤层为例, 采用理论计算和数值模拟方法对导水裂隙带发育规律及高度进行了研究[56]。高保彬采用传统经验公式、井下封堵钻孔分段注 (放) 液裂隙测量系统及钻孔电视探测系统分别对工作面回采前后覆岩导水裂隙带的发育高度进行了理论计算、定量探测和定性分析[57]。王琳琳结合新安煤矿的条件, 分别采用“三下开采规程”法、类比法、经验公式法和数值模拟法对16煤开采后导水裂隙带高度进行了综合对比研究[58]。张贵彬采用公式计算、类比分析及数值模拟方法, 分别计算了研究区域内中硬偏软特殊结构覆岩下的“两带”高度。通过与现场实测结果的对比分析, 综合研究了浅部区域中硬偏软覆岩条件下“两带”发育高度计算方法[59]。张宏伟以同忻煤矿特厚煤层为实例, 对8100工作面回采过程的覆岩破坏情况进行研究, 应用EH-4大地电磁法和数值模拟法, 综合确定了覆岩破坏高度[60]。陈蓥以大同矿区同忻煤矿为例, 利用关键层理论、物理探测技术和数值模拟, 分析双系煤层开采形成的覆岩破坏规律[61]。许武等[62—65]也都对多种方法综合确定导水裂隙带发育高度展开了研究。

近几年, 采用不同手段, 应用先进仪器设备, 通过理论计算, 统计分析, 数值模拟和现场实测等多种方法, 取长补短, 综合对比确定导水裂隙带高度已经成为研究趋势[66—69]。

2.5 现场实测

现场实测方法主要有:地面钻孔冲洗液漏失量法[70,71,74], 钻孔电视法[57,70,71], 瞬变电磁法[72,73], EH-4连续电导率剖面仪法[60,74,75], 高密度电阻率法[76], 声波CT方法[77], 超声波扫描成像技术[78], 井下仰孔分段注水法[33,57,79,80]。现场实测法中地面钻孔冲洗液漏失量法, 井下仰孔分段注水法和钻孔电视法最为常用, 一般是多种实测方法结合使用。

3 存在问题及研究趋势

(1) 力学解析法是对现场情况进行力学模型的简化, 在特定开采技术及地质的条件下, 有较好的效果。但针对不同的现场情况, 需要进行不同的模型简化计算, 通用性不强, 不能广泛适用。

(2) 由于覆岩基本力学参数不确定, 边界条件不确定, 建立的数值模型不能完全与现场的情况相符合。数值模拟的结果现在只是能作为一种定性的趋势分析, 而不能作为定量的精确分析。

(3) 相似材料模拟实验的模型主要有平面应力模型和平面应变模型, 目前平面模型还不能准确模拟原型的力学特征, 同时在模拟煤层开采及应力和位移的测量方面需要改进。相似模拟实验方法一般不单独使用, 大都结合其他方法使用。

(4) 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的经验公式是在特定条件下总结出来的, 对目前广泛采用的综采放顶煤技术也不适用, 需要进行重新修正。

(5) 统计分析方法和神经网络方法是基于统计样本或学习样本的进行研究的, 样本主要来源现场实测数据或数值模拟试验, 要保证样本是在相同条件下获得的, 同时样本要满足一定的数量。

(6) 现场实测的方法最可靠, 但基本上都要钻孔, 投入大, 成本高。地面钻孔冲洗液漏失量法, 井下仰孔分段注水法和钻孔电视法最为常用, 一般是多种实测方法结合使用。

(7) 近几年, 采用不同手段, 应用先进仪器设备, 通过理论计算, 统计分析, 数值模拟和现场实测等多种方法, 取长补短, 综合对比确定导水裂隙带高度已经成为研究趋势。

4 结语

导水裂隙带发育高度研究是一个重要的课题, 在广泛搜集阅读文献资料的基础上, 通过对研究方法的回顾与分析, 明确了目前的研究现状, 研究热点, 存在的问题及研究趋势, 为后续的研究奠定了基础, 具有重要的意义。

摘要：导水裂隙带发育高度研究在矿井水灾防治、水体下采煤及保护层开采中具有重要的意义。在系统总结前人研究成果的基础上, 分析了导水裂隙带高度不同研究方法的基本原理, 对研究方法进行了总结分类。综述了力学解析法、数值模拟法、相似材料模拟实验、统计预测法、非线性预测法、综合确定法及现场实测法的研究现状及进展, 分析了不同预测方法的不足和发展趋势。

导水裂隙带发育高度 第2篇

1导水裂隙带发育高度影响因素

导水裂隙带发育高度的影响因素如下:

(1)采高,该指标反映了地下开挖垂向高度大小对开挖后顶板岩体应力重分布、变形和破裂范围的影响[2]。

(2)硬岩岩性比例系数。

(3)工作面斜长,属开采空间尺寸对导水高度影响的指标[2]。

(4)采深。

(5)推进速度。

2 SVM分类的基本原理

对于分类指标的非线性数据,SVM的核心就是引入核函数的概念

相应的决策函数为

本文选用SVM中常用的径向积RBF核函数进行计算:

