唐山矿深部开采覆岩离层与法向裂缝分布规律研究

戴华阳,邓智毅,2,阎跃观,郭俊廷,廖孟光

(1.中国矿业大学 (北京),北京 100083;2.开滦 (集团)有限责任公司,河北唐山 063018)

唐山矿深部开采覆岩离层与法向裂缝分布规律研究

戴华阳1,邓智毅1,2,阎跃观1,郭俊廷1,廖孟光1

(1.中国矿业大学 (北京),北京 100083;2.开滦 (集团)有限责任公司,河北唐山 063018)

采用数值模拟与概率积分相结合的方法,对唐山矿铁二采区 T2291工作面开采进行了模拟,将覆岩裂缝按层间和法向两个方向分别研究,综合确定该工作面回采后覆岩裂缝分布范围。与数字式全景钻孔摄像实测的对比结果表明,模拟与实测结果相吻合,可以采用该方法确定覆岩裂缝的分布范围。

深部开采;离层;法向裂缝;分布规律;钻孔摄像

采动引起的覆岩移动破坏是一个复杂的问题,覆岩裂缝按其在空间的展布形态可分为离层和法向裂缝。近几十年来,国内外众多学者主要研究了离层的分布规律[1-4],对法向裂缝的分布规律研究较少。本文通过模拟各岩层在竖向的位移差和概率积分法模型预计各岩层的水平变形结果,分别确定了离层和法向裂缝的分布范围。

1 工作面地质概况

T2291工作面位于矿井 12水平铁二采区,平均采深 636m,走向长 1062m,倾向长 138m。开采9煤层,平均厚 10.0m,平均倾角 12°。

T2291工作面基本顶为灰色细砂岩,厚度约14.5m;直接顶为灰色砂质泥岩,厚度约 4m;伪顶为灰色泥岩,厚度约 0.5m;直接底为深灰色泥岩,厚约 4.5m;老底为深灰色砂质泥岩,厚度2.0m。

2 模型建立及参数选取

离散元法特别适用于节理岩体的应力分析,在隧道工程、采矿工程以及边坡工程等方面都有一定的应用研究,本次数值模拟研究采用离散元软件2D-Block进行模拟研究。

2.1 数值模型建立

以唐山矿铁二采区 T2291工作面倾向剖面为原型,从上到下简化为 11层,如图 1(a)所示。建立沿倾向剖面数值计算模型设计图,模型长度为1400m,高度为 813m。如图 1(b)所示。模型底部边界固定;水平方向上左右两侧施加水平位移约束;顶部为自由边界。

2.2 模型材料力学参数选取

根据岩石力学实验结果,本次模拟岩土体物理力学参数及块体尺寸见表 1。

3 T2291工作面开采后覆岩裂缝带分布规律

3.1 法向裂缝分布规律研究

利用唐山矿实测地表移动参数确定了 T2291工作面各岩层移动变形的预计参数,并预计了各岩层水平变形值。

脆性岩石的抗拉伸变形小于 3%,塑性岩石的抗拉伸变形小于 5%[5],因此,近似取所界定的塑性岩石极限变形的1/6(9mm/m)作为岩体的抗拉伸变形临界值,法向裂缝区左右两侧边界及各岩层水平变形的预计结果如图 2所示 (图中单位：m)。

图1 T2291工作面倾向剖面数值计算模型

图2 法向裂缝分布边界

表1 计算模型岩性参数及块体划分尺寸

模拟结果显示,工作面回采后,覆岩向采空区一侧移动过程中产生的裂缝,除垮落带外,法向裂缝尺寸相近的位置连接起来近似呈 “U”形分布,垮落带上方一定范围内和覆岩最大水平变形值处法向裂缝的开裂尺寸较大。

3.2 层间裂缝分布规律研究

依据塑性岩层抗拉伸变形临界值的 1/10(5mm)作为判断模拟岩层剖分层之间是否发生离层的依据,图 3为离层分布形态及岩层剖分层竖直方向位移差曲线。

图3 离层分布形态及岩层剖分层竖直方向位移差曲线

模拟结果可知,离层在水平方向的延展长度以采空区中心法向方向对称,离层量从垮落带上方的最大值向上逐渐变小,在水平方向的延展尺寸由采空区向上逐渐变小,且离层向上发展到离煤层约200m(采厚的 20倍)处消失,离层在水平方向的延展尺寸小于采空区尺寸。

3.3 裂缝综合形态研究

由以上覆岩法向裂缝和层间裂缝发育规律及其分布范围得到了 T2291工作面上方裂缝带分布的综合影响范围图,如图 4所示 (图中单位：m)。

根据覆岩内部水平拉伸变形的大小,把裂缝带分为：严重破裂区、微小破裂区和重新闭合区。严重破裂区的特点是覆岩法向裂缝发育较其他分区充分、离层发育情况一般;微小破裂区的特点是法向裂缝发育一般、离层发育较好;重新闭合区由于法向裂缝和离层动态发育过程中又重新闭合。因此,除垮落带上方一定范围的岩层外,具有法向裂缝和离层发育不太充分的特点。由模拟结果可得裂缝带高度为 246.5m,约为采厚的 25倍。

