礦井深部煤層底板采動(dòng)效應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)控制機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)礦區(qū)煤層開采深度的增加，底板水害事故較以往淺部開采日趨頻發(fā)，礦井進(jìn)入深部開采后，采場(chǎng)地應(yīng)力及底板承壓水水壓也隨之增大，尤其在華北型煤田山西組下部煤層開采過(guò)程中，受到太原組及奧陶系灰?guī)r承壓水的威脅更加嚴(yán)重?；幢钡V區(qū)位于華北煤田南緣，所處地質(zhì)構(gòu)造單元獨(dú)特，礦區(qū)煤系地層斷裂、陷落柱等構(gòu)造極為發(fā)育，加之近年來(lái)開采深度逐漸增加，造成下組煤底板水害事故頻發(fā)。因此，開展礦區(qū)深部下組煤回采過(guò)程中底板突水機(jī)理的研究，對(duì)淮北礦區(qū)乃至整個(gè)華北

2、礦區(qū)下組煤安全回采都具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以淮北礦區(qū)為研究對(duì)象，開展了礦井深部不同底板巖體結(jié)構(gòu)條件下，工作面回采過(guò)程中底板采動(dòng)效應(yīng)的研究，從巖體結(jié)構(gòu)角度揭示了礦井深部底板突水機(jī)理。從礦區(qū)水文工程地質(zhì)特征入手，對(duì)礦區(qū)山西組下部煤層底板巖層沉積特征、底板巖體結(jié)構(gòu)特征及底板太原組灰?guī)r巖溶含水層富水性特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析與研究。在此基礎(chǔ)之上，建立了兩大類，六個(gè)亞類不同底板巖體結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬方法對(duì)六類不同結(jié)構(gòu)底

3、板采動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究，并采用相似材料模擬試驗(yàn)法對(duì)含切割煤層斷層結(jié)構(gòu)底板采動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究。最后，結(jié)合工作面底板注漿加固改造工程，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等技術(shù)手段，對(duì)注漿前后工作面底板采動(dòng)效應(yīng)差異進(jìn)行了系統(tǒng)分析，最終取得了如下研究成果和結(jié)論:
　　(1)在分析淮北礦區(qū)山西組下部煤層底板沉積特征的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)下組煤底板沉積組合進(jìn)行分類，得出礦區(qū)下組煤底板沉積組合可分為三大類，即:硬-軟型、軟-硬-軟型及軟硬

4、相間型，并以此為依據(jù)，建立了完整層狀結(jié)構(gòu)底板模型:通過(guò)對(duì)淮北礦區(qū)下組煤開采過(guò)程中底板水害事故的研究得出，底板發(fā)生突水的位置與底板巖體結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，通常發(fā)生在底板薄弱地帶，如厚度變薄帶、底板裂隙發(fā)育部位、斷層及陷落柱發(fā)育部位，反映出底板突水與底板巖體結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　(2)基于FISH語(yǔ)言對(duì)FLAC3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)完整層狀結(jié)構(gòu)底板流固耦合作用下，底板采動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，得出相同底板隔水層厚度條件下，隨著底板水壓

5、的增加，底板采動(dòng)破壞深度增加，同時(shí)含水層上部會(huì)產(chǎn)生一定范圍的原位張裂帶，且隨著水壓增大范圍也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，底板突水危險(xiǎn)性升高;當(dāng)?shù)装搴穸纫欢ǎS著采深的增大，底板在高采動(dòng)應(yīng)力與水壓共同作用下，破壞深度進(jìn)一步增大，揭示出礦井進(jìn)入深部開采后，底板突水風(fēng)險(xiǎn)較淺部大，同時(shí)揭示出淺部與深部開采底板采動(dòng)塑性分區(qū)的差異，主要表現(xiàn)在進(jìn)入深部開采后，含水層頂部出現(xiàn)了原位張裂帶，而淺部開采條件下，底板下方僅發(fā)育采動(dòng)破壞帶。
　　(3)對(duì)不同巖層組合條