3导水裂隙带发育高度预测方法分析

3.1样本采集

本文收集了24组导水裂隙带发育高度样本,如表1,前面18组作为模型的训练样本,后面6组作为测试样本。

3.2样本数据预处理

应用WEKA对这五个指标进行归一化处理,为了方便,我们记采高为A1、硬岩岩性比例系数为A2、斜长为A3、采深为A4、推进速度为A5、发育高度结果为C,高表示为3、中表示为2、低表示为1。然后对归一化的原始数据进行离散化处理,离散化处理后,去掉数据中的重复记录,然后通过粗糙集进行属性约简,发现5个属性都是不可缺少的。

3.3模型预测

为了便于预测,假设8组待测样本类别属性皆为3(即发育高度为高)。

RBF核函数最优参数:-c=21.1121,-g=0.4353。

通过MATLAB程序编写相应的SVM算法,核函数默认为RBF核函数,预测结果为:2,2,2,3,2,2。

3.4结果分析

由预测结果可知,预测准确率为5/6,如表2所示,总体来说SVM分类器预测较准确。

4结论

(1)本文通过支持向量分类机,对影响导水裂隙带发育高度的五个因素进行了训练和分类,由16组数据验证了五个指标对导水裂隙带发育高度的影响。

(2)利用WEKA、MATLAB等软件,结合粗糙集理论,对8组待测样本进行了基于LIBSVM的训练和预测,预测结果准确率为5/6。

(3)建立了导水裂隙带发育高度的支持向量机多分类模型,通过计算证明其预测结果在一定程度上优于理论公式法和经验公式法,大大提高了预测的准确度。可见利用SVM对导水裂隙带发育高度进行分类是可行的。

参考文献

[1]吴广竹,徐智敏.基于BP神经网络的导水裂隙带高度预测研究[J].能源技术与管理,2008,01:90-92.

导水裂隙带发育高度 第3篇

近年来随着煤炭产量的大幅提高, 开采中的灾害事故也频频发生, 工作面顶板突水事故就是其中一种。煤炭地下开采必然引起采场周围岩层变形、破断和移动, 若存在含水层, 并在采动围岩中形成导水通道, 就可能形成矿井水灾害[1,2]。为此, 掌握地下开采引起的岩层移动规律和确定导水裂隙带高度参数, 对于煤矿合理留设煤岩柱和矿井防治水[3]具有重要的指导意义。目前, 研究岩层移动规律和裂隙带高度参数的方法有巷道直接观测、钻孔冲洗液消耗、相似材料模拟、数值模拟[4~6]及物探等。单一方法确定导水裂隙带发育高度具有一定的局限性, 采用多种方法综合确定的方式, 使其结果更合理。本文根据某煤矿开采地质条件, 采用数值模拟、经验公式预计、“钻孔双端封堵测漏”技术三种方法探测研究综合确定16105工作面导水裂隙带高度。

1 工程背景

某矿开采的16煤层位于石灰岩 (十灰) 之下, 煤层倾角近水平, 平均厚度为0.85m。直接顶板为石灰岩, 厚度4.78m;直接底为泥岩、砂岩, 平均厚度7.65m。顶板管理方式为随采随垮, 岩层综合柱状图见图1。岩石力学性能试验结果选取有关参数如表1所示。表中岩层厚度按照岩层综合柱状图中岩层厚度的平均值。

2 覆岩导水裂隙带高度的数值模拟

2.1 RFPA2D数值模拟

用岩石破裂过程软件RFPA2D, 对随工作面推进过程中上覆岩层裂缝发育扩展, 岩层变形破坏、冒落情况进行模拟。模型左、右边界为水平方向约束, 上部边界为自由边界, 底部边界为全约束。模型工作面推进方向取240m, 铅垂方向取120m, 基元取1m×1m, 总基元数28800个。每步开挖10m, 开挖15步。工作面推进过程中上覆岩层裂缝发育扩展, 岩层变形破坏、冒落情况如图2所示。

当工作面向前推进时, 石灰岩在中部与上部岩层泥岩产生离层, 并在端部开裂, 中部开裂较少, 而后冒落;同时泥岩与砂岩开始产生离层, 且砂岩岩层中下部产生裂缝 (图2 (a) ) 。随着工作面的进一步推进, 泥岩冒落, 这是因为此岩层相对较软, 只要达到极限跨距和有变形空间, 就会产生破坏;同时砂岩裂缝变大, 且与上部岩层出现离层, 如图2 (b) 。当工作面推进到110m时 (图2 (c) ) , 砂岩岩层垮落, 其与上部岩层3号砂岩有微小离层。当工作面推进到130m时 (图2 (d) ) , 3号砂岩仅发生弯曲变形但无开裂, 此时导水裂隙带高度为石灰岩 (十灰) 、泥岩、5号砂岩的三个岩层的高度之和, 即为20m。

2.2 Flac3D数值模拟

根据该矿开采参数和上覆岩层的特点建立Flac3D三维数值分析模型如图3 (岩层序号分别对应表1) 。

模型尺寸:长240m, 宽200m, 高120m;

模型边界:模型前后、左右边界为水平方向约束, 上部边界为自由边界, 底部边界为全约束;