图4 T2291工作面覆岩裂缝综合形态结果

4 钻孔摄像实测裂缝高度与数值模拟对比分析

4.1 T2291数字式全景摄像钻孔平面位置

观测钻孔布设在 T2291工作面中部,钻孔距开切眼 350m,与回风巷的距离是 69m,与运输巷的距离是 69m,位置关系如图 5所示。

图5 观测钻孔布置平面

4.2 实测与模拟结果对比分析

图6(图中单位：m)为 T2291工作面开采前、后 2次钻孔摄像的实测结果示意,由图可知,T2291工作面数字式全景钻孔摄像观测范围为：采前位于 9煤上方 231.0～445.4m,采后观测范围位于9煤上方 106.3～471.7m。

此处还涉及上、下两层煤层的相互影响问题,而且 5煤开采时没有进行裂缝带观测。因此,需要首先对 5煤开采裂缝带高度做出评估。通常情况下,裂缝带的发育高度一般为采厚的 9～28倍[6],取煤层采厚的 25倍作为裂缝带的理论发育高度,得到 5煤裂缝带高度估值为 50m,5煤开采前钻孔摄像观测距 5煤最近距离为 171m,远大于 5煤采后裂缝带理论发育高度,因此,采前观测范围内覆岩裂隙均为原生裂隙。

由位于 9煤 T2291工作面上方 235m (图 7)、238.8～243.15m (图 8)处钻孔摄像观测在该工作面开采前、后的对比可知,T2291工作面开采前 2个观测位置均有原生裂隙,采后原生裂隙进一步扩大且产生新的裂缝;该工作面上方 253～445.4m(图 9～图 10)观测范围内,开采前、后钻孔摄像实测结果对比表明,原生裂隙进一步扩大,但并未产生采动裂缝。因此,T2291工作面开采后裂缝带的发育高度位于 243.15～253m范围内,约为采厚的 25倍。

图6 T2291工作面开采前、后钻孔摄像观测对比

图7 T2291采前、采后对比 (深度 401m)

数值模拟结果表明,T2291工作面重复采动条件下裂缝带发育高度为 247.1m,约为采厚的 10倍,与实测资料基本一致,表明利用数值模拟与概率积分相结合的方法综合确定覆岩裂缝分布范围是可行的。

图8 T2291采前、采后对比 (深度 392.85m～397.70m)

图9 T2291采前、采后对比 (深度 383m)

图10 T2291采前、采后对比 (深度 369m～370m)

5 结论

(1)采用离散元数值模拟与概率积分法相结合,研究了唐山矿 T2291工作面开采后裂缝带的分布规律和范围,并根据覆岩水平拉伸变形值将裂缝带分为：严重破裂区、微小破裂区和重新闭合区。

(2)数值模拟裂缝带发育高度为 247.1m,数字式全景钻孔摄像观测裂缝带发育高度位于243.15m～253m,两者结果吻合,约为采厚的 25倍。对比结果表明可以采用数值模拟与概率积分相结合的方法综合确定覆岩裂缝分布范围。

[1]刘天泉 .大面积采场引起的采动影响及其时空分布规律[J].矿山测量,1981(1)：70-77.

[2]北京开采所 .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.

[3]李树刚,钱鸣高,石平五 .综放开采覆岩离层裂隙变化及空隙渗流特性研究 [J].岩石力学与工程学报,2000(5).

[4]Syd S.Peng.Surface Subsidence engineering[M].The Society for Mining,Metallurgy,and Exploration, Inc.Littleton,Colorado,1992.

[5]王作堂,周华强,谢耀社 .矿山岩体力学 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2008.

[6]钱鸣高,石平五 .矿山压力与岩层控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

[责任编辑：徐乃忠 ]

Rule of Normal Fissure Distribution and Strata Separation in Deep Mining of Tangshan Colliery

DAI Hua-yang1,DENG Zhi-yi1,2,YAN Yue-guan1,GUO Jun-ting1,L IAO Meng-guang1
(1.China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Kailun Group Co.,Ltd,Tangshan 063018,China)

Applying combined method of numerical simulation and probability integral,fissures distribution range in overlying strata over T2291 mining face of 2ndmining area of Tangshan Colliery was simulated from horizontal and vertical direction.Compared with the result from borehole camera,the simulation result was fit for observation result.The method could be used to obtain fissure range of overlying strata.

deep mining;strata separation;normal fissure;distribution rule;borehole camera

TD325

A

1006-6225(2011)02-0008-04

2010-11-04

国土资源部公益性行业科研项目 (200911036)

戴华阳 (1964-),男,湖南湘阴人,教授、博士生导师。从事开采沉陷与“三下”采煤、变形监测方面的教学和研究工作。