受开采方式影响下的采场底板破坏特征试验分析
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模拟试验方案二院逐层开采袁先上后下袁即先开 采 A 3袁 待覆岩稳定后再开采 A 1 袁3 灰中压力水袋布 置与方案一中相同遥 2.2 试验过程
本次试验主要按模型铺设尧 试验准备和承压水 上开采 3 个阶段进行遥
在模型铺设阶段袁首先调整好模型架袁将一定比 例的各种相似材料铺在模型中模拟实际岩层袁 各岩 层之间用云母粉加以分隔袁 为实现含水层上开采的 承压效果袁在 C3 灰岩层中安设压力水袋遥 在试验前 准备阶段袁用白色涂料将模型表面粉刷袁并用黑色墨 线标出 5 cm ×5 cm 的网格袁 可以更好的监测煤层开 采后采场围岩变形破坏过程遥
ence. Keywords: Fluid-structure interaction 曰 Stope floor 曰 Sim ilar m aterial sim ulation 曰 Crack
0引言
华北石炭二叠系煤田是我国重要的产煤区 之一袁 这部分煤炭产区最下部煤组底板赋存有丰富 的太原组灰岩含水层及奥陶纪灰含水层袁 一般与煤 层间距 30 ~ 1 00 m 袁容易形成底板突水遥 承压水上煤 层开采的主要方法有 2 种[1 ]院一是强力抽水卸压曰二 是工作面承受一定水压力进行开采遥 为减少对煤层 底板扰动破坏袁 降低开采强度是行之有效的方法之 一[2]袁对于厚煤层袁采用分层开采可以减小采动应力 对煤层底板的影响程度袁 底板隔水层破坏深度也会 减少袁这方面理论及实践研究成果较丰富[3-6 ]袁但 2 种行对比研究遥
1冤 工作面采用不同开采方式时袁底板产生裂隙 时间不同袁 但产生裂隙的方位和裂隙的类型大体一 致袁基本在采空区中部袁岩层受拉产生竖直方向的张 开裂隙曰随工作面推进距离增加袁底板应力卸载程度 及卸载压范围增大袁 在含水层附近沿层理方向出现 顺层裂隙袁在停采线位置袁顺层裂隙斜向上发育形成 穿层裂隙遥
图 3 一次采全高工作面底板裂隙分布
ulation experim ent, this paper analyses the close thick coal seam m ining and m ining step by step a downward with two ways, the floor wa-
ter-resisting layer fracture developm entand distribution, the results show thatthe two types ofm ining will m ake coal floor from top to bottom in
图 6 一次采全高底板裂隙带分布
逐层开采时袁底板破坏裂隙分布如图 7 所示遥 底 板自上而下分 4 个区域袁与 2 个煤层同时开采相比袁 新增了底板岩层损伤带袁 可以看作底板有效隔水岩 层厚度袁 这也就意味着逐层开采时底板受采动应力 影响较小袁底板裂隙未完全贯通袁该开采方式对底板 突水事故的发生能起到有效预防作用遥
[6] 鞠俊超. 潘北矿 A 组煤顶分层综采工作面矿压显现规律 [D ]．安徽理工大学袁201 4.
第一作者简介院
张大欢渊 1 984-冤 袁男袁安徽宿州人袁本科袁现在淮南矿业渊 集
团冤 有限责任公司顾桥煤矿从事煤矿安全生产及技术管理工
作袁巷道支护技术研究遥
渊 收稿日期院2020-1 1 -1 2冤
渊 上接第 1 37 页冤
参考文献院
[1 ] 琚彦斌. 煤矿供电系统越级跳闸问题研究 [J]. 矿业装备袁 2021渊 1冤 院1 06-1 07.
[2] 裴新宇.煤矿智能化远程集控系统分析[J].矿业装备袁2021 渊 1冤 院1 1 6-1 1 7.
Deformation and Failure Characteristics Analysis of Thick Seam Mining
Floor above Confined Water
ZH AN G D ahuan1 袁FU Bao jie2
渊 1.
曰
2.