开采范围:煤层开采高度0.85m, 工作面开采长度150m, 每步10m, 开切眼、停采线分别距左、右边界45m;开挖倾斜长度100m, 距模型前后边界50m;本模拟着重讨论顶板覆岩在采动过程中的变形破坏情况, 因此, 模型的主体范围位于上覆岩层。

随着煤层开采, 上覆岩层应力重新分布, 导致覆岩破坏、变形、移动, 覆岩出现冒落带、裂缝带、弯曲下沉带, 即“上三带”。其中, 弯曲下沉带中存在裂缝, 但没有相互贯通;冒落带和裂缝带中裂缝相互贯通, 形成导水通道, 称为“导水裂缝带”, 即模拟中的塑性区。根据Flac3D数值模拟, 反应在模拟中是塑性区及应力云图的变化。

通过Flac3D数值模拟结果分析, 随工作面推进, 上覆岩层最大主应力的变化趋势与塑性区发育高度的变化趋势大体一致。图4是开采150m时覆岩破坏塑性区及最大主应力云图。

当工作面推进90m时, 上覆岩层裂缝发育到20m, 工作面再推进, 在采煤工作面的垂直方向上裂缝不再扩展, 此时裂缝发育的最上部近似一条直线 (图4 (a) ) , 所以Flac3D模拟的裂隙发育高度为20m (图5) 。

3 覆岩导水裂隙带高度经验公式预计及现场观测结果分析

3.1 覆岩导水裂隙带高度经验公式预计

根据某矿16105工作面的开采参数及地质采矿条件, 煤层厚度按0.85m考虑。该矿16煤上覆岩层主要以石灰岩、砂岩为主, 属于中硬岩层。按照中硬覆岩岩性, 根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[7]中导水裂隙带计算公式:

式中:HLi为导水裂缝带高度 (m) ;∑M为累计采为5号砂岩的岩层下部到3号砂岩的岩层下部。考虑到可能出现局部导水裂缝带高度过大的异常情况, 取导水裂缝带最大发育高度为22.7 m。所以经验公式预计的导水裂隙带最大发育高度为22.7m。

3.2 现场实测结果分析

3.2.1 钻孔双端封堵测漏装置

钻孔双端封堵测漏装置属于岩体工程测试装置, 其目的在于能对岩体中任意仰、俯倾角的钻孔进行分段封隔注水, 直接测取各深度上封隔孔段的漏失流量, 以确定岩体裂隙发育或围岩破坏状况[8,9]。分段注水观测系统由孔内封堵器, 连接管路和孔外测量仪表三部分构成 (图6) 。孔内封堵器是一个带有双端封堵胶囊的注水探管, 用于对所测试孔端两端进行密封;孔外测试仪表主要包括流量表、压力表和相应的阀门, 用以控制封孔压力和注水压力及注水流量大小, 孔外仪表和孔内封堵器间通过耐压管路连接。

3.2.2 实测结果分析

本次观测设置为采前孔、采后孔观测, 采前钻孔用于观测未受采动影响的煤层覆岩岩层的原始裂隙状态, 以作为采后观测对比的基础;采后孔观测用于控制覆岩导水裂缝带的最大发育深度。16105工作面观测钻孔施工与最大裂缝发育高度如表2。根据已经取得的观测数据, 对照煤层顶板的岩层分布对三个观测钻孔的注水漏失量情况进行了定量和定性分析。钻孔施工布置剖面图及钻孔注水漏失量如图7。

(1) 1#采前孔:在整个孔段均有大小不一的漏失量, 注水漏失量大多在每米孔段1L/min以下。

(2) 2#采后孔:根据实际测试结果, 采后2号孔从孔深15m~18m有明显漏水, 漏失量均在5L/min以上, 说明该段岩层已遭到破坏, 而在孔深19.5m~27m之间, 漏失量均在5L/min以下, 在孔深28.5m~33m之间, 呈连续明显漏水, 最大漏水位置在孔深33m处, 漏失量明显减少则从孔深34.5m开始。因此, 以孔深33m为采后2#孔实测裂缝带上界, 该孔倾角35°, 其至煤层顶界的垂高为18.93m。

(3) 3#采后孔:在孔深13.5m~28.5m之间均有明显漏水, 漏失量大多在5升以上, 说明该段岩层已遭到破坏, 而在孔深30.0m~30.15m之间, 漏失量稍微减小, 在孔深33m~37.5m之间, 呈连续明显漏水, 最大漏水位置在孔深37.5m处, 漏失量明显减少则从孔深39m开始。因此, 以孔深37.5m为采后3#孔实测裂缝带上界, 按钻孔仰角30°计算, 其至煤层顶界的垂高为18.75m。

根据以上开采前后钻孔漏失量变化, 最大裂隙带发育高度为2#采后孔, 导水裂隙带发育高度为18.93m。

4 综合分析

分别采用了数值模拟、现场实测以及经验公式三种方法探讨覆岩采动导水裂隙带发育高度, 并对这三种方法的优缺点进行了对比分析 (表3) 。表中经验公式所得到的结果最大, 而数值模拟和实测结果比较接近, 由于实际中经验公式所得结果比较保守, 综合考虑认为, 16105工作面导水裂隙带发育高度为20m。