6、件下底板采動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了分析，得出巖層組合特征不同底板采動(dòng)效應(yīng)存在明顯差異，綜合采動(dòng)應(yīng)力及采后圍巖滲透性來(lái)看，軟硬相間型底板對(duì)底板阻水最為有利，而硬軟型底板最差:底板中采動(dòng)應(yīng)力特征可概括為一條曲線、兩種區(qū)間、三個(gè)特征點(diǎn)，采動(dòng)曲線可劃分為增壓與卸壓兩個(gè)不同應(yīng)力區(qū)間，以及卸壓峰值、應(yīng)力轉(zhuǎn)換點(diǎn)和應(yīng)力回歸點(diǎn)三個(gè)特征點(diǎn)，當(dāng)考慮流固耦合條件時(shí)，應(yīng)力轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度增大，表現(xiàn)為受采動(dòng)卸壓影響程度更大，同時(shí)深部由原來(lái)的增壓逐漸轉(zhuǎn)換為卸壓，即底板承壓水水壓的存在

7、，使底板深部出現(xiàn)明顯卸壓，不利于底板阻水，且不同巖層組合底板中采動(dòng)應(yīng)力轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度變化幅度不同，硬軟型底板卸壓幅度最大，而軟硬相間型最小，揭示出巖層組合特征對(duì)底板采動(dòng)效應(yīng)的控制機(jī)理。
　　(4)對(duì)底板中包含裂隙、切穿煤層斷層、及隱伏陷落柱三種不同結(jié)構(gòu)底板模型進(jìn)行了采動(dòng)效應(yīng)研究，得到了斷層及陷落柱受采動(dòng)與底板水壓共同影響下，“活化”誘發(fā)工作面底板突水的過(guò)程，結(jié)果表明隨著采深增大，底板水壓及地應(yīng)力的增大，構(gòu)造誘發(fā)底板突水風(fēng)險(xiǎn)增大。裂隙誘

8、發(fā)底板突水過(guò)程可分為三個(gè)階段，即裂隙剪切破壞階段、剪切破壞區(qū)擴(kuò)展階段和突水通道形成階段:切穿煤層斷層誘發(fā)底板突水主要是原位張裂帶進(jìn)一步向上發(fā)育了采動(dòng)導(dǎo)升現(xiàn)象，致使底板有效隔水層厚度明顯減小:隱伏陷落柱誘發(fā)底板突水過(guò)程為陷落柱產(chǎn)生向上的導(dǎo)升與底板采動(dòng)破壞貫通所致，揭示了不同巖體結(jié)構(gòu)底板突水機(jī)理。
　　(5)通過(guò)對(duì)含斷裂構(gòu)造模型的相似材料模擬試驗(yàn)，得出斷層帶對(duì)巖體采動(dòng)效應(yīng)有明顯的控制作用，從采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)傳遞規(guī)律及位移場(chǎng)特征可以看出，斷層

9、帶對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的傳遞有明顯的阻隔作用，當(dāng)煤柱寬度小于30m后，采動(dòng)應(yīng)力會(huì)在上盤巖體近斷層帶附近產(chǎn)生集中，導(dǎo)致斷層上、下盤巖體中采動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)明顯差異，從而使兩盤巖體沿?cái)鄬用娉霈F(xiàn)了明顯的位移差，最終上盤巖體沿?cái)鄬訋С霈F(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致斷層“活化”，揭示了斷層對(duì)巖體采動(dòng)效應(yīng)的控制作用與采動(dòng)誘發(fā)斷層“活化”機(jī)理。
　　(6)結(jié)合研究區(qū)恒源煤礦山西組下組煤6煤Ⅱ615工作面底板注漿加固改造工程，對(duì)注漿前后底板巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基于巖塊力學(xué)性質(zhì)

10、及波速測(cè)試、巖體原位波速測(cè)試，得出注漿后底板中砂巖段強(qiáng)度提高1.36倍，泥巖段提高1.01倍，砂巖段注漿效果顯著:通過(guò)底板采動(dòng)破壞深度實(shí)測(cè)，得出Ⅱ615工作面注漿后底板破壞深度為14m，比類似開采條件下，未注漿Ⅱ614工作面底板采后破壞深度減小，說(shuō)明由于注漿改造工程造成底板巖體結(jié)構(gòu)不同，從而采動(dòng)效應(yīng)亦不同，進(jìn)一步揭示了底板巖體采動(dòng)效應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)控制機(jī)理。
　　(7)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與原位實(shí)測(cè)研究得出，采取底板注漿加固改造措施后，底板