232001 袁 冤
Abstract: M any factors affect stope floor's stability, under the action offluid-structure interaction, m ining intensity change ofcoal floor water-resisting layer fracture occurrence, developm ent, expansion and its distribution are differentdegree effects. Based on sim ilar m aterial sim -
2冤 2 层煤同采时袁 受采动应力及底板水压作用袁 底板破坏程度较逐层开采时更为充分袁底板破坏过程 更加明显遥 A 1 尧A 3 两煤层同时开采时袁3 种形态裂隙 相互贯通袁工作面底板 3 灰承压水突水危险性增加遥
图 4 开采上分层时底板裂隙分布
3冤 逐层开采下煤层时袁重复采动使得煤层顶板 随采随冒袁 采空区中煤层底板在较短时间被上覆垮 落岩层压实袁 致使上煤层开采时已产生的裂隙部分 闭合渊 见图 5冤 遥
turn form ed: with vertical fractures, oblique wear layer fracture beltand bedding fissure zone, justclose occurrence with thick coal seam m ining, confined water and the m ining stress com bination to m ake coal floor dam age m ore fully, three kinds ofcrack com m unication trend is m ore
obvious, and layered m ining, roofcaving fully have been placed in a crack in the rock would lead to partly closed, and help to bottom for pre-
vention and control ofwater disasters; The results can be confined water in m ining floor instability m echanism research to provide the refer-
3冤 近距离厚煤层由上而下逐层开采时袁煤层底 板受顶板充分垮落岩层的压实作用袁 使得已产生的 裂隙部分闭合袁尤其在泥质岩层中袁弥合的裂隙也将 会阻隔流体遥
参考文献院
[1 ] 冯梅梅. 带压开采煤层底板阻隔水性能的力学分析及应用 研究[D ]. 徐州院中国矿业大学袁2007.
[2] 刘玉德袁尹尚先袁顾秀根.高突危险水体上煤层开采下限及带压 开采分区研究[J].中国安全生产科学技术袁201 0袁6渊 3冤院54-59.
窑139窑
2021 年第 4 期
煤矿现代化
第 30 卷
图 5 开采下分层时底板裂隙分布
4冤 根据二次试验结果得出的底板裂隙分布规 律袁总结出不同开采方式下底板破坏分区遥
2 个煤层一次同采的底板裂隙分布院靠近煤层底 板 1 2 ~ 1 3 cm 范围形成竖向裂隙带曰向下 6 ~7 cm 范 围形成斜向穿层裂隙带曰 再向下 4 ~ 5 cm 为顺层裂 隙带遥 所形成 3 种形态裂隙相互贯通袁严重威胁工作 面安全回采遥 具体划分如图 6 所示遥
为对比分析承压水体上厚煤层不同开采方式底 板岩层裂隙发育尧扩展尧贯通的动态过程袁鉴于相似 试验具有直观性强尧灵活性高尧重复性好等优点袁可 窑138窑
以形象地描述受采动影响下煤层底板变形尧 破裂过 程袁 通过对比分析开采方式对底板导水裂隙发育规 律的影响袁为承压水上煤层开采方案设计提供参考遥
1 地层条件
图 7 开采下分层底板裂隙带分布
4结论
1冤 受采动应力及水压双重作用下袁近距离厚煤 层整体一次开采较逐层开采对煤层底板扰动影响剧 烈袁导致底板岩层破坏更加充分袁更容易形成底板导 通裂隙袁发生工作面突水遥
2冤 工作面开采后袁先后在煤层底板形成竖向张 裂隙尧顺层裂隙及斜向穿层裂隙袁不同的开采强度使 得 3 种裂隙发育范围及相互沟通程度不同遥
模型设计开切眼距离模型左边界 60 cm 袁停采线 距模型右边界 60 cm 遥 每次 2 h 开挖 5 cm 袁近似于实
图 2 相似模型
3 不同开采方式底板破坏特征
通过相似模拟实验袁得出了 A 1 尧A 3 2 个煤层同 时开采及逐层开采时袁采场底板裂隙演化规律袁据此 总结了不同开采方式下底板隔水层破坏特征院
2 相似材料模拟试验
2.1 试验方案设计 按图 1 所示柱状袁 设计并实施了 2 种相似材料
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模拟试验方案袁 旨在分析不同开采方式对底板破坏 规律袁了解底板隔水层围岩变形尧裂隙扩展特征遥
际工作面推进 5 m 遥 整体模型如图 2 所示遥
图 1 岩层柱状
模拟试验方案一院一次采全高渊 A 3+ 夹矸 +A 1冤 袁 在 3 灰岩层下部放置压力水袋袁水袋在模型最下部遥
淮南潘谢矿区 A 组煤由于储量丰富尧结构稳定尧 发热量高等优点袁为矿井创造了巨大的经济效益遥 A 组煤主要由 A1 和 A3 两煤层组成袁 其中 A1 煤层均 厚 3.78 m 袁A 3 煤层均厚 5.07 m 袁 2 个煤层之间有 1 ~5 m 夹层袁局部合成特厚煤层袁煤层埋深约为 500 m 遥 但 由于该煤组底板赋存有灰岩强含水层袁开采过程中袁 主要是太原组 3 灰含水层对 A 组煤安全回采构成威 胁袁3 灰水压约 4.5 M Pa袁具体如柱状图 1 所示遥
模型养护 7~1 0d 达到要求后袁应将重力加载尧变 形测试尧电法测试系统及时安装袁然后进入承压水上 开采阶段遥 开采时袁在模型上边界布置 6 个千斤顶补 充地层压力 3.5 M Pa遥按应力相似比袁为实现现场 4.5 M Pa 水压以煤层底板的作用袁通过调节水头高度袁使 得水袋压力达到 0.027 M Pa遥
[3] 蒋升袁孔杰袁钟宜涛袁王敏．极近距离煤层下分层开采矿压 显现规律[J]．煤矿安全袁201 2袁43渊 1 2冤 院65-68.