5 结论

(1) 数值模拟与“钻孔双端封堵测漏”现场实测所得覆岩导水裂隙带发育高度基本接近;而经验公式预计所得发育高度稍偏大, 偏于保守、安全。数值模拟方法得到的覆岩导水裂隙带发育高度通过与现场实测和经验公式估算对比, 可以作为导水裂隙带发育高度值, 说明数值模拟预测结果是可靠的。

(2) 通过Flac3D数值模拟分析, 随工作面推进, 上覆岩层最大主应力的变化趋势与塑性区发育高度的变化趋势大体一致。

(3) 通过综合运用这三种方法确定该矿导水裂隙带发育高度为20m, 合理确定导水裂缝带高度, 对煤矿保水开采具有重要的指导意义。

摘要：为了安全有效的开采煤炭资源, 确定符合矿井实际的导水裂缝带发育高度, 本文采用数值模拟、经验公式预计、现场实测三种方法, 并进行了对比分析。结果表明数值模拟导水裂隙带发育高度与“钻孔双端封堵测漏”所得结果基本接近;而经验公式预计的结果偏于保守;综合确定16105工作面最大导水裂隙带发育高度为20m, 为煤层安全开采提供了科学决策依据。

关键词：坚硬顶板,RFPA2D,Flac3D,经验公式,钻孔双端测漏,导水裂隙带高度

参考文献

[1]缪协兴, 刘卫群, 陈占青.采动岩体渗流理论[M].北京:科技出版社, 2004.

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浅谈导水裂隙带高度的预计方法 第4篇

导水裂隙带高度的确定, 对煤矿矿井水患的研究至关重要, 是煤矿研究一切水患的基础。由于受到多种条件的影响和制约, 要做到准确地对导水裂隙带的高度进行预计是相当困难的。经过多年的观测及研究, 釆矿学者和一线采煤工作人员总结出了许多计算导水裂隙带的方法, 这些方法, 是目前采矿学水患研究最突出的理论。

1常用方法介绍

1. 1经验公式法

大量学者以及矿山工程技术人员多年对水体下开釆上覆岩层移动特点的观测过程中总结出来一些计算公式。尽管从理论的角度来讲, 这些公式并不能广泛适用于所有环境, 只是能够在特定的条件下给出一定的解释, 但是在绝大多数实际情况中, 通过这种方法得到的预测结果, 其参考价值还是值得认可的。这些公式现如今在多种工程实践 ( 如对水体下开釆上覆岩层的移动变形进行的预测) 中得到了广泛运用, 这就从一定程度上说明经验公式的计算方法也具有一定的精度, 也有其运用的理论基础。

迄今为止, 由于一直以来缺乏公认的公式, 对于厚煤层综釆放顶煤开采条件下的导水裂隙带高度的预测计算常常分为两步: 首先进行初步估算, 具体依据《建筑物、水体、铁路及主用井巷煤柱留设与压煤采规程》中的经验公式; 其次再根据专家经验进行调整, 也可以依照专家意见进行现场实测确定。

1. 2类比法

在预测导水裂隙带高度时, 类比法是经常会被用到的一种方法。上覆岩层在厚度、倾角、岩性、釆煤方法等方面具有相似的特点, 在运用这种方法时, 往往要结合相似矿井煤层所赋存的条件, 观测并分析上覆岩层的移动特点和规律, 从而预测本煤层上覆岩层的移动情况和破坏规律, 以通过预测的结果进一步确定水体下开釆的安全可行性。

从理论的角度来讲, 如果相邻矿井不仅在煤层埋藏条件和厚度上相似, 而且上覆岩层的赋存也具有相似的特点, 那么使用类比法会得到比较精准的预测结果。然而, 在应用的实际过程中, 要想找到两个或者两个以上相邻矿井, 使其具有相似甚至相同的煤层埋藏条件和上覆岩层赋存条件, 是一件很困难的事情。在这种情况下, 往往都要首先对本矿井与邻矿井在煤层埋藏条件和上覆岩层赋存特点等方面的不同之处进行研究分析, 再结合相关的理论依据, 进一步修正邻矿的观测结果, 最终得出本矿的预测结果。

1. 3数值模拟方法

从20世纪的80年代初期到如今, 在计算机技术迅速普及的大背景下, 一种新的模拟技术数值模拟技术开始初现, 并且也日臻成熟, 到现在为止, 已经广泛地被应用到了多个研究领域。这种方法是以电子计算机为载体, 运用各种信息技术, 通过计算数值和显示图像的方式, 对工程问题、物理问题以及各类自然界的问题进行研究, 达到所需目的。

1) 要寻求效率高、精度准的计算方法, 这正是建立数学模型所必需解决的问题。目前, 在前人不断的努力下, 多种数值模拟方法都被逐渐创立。这些计算方法包括离散化的微分方程、求解方法、建立具体的坐标, 处理边界条件等。在过去, 这些问题经常会被人们回避或者忽略, 而如今对此类问题的研究和重视也越来越多。

2) 由于计算过程得到的大量数据的显示方式只能凭借图像方式得以实现, 因而数值的图像显示工作就变得非常重要。 在髙科技迅速发展的今天, 图像已经被人们做得如同相片一样生动逼真, 甚至还可以动态地显示各种过程, 因此, 高水平的模拟和高质量的图像显示愈来愈受到人们的青睐。

在对导水裂隙带的高度进行数值模拟时, 所应用的方法种类繁多, 常用的有两种: 一种是先观测上覆岩层的岩性, 根据实际观测结果确定相应的参数数值, 然后在相应的应用软件中输入相应的参数, 最终得到预期的计算结果等; 另一种是依据覆岩层在釆煤工作面上的移动规律, 建立相应的数学模型, 然后将数学模型通过计算机语言进行计算分析和图形显示。一般情况下, 前者被运用的较多, 因为后者比较复杂, 要想得到与预期相符的结果和图像, 需要经过很长时间的分析和研究。

在现行的计算分析软件中有多种, 如有限差分程序、离散元程序、有限元程序和边界元程序。而在诸多程序中有限元程序的使用次数最多, 主要原因是, 对于不同的地质构造和性质的岩层, 该程序都可以模拟, 并且大量的计算表明其参考价值较高。

1. 4相似材料模拟法

相似材料模拟是用相似材料或相似结构进行岩体的工程地质物理力学模拟的方法。按照试验的目的, 分为设计模拟和机制模拟。相似材料模拟试验方法主要是应用一定配比的人工材料, 按照相似律及几何相似原理, 制成一定比例尺的模型, 然后对模型施以模拟实际情况的附加荷载或对模型进行开挖, 观察模型的应力、应变、位移和破坏, 据此推定现场岩体的应力、变形和破坏情况。在预测煤矿导水裂隙带的高度时, 也经常应用相似材料模拟实验方法。相似材料模拟试验的目的一是了解覆岩破坏过程, 二是掌握覆岩在不同采高的采动影响下, “两带”发育高度。

1. 5神经网络法

现场实测和研究结果表明, 导水裂隙带高度的形成过程呈非线性的特点, 其系统本身就不断地进行着与外部环境的能量交换、物质交换和信息交换, 具备信息性、协同性、自组织性等特点, 是一个幵放的系统。神经网络是一种信息处理系统, 是在对人脑组织结构及活动机制的认识过程中提出的, 目的是模仿人脑结构及其功能。在解决非线性系统的问题方面, 神经网络法的适用性很强, 通过对现有实测资料的研究以及对问题实质及现状的分析, 此方法的运用, 加大了解决问题的可能性。

1. 6分数维理论 ( 分形几何)

与耗散结构理论、混纯理论相同, 分数维理论也逐渐成为近代非线性科学研究领域的一项重要成果, 近十年来也日益成为一种的热门科学。一些杂乱无章、不规则的原生裂隙系统常常存在于岩体当中, 分数维理论地运用, 能够很好地描述原生裂隙系统以及釆动裂隙系统的几何特征, 经过煤层的开釆之后, 导水裂隙带的最大高度得以确定, 其空间分布形态就会体现出来。而鉴于当前条件的局限, 该理论方法也只能实行于理论研究中, 要想在具体的工程应用当中进行尝试, 相对比较困难。

1. 7实际观测理论分析法

实际观测理论分析法是先通过对水体下煤层实际采时的上覆岩层进行观测, 进而对观测结果进行理论分析, 从而有效确定相对合理的开采方法。在水体下已经进行开采的时候一般采用这类方法, 具体步骤如下: 首先采取最安全的方法对水体下的煤层进行开采, 并对上覆岩层的移动规律和移动特点进行同步分析, 有效地改进和完善开采方法, 进而确定出最合理、 有效的开采方法。在现实中, 有些水体下的岩层结构较为复杂, 釆用一般的预测方法达不到预想的效果, 实际观测理论分析法的使用就尤为重要。

2结语

本文对煤层采动时导水裂隙带高度的计算方法进行了简单的介绍, 水体下矿井开采时, 应选用合适的方法对其导水裂隙带进行计算, 同时多种方法可以协同计算, 防止地表水进入矿井形成水害, 危害矿井安全。

参考文献

[1]赵经彻, 陶廷云, 刘先贵, 等.关于综放开采的岩层运动和矿山压力控制问题[J].岩石力学与工程学报, 1997 (2) :37-44.

[2]刘天泉.我国“三下”采煤技术的现状及发展趋势[J].煤炭科学技术, 1984 (10) :24-28.

覆岩裂隙带发育高度的数值模拟 第5篇

1 工作面地质概况

16105工作面隶属于山东省武所屯煤矿, 16煤层位于太原组十灰之下, 平均厚度为2.85m。煤层结构简单。直接顶板为十下灰, 底板多为泥岩、砂质泥岩, 局部为粉砂岩或砂岩。工作面走向长度556.3m, 倾斜长度229.8m, 平均采深为330m。工作面采用综合机械化开采, 全部垮落法管理顶板, 工作面水文地质及构造条件简单。

2 覆岩裂隙带发育的数值模拟

2.1 数值模型的建立

本次数值模拟以16105工作面的工况条件为基础, 为方便计算, 对工作面的钻孔柱状图进行了简化, 模拟地层共简化为10层。模型尺寸设计和网格划分情况如下:该模型沿走向长度为400m, 沿倾向长度为200m, 高为120m, 煤层倾角近水平 (0°) , 整个模型划分为29600个网格, 共32718个节点。所建模型图如图1所示。