[4] 肖洪天袁张文泉袁温兴林袁李白英．分层开采底板岩体渗透 性变化的试验研究[J]．煤炭学报袁2000袁25渊 2冤 院1 32-1 36.
[5] 肖洪天袁温兴林袁张文泉袁李白英. 分层开采底板岩层移动 的现场观测研究[J]. 岩土工程学报袁2001 袁23渊 1冤 院71 -74.
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受开采方式影响下的采场底板破坏特征试验分析
张大欢 1 袁 付宝杰 2
渊 1 . 淮南矿业渊 集团冤 公司 袁 安徽 淮南 232001 袁 2. 安徽理工大学袁能源与安全学院 袁 安徽 淮南 232001冤
摘 要院承压水上煤层开采底板稳定性受多种因素影响袁其中开采方式是影响底板稳定性主要因素之 一袁不同开采方式对煤层底板隔水层裂隙发生尧发育尧扩展及其分布均会产生不同程度影响遥 通过相似 材料模拟试验袁研究了近距离厚煤层大采高全厚开采与下行分层开采两种方式下袁底板隔水层裂隙发 育及分布规律袁结果表明院2 种开采方式均会使煤层底板自上而下依次形成院竖向张裂隙带尧斜向穿层 裂隙带及顺层裂隙带袁不同的是袁2 个煤层大采高一次同采时袁承压水及采动应力双重作用使煤层底 板破坏更加充分袁3 种裂隙沟通趋势更为明显袁而分层开采时袁顶板充分垮落岩石会促使已产生的裂 隙部分闭合袁有助于底板水害的防治曰研究结果可为承压水上开采底板失稳机理研究提供参考遥 关键词院流固耦合 曰 采场底板 曰 相似模拟 曰 裂隙 中图分类号院TD 32 文献标志码院A 文章编号院1 009-0797渊 2021冤 04-01 38-03
本次试验主要按模型铺设尧 试验准备和承压水 上开采 3 个阶段进行遥
在模型铺设阶段袁首先调整好模型架袁将一定比 例的各种相似材料铺在模型中模拟实际岩层袁 各岩 层之间用云母粉加以分隔袁 为实现含水层上开采的 承压效果袁在 C3 灰岩层中安设压力水袋遥 在试验前 准备阶段袁用白色涂料将模型表面粉刷袁并用黑色墨 线标出 5 cm ×5 cm 的网格袁 可以更好的监测煤层开 采后采场围岩变形破坏过程遥
ence. Keywords: Fluid-structure interaction 曰 Stope floor 曰 Sim ilar m aterial sim ulation 曰 Crack
0引言
华北石炭二叠系煤田是我国重要的产煤区 之一袁 这部分煤炭产区最下部煤组底板赋存有丰富 的太原组灰岩含水层及奥陶纪灰含水层袁 一般与煤 层间距 30 ~ 1 00 m 袁容易形成底板突水遥 承压水上煤 层开采的主要方法有 2 种[1 ]院一是强力抽水卸压曰二 是工作面承受一定水压力进行开采遥 为减少对煤层 底板扰动破坏袁 降低开采强度是行之有效的方法之 一[2]袁对于厚煤层袁采用分层开采可以减小采动应力 对煤层底板的影响程度袁 底板隔水层破坏深度也会 减少袁这方面理论及实践研究成果较丰富[3-6 ]袁但 2 种行对比研究遥
1冤 工作面采用不同开采方式时袁底板产生裂隙 时间不同袁 但产生裂隙的方位和裂隙的类型大体一 致袁基本在采空区中部袁岩层受拉产生竖直方向的张 开裂隙曰随工作面推进距离增加袁底板应力卸载程度 及卸载压范围增大袁 在含水层附近沿层理方向出现 顺层裂隙袁在停采线位置袁顺层裂隙斜向上发育形成 穿层裂隙遥
图 3 一次采全高工作面底板裂隙分布
ulation experim ent, this paper analyses the close thick coal seam m ining and m ining step by step a downward with two ways, the floor wa-
ter-resisting layer fracture developm entand distribution, the results show thatthe two types ofm ining will m ake coal floor from top to bottom in
图 6 一次采全高底板裂隙带分布
逐层开采时袁底板破坏裂隙分布如图 7 所示遥 底 板自上而下分 4 个区域袁与 2 个煤层同时开采相比袁 新增了底板岩层损伤带袁 可以看作底板有效隔水岩 层厚度袁 这也就意味着逐层开采时底板受采动应力 影响较小袁底板裂隙未完全贯通袁该开采方式对底板 突水事故的发生能起到有效预防作用遥
[6] 鞠俊超. 潘北矿 A 组煤顶分层综采工作面矿压显现规律 [D ]．安徽理工大学袁201 4.
第一作者简介院
张大欢渊 1 984-冤 袁男袁安徽宿州人袁本科袁现在淮南矿业渊 集
团冤 有限责任公司顾桥煤矿从事煤矿安全生产及技术管理工
作袁巷道支护技术研究遥
渊 收稿日期院2020-1 1 -1 2冤
渊 上接第 1 37 页冤
参考文献院
[1 ] 琚彦斌. 煤矿供电系统越级跳闸问题研究 [J]. 矿业装备袁 2021渊 1冤 院1 06-1 07.
[2] 裴新宇.煤矿智能化远程集控系统分析[J].矿业装备袁2021 渊 1冤 院1 1 6-1 1 7.
Deformation and Failure Characteristics Analysis of Thick Seam Mining
Floor above Confined Water
ZH AN G D ahuan1 袁FU Bao jie2
渊 1.
曰
2.
232001 袁 冤
Abstract: M any factors affect stope floor's stability, under the action offluid-structure interaction, m ining intensity change ofcoal floor water-resisting layer fracture occurrence, developm ent, expansion and its distribution are differentdegree effects. Based on sim ilar m aterial sim -
2冤 2 层煤同采时袁 受采动应力及底板水压作用袁 底板破坏程度较逐层开采时更为充分袁底板破坏过程 更加明显遥 A 1 尧A 3 两煤层同时开采时袁3 种形态裂隙 相互贯通袁工作面底板 3 灰承压水突水危险性增加遥
图 4 开采上分层时底板裂隙分布
3冤 逐层开采下煤层时袁重复采动使得煤层顶板 随采随冒袁 采空区中煤层底板在较短时间被上覆垮 落岩层压实袁 致使上煤层开采时已产生的裂隙部分 闭合渊 见图 5冤 遥
turn form ed: with vertical fractures, oblique wear layer fracture beltand bedding fissure zone, justclose occurrence with thick coal seam m ining, confined water and the m ining stress com bination to m ake coal floor dam age m ore fully, three kinds ofcrack com m unication trend is m ore
obvious, and layered m ining, roofcaving fully have been placed in a crack in the rock would lead to partly closed, and help to bottom for pre-
vention and control ofwater disasters; The results can be confined water in m ining floor instability m echanism research to provide the refer-
3冤 近距离厚煤层由上而下逐层开采时袁煤层底 板受顶板充分垮落岩层的压实作用袁 使得已产生的 裂隙部分闭合袁尤其在泥质岩层中袁弥合的裂隙也将 会阻隔流体遥
参考文献院
[1 ] 冯梅梅. 带压开采煤层底板阻隔水性能的力学分析及应用 研究[D ]. 徐州院中国矿业大学袁2007.
[2] 刘玉德袁尹尚先袁顾秀根.高突危险水体上煤层开采下限及带压 开采分区研究[J].中国安全生产科学技术袁201 0袁6渊 3冤院54-59.