2.2 数值模型参数的选取

数值模型中选取的岩石力学参数均是按照由上向下的顺序, 其岩石力学参数如表1。受模型尺寸大小、计算容量、运算速度所限, 对模拟岩层简化为均布载荷加载。数模型上边界加载大小为上覆岩层自重应力, 模型上边界埋深为330m, 上覆岩层的平均容重为2.65, 计算得模型上边界所加载荷为8.75MPa。

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 工作面塑性破坏区模拟结果分析

从图2可以看出, 工作面推进200m时覆岩顶板出现不同程度的破坏, 自煤层顶板由下而上, 依次为拉伸破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和未破坏区。上覆岩层破坏形态呈现类似“马鞍”型, 在工作面上方和开切眼处, 破坏程度达到最大, 而在采空区上方破坏高度相对较小。在采空区的上覆岩层主要以拉伸和拉剪破坏为主, 再向上以剪切破坏为主。

2.3.2 工作面垂直应力场模拟结果分析

沿工作面走向推进200m时, 沿走向和倾向的垂直应力场如图3所示。由图3可以看出随着工作面的推进, 采空区上方应力由拉应力逐渐转变为压应力, 应力值也逐渐增大, 但增加程度越来越小, 反而在开切眼以及煤壁前方出现应力集中现象, 最大应力值达46.741MPa, 从而形成超前移动的支撑压力。

2.3.3 工作面竖直方向位移模拟分析

由图4可以看出, 采空区岩层内各点的下沉值由下往上逐渐减小, 说明覆岩内由下往上依次分为冒落带、裂隙带、弯曲带。两侧煤柱上方覆岩下沉量较小, 且离工作面越远, 下沉量越小, 最终几乎无下沉量。随着回采的进行和覆岩的移动, 工作面后方破碎的岩石逐渐被压实, 变形逐渐趋于稳定。因此随工作面推进, 当回采趋于稳定后, 工作面前后方的下沉盆地趋于一致。

综合分析塑性破坏区、垂直应力分布以及竖直方向位移场的模拟结果, 得出覆岩导水裂隙带高度为21.2m。

3 覆岩导水裂隙带的现场实测

本文采用井下钻孔双端封堵测漏法对武所屯煤矿16105工作面覆岩顶板破坏高度进行了实测。现场观测共布置3个钻孔, 采前孔仰角取30°, 采后孔分别取35°和30°, 孔深分别为55m、50m、55m。根据观测数据, 得出采前、采后孔不同观测段注水漏失量对比图, 如图5所示。

从图中可以明显看出采前1#孔整个孔段均有大小不一的漏失量, 采后2#孔从孔深15m-18m处有明显漏水, 以33m采后1号孔实测裂隙带上界, 此处至煤层顶界垂高为18.93m采后3#孔在13.5m-28.5m之间均有明显漏水, 因此, 以孔深38.5m为采后2号孔实测裂隙带上界, 可得其至煤层顶界的垂高为18.75m。综合以上数据可得实测16105工作面裂隙带发育高度为18.93m, 与数值模拟结果基本相符。

4 结论

(1) 运用数值模拟软件模拟了16105工作面开采过程中覆岩顶板塑性破坏区、垂直应力分布情况, 确定了导水裂隙带高度为21.2m左右。对现场进行实测, 可以得出覆岩的破坏高度为18.93m, 与数值模拟结果基本相符; (2) 利用数值模拟软件, 可以对类似开采条件下的覆岩导水裂隙带高度进行预测, 模拟结果可用于指导煤矿生产。

摘要：根据武所屯煤矿开采技术条件和岩石力学参数等, 建立数值模型, 运用数值模拟软件FLAC3D对上覆岩层随工作面推进时的塑性区破坏、应力分布情况以及垂直位移场进行了数值模拟, 采用应力判别法确定覆岩导水裂隙带高度, 并利用现场实测对覆岩破坏高度进行了验证, 结果表明:通过数值模拟的方法预测覆岩破坏高度具有较好的准确性和优越性。

关键词：裂隙带高度,塑性破坏区,垂直应力,数值模拟

参考文献

[1]李学良.基于FLAC3D的采动区覆岩破坏高度数值模拟研究[J].煤炭技术, 2012, 31 (10) :83-85.

[2]何国清, 杨伦.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学, 1991.

导水裂隙带发育高度 第6篇

20世纪60年代至80年代期间,提出了有效导水裂隙和无效导水裂隙的区分方法,其中煤科院刘天泉院士于80年代初期,根据华北地区煤矿有限的现场实测资料,进行回归统计得出的经验公式在一定程度上满足了当时我国水体下采煤设计的要求。

80年代至今,引入包括现代统计数学、损伤力学、断裂力学等新型学科,同时将计算机技术与现场探测及定性描述分析相结合,极大地促进了导水裂隙带研究向定量化、精确化发展,大大提高了地质基础资料的有效利用率,研究成果的实用性不断增强。

2 导水裂隙带高度主要影响因素分析

根据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“三下”规程)中对导水裂隙带高度的预计以及煤矿工程地质基础理论和煤矿生产实践,当前导高预测主要考虑有以下几个影响因素:煤层厚度、顶板岩层单轴抗压强度、顶板岩层结构类型、工作面斜长、采深、推进速度。

3 导水裂隙带高度测量方法

3.1 室内模拟

3.1.1 经验公式

经验公式法清晰明确,计算简单,满足了我国煤矿水体下采煤设计的要求,但公式属于数学均化的思路,它掩盖了关键层在覆岩破断运动中的控制作用,会使预计的覆岩导水裂隙带高度与实际偏差很大,甚至会导致一些突水事故的发生。

3.1.2 相似模拟

采用相似材料构建上覆岩层的模拟模型,通过模拟在不同覆岩特性、不同开采厚度、断层活化时等情况下的覆岩破坏规律和高度,得到导高数据及其计算方法。

3.1.3 数值模拟

利用数值模拟对开采造成的覆岩破坏规律进行分析,从而判断出导高,填补了由于观测手段、现场实测和物理模型本身缺陷而导致不能获取垮落过程中足够信息的不足,现已逐步成为导高预测的有力工具。

3.2 现场实测

3.2.1 高密度电阻率法

基于岩石的电阻率差异理论,在不同时间内测量相同岩体的电阻率变化,就可以通过判定岩体的形变过程来确定煤层顶板的裂隙带高度。

3.2.2 超声成像法

通过使用超声成像数控测井仪对钻孔进行扫描、摄影、绘制曲线,能够直接判断覆岩破坏和裂隙发育的情况,并以此预测导水裂隙带发育高度。

3.2.3 声波CT层析成像法

此方法是利用传感器收集人工激发声波在被检测介质中传播所得的探测数据,将层析成像的波速切面同地质剖面对比后,可得到导高的探测结果。

3.2.4 钻孔冲洗液观测法

该法以地面钻孔为依托,通过孔中岩芯完整性状况描述及简易水文观测来判定导水裂隙带的高度。

3.2.5 井下钻孔注、压水法

这是由山东科技大学采矿工程研究院最先进行井下实际应用的方法,也称“双管双端封堵测漏技术”。其具体方法是:预先在工作面附近掘进一条专门的观测巷道,之后在此巷道通过仰角倾斜的形式钻1个~3个钻孔。在钻孔中实施分段封堵注水测漏,同时根据漏水量大小对应岩层裂隙发育状况的关系,从而达到对覆岩运动进行一系列动态监测的目的。通过对工作面回采前、后钻孔注水试验流量的比对及水压曲线,继而预测确定采动导水裂隙带的发育高度。

3.2.6 钻孔电视法

这种测井方法是利用电视技术观察钻孔孔壁的地质情况,从而可以判别导高发育情况。

4 结论

(1)目前普遍采用的导高预测经验公式已经不能与高产高效的采煤现状相适应,其预计结果的可信性较差,也不能准确有效地指导煤矿井下水害防范及矿区生态潜水的保护。

(2)影响导水裂隙带发育高度的主要因素包括煤层开采厚度,顶板岩层单轴抗压强度、顶板岩层结构类型,同时开采深度、工作面跨度(斜长)、工作面推进速度等关键指标。

(3)单纯采用经验公式、相似模拟、数值模拟等方法,本身会有很大误差。故必须将现场探测与理论计算相结合,将定量探测与定性分析相对照,建立全面反映导高与采深等一系列因素相关的推导公式,可以有效提升公式计算的正确性。

参考文献

[1]邹海,等.导水裂隙带高度预测途径探讨[J].江苏地质,1997,21:98-102.

[2]栾元重,等.近距煤层开采覆岩导水裂隙带高度观测研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(1):139-142.

[3]刘伟韬,等.覆岩裂缝带发育高度的实测与数值仿真方法研究[J].煤炭工程,2005,11:55-58.

[4]陈荣华,等.综放面覆岩导水裂隙带高度的确定[J].采矿与安全工程学报,2006,3(2).

[5]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,2000.

[6]煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京:煤炭工业出版社,1981.

导水裂隙带发育高度 第7篇

1 工作面地质概况

16105 工作面隶属于山东省武所屯煤矿,16 煤层位于太原组十灰之下,其平均厚度0. 85 m。煤层结构简单,仅在4 个见煤点有1 层炭质泥岩夹石。直接顶板为十下灰,泥岩伪顶呈树叉状分布于井田南部,底板多为泥岩、砂质泥岩,局部为粉砂岩或砂岩。工作面走向长556. 3 m,倾斜长229. 8 m,平均采深330 m。工作面采用综合机械化开采,全部垮落法控制顶板。工作面水文地质及构造条件简单。

2 覆岩裂隙带发育高度的数值模拟

2. 1 数值模型的建立

本次数值模拟以16105 工作面的工况条件为依据,为方便计算,对工作面的钻孔柱状图进行了简化,模拟地层共简化为12 层。模型沿走向长度400 m,沿倾向长度200 m,高度120 m,煤层倾角近水平( 0°) 。整个模型划分为29 600 个网格,共32 718 个节点。所建模型如图1 所示。