窑139窑
2021 年第 4 期
煤矿现代化
第 30 卷
图 5 开采下分层时底板裂隙分布
4冤 根据二次试验结果得出的底板裂隙分布规 律袁总结出不同开采方式下底板破坏分区遥
2 个煤层一次同采的底板裂隙分布院靠近煤层底 板 1 2 ~ 1 3 cm 范围形成竖向裂隙带曰向下 6 ~7 cm 范 围形成斜向穿层裂隙带曰 再向下 4 ~ 5 cm 为顺层裂 隙带遥 所形成 3 种形态裂隙相互贯通袁严重威胁工作 面安全回采遥 具体划分如图 6 所示遥
为对比分析承压水体上厚煤层不同开采方式底 板岩层裂隙发育尧扩展尧贯通的动态过程袁鉴于相似 试验具有直观性强尧灵活性高尧重复性好等优点袁可 窑138窑
以形象地描述受采动影响下煤层底板变形尧 破裂过 程袁 通过对比分析开采方式对底板导水裂隙发育规 律的影响袁为承压水上煤层开采方案设计提供参考遥
1 地层条件
图 7 开采下分层底板裂隙带分布
4结论
1冤 受采动应力及水压双重作用下袁近距离厚煤 层整体一次开采较逐层开采对煤层底板扰动影响剧 烈袁导致底板岩层破坏更加充分袁更容易形成底板导 通裂隙袁发生工作面突水遥
2冤 工作面开采后袁先后在煤层底板形成竖向张 裂隙尧顺层裂隙及斜向穿层裂隙袁不同的开采强度使 得 3 种裂隙发育范围及相互沟通程度不同遥
模型设计开切眼距离模型左边界 60 cm 袁停采线 距模型右边界 60 cm 遥 每次 2 h 开挖 5 cm 袁近似于实
图 2 相似模型
3 不同开采方式底板破坏特征
通过相似模拟实验袁得出了 A 1 尧A 3 2 个煤层同 时开采及逐层开采时袁采场底板裂隙演化规律袁据此 总结了不同开采方式下底板隔水层破坏特征院
2 相似材料模拟试验
2.1 试验方案设计 按图 1 所示柱状袁 设计并实施了 2 种相似材料
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模拟试验方案袁 旨在分析不同开采方式对底板破坏 规律袁了解底板隔水层围岩变形尧裂隙扩展特征遥
际工作面推进 5 m 遥 整体模型如图 2 所示遥
图 1 岩层柱状
模拟试验方案一院一次采全高渊 A 3+ 夹矸 +A 1冤 袁 在 3 灰岩层下部放置压力水袋袁水袋在模型最下部遥
淮南潘谢矿区 A 组煤由于储量丰富尧结构稳定尧 发热量高等优点袁为矿井创造了巨大的经济效益遥 A 组煤主要由 A1 和 A3 两煤层组成袁 其中 A1 煤层均 厚 3.78 m 袁A 3 煤层均厚 5.07 m 袁 2 个煤层之间有 1 ~5 m 夹层袁局部合成特厚煤层袁煤层埋深约为 500 m 遥 但 由于该煤组底板赋存有灰岩强含水层袁开采过程中袁 主要是太原组 3 灰含水层对 A 组煤安全回采构成威 胁袁3 灰水压约 4.5 M Pa袁具体如柱状图 1 所示遥
模型养护 7~1 0d 达到要求后袁应将重力加载尧变 形测试尧电法测试系统及时安装袁然后进入承压水上 开采阶段遥 开采时袁在模型上边界布置 6 个千斤顶补 充地层压力 3.5 M Pa遥按应力相似比袁为实现现场 4.5 M Pa 水压以煤层底板的作用袁通过调节水头高度袁使 得水袋压力达到 0.027 M Pa遥
[3] 蒋升袁孔杰袁钟宜涛袁王敏．极近距离煤层下分层开采矿压 显现规律[J]．煤矿安全袁201 2袁43渊 1 2冤 院65-68.
[4] 肖洪天袁张文泉袁温兴林袁李白英．分层开采底板岩体渗透 性变化的试验研究[J]．煤炭学报袁2000袁25渊 2冤 院1 32-1 36.
[5] 肖洪天袁温兴林袁张文泉袁李白英. 分层开采底板岩层移动 的现场观测研究[J]. 岩土工程学报袁2001 袁23渊 1冤 院71 -74.
2021 年第 4 期
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第 30 卷
受开采方式影响下的采场底板破坏特征试验分析
张大欢 1 袁 付宝杰 2
渊 1 . 淮南矿业渊 集团冤 公司 袁 安徽 淮南 232001 袁 2. 安徽理工大学袁能源与安全学院 袁 