2. 2 数值模型参数的选取

数值模型中岩层按照由上向下的顺序布置,所选取的岩石物理力学参数见表1。受模型尺寸大小、计算容量、运算速度所限,将模拟岩层简化为均布载荷加载。数值模型的上边界采用与相似材料模拟实验相类似的简化方法,模型上边界加载大小为上覆岩层自重应力,模型上边界埋深为330 m,上覆岩层的平均重力密度为2. 65×104N / m3,计算得模型上边界所加载荷为8. 75 MPa。

2. 3 数值模拟结果分析

2. 3. 1 工作面塑性破坏区模拟结果分析

从图2 可以看出,16105 工作面推进200 m时覆岩顶板出现了不同程度的破坏,自煤层顶板由下而上,依次为拉伸破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和未破坏区。上覆岩层破坏形态呈现类似“马鞍”形,在工作面上方和开切眼处,破坏程度达到最大,而在采空区上方破坏高度相对较小。在采空区的上覆岩层主要以拉伸和拉剪破坏为主,再向上以剪切破坏为主。

2. 3. 2 工作面垂直应力场模拟结果分析

工作面沿走向推进200 m时,其走向和倾向的垂直应力场如图3 所示,可以看出,随着工作面的推进,采空区上方应力由拉应力逐渐转变为压应力,应力值也逐渐增大,但增加幅度越来越小,反而在开切眼及煤壁前方出现应力集中现象,最大应力值达46. 741 MPa,从而形成超前移动的支撑压力。

2. 3. 3 工作面竖直方向位移模拟分析

由图4 可以看出,采空区岩层内各点的下沉值由下往上逐渐减小,说明覆岩内由下往上依次分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。两侧煤柱上方覆岩下沉量较小,且离工作面越远,下沉量越小,最终几乎无下沉量。随着回采的进行和覆岩的移动,工作面后方破碎的岩石逐渐被压实,变形逐渐趋于稳定。因此随工作面推进,当回采趋于稳定后,工作面前后方的下沉盆地趋于一致。

为了更加直观地观测随工作面推进垂直位移的变化,在采空区中央由下向上依次布置了1 ~ 6 号测点,各测点的位移下沉量变化见图5。从图5 中可以看出,1 号测点最大下沉量为0. 235 m,6 号测点最大下沉量为0. 035 m。1 ~ 6 号测点的位移下沉量依次递减,且随着工作面的推进,下沉量逐渐减小,下沉趋势逐渐趋于一致,最后伴随着岩层被压实,变形趋于稳定。

综合分析以上塑性破坏区、工作面垂直应力分布,以及垂直位移场的模拟结果,可以得出覆岩导水裂隙带高度为21. 2 m。

3 覆岩导水裂隙带高度的预计与现场实测

3. 1 覆岩导水裂隙带高度预计

根据16105 工作面围岩条件及岩石强度,选取中硬条件下裂隙带高度的计算公式:

式中: HLi为裂隙带高度,m; M为累计采高,m。

取M = 0. 85 m,代入式( 1) 计算得HLi= 11. 5 ~22. 7 m。

3. 2 覆岩导水裂隙带高度实测

采用井下钻孔双端封堵测漏法,对武所屯煤矿16105 工作面覆岩顶板破坏高度进行了实测。现场观测共布置3 个钻孔,采前孔仰角取30°,采后孔分别取35°和30°,孔深分别为55、50、55 m。根据观测数据,得到采前、采后孔不同观测段注水漏失量对比图,如图6 所示。

从图6 中可以明显看出,采前1#孔整个孔段均有大小不一的漏失量,采后2#孔从孔深15 ~ 18 m处有明显漏水,以孔深33 m为采后1#孔实测裂隙带上界,此处至煤层顶界垂高为18. 93 m,采后3#孔在13. 5 ~ 28. 5 m范围均有明显漏水,因此,以孔深38. 5m为采后2#孔实测裂隙带上界,可得其至煤层顶界的垂高为18. 75 m。综合以上数据,实测16105 工作面裂隙带发育高度为18. 93 m,与数值模拟结果基本相符。

4 结论

1) 运用FLAC3D数值模拟软件模拟了16105 工作面开采过程中覆岩顶板塑性破坏区垂直应力分布,以及竖直方向的位移下沉情况,从而确定了导水裂隙带高度为21. 2 m左右。结合经验公式和现场实测,可以得出覆岩的破坏高度为18. 93 m,与数值模拟结果基本相符。

2) 利用数值模拟软件,可以对类似开采条件下的覆岩导水裂隙带高度进行预测,模拟结果可用于指导煤矿生产。

参考文献

[1]李学良.基于FLAC3D的采动区覆岩破坏高度数值模拟研究[J].煤炭技术,2012,31(10):83-85.

[2]何国清,杨伦.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991:35-239.

[3]刘增辉.利用数值模拟方法确定导水裂隙带发育高度[J].矿业安全与环保,2006,33(5):16-19.

[4]安泰龙,王连国,浦海,等.浅埋煤层导水裂隙带发育规律的数值模拟研究[J].矿业研究与开发,2010,30(1):33-36.

[5]马亚杰,武强,章之燕,等.煤层开采顶板导水裂隙带高度预测研究[J].煤炭科学技术,2008,36(5):59-62.

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[7]李文生,李文,尹尚先.综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度研究[J].煤炭科学技术,2012,40(6):104-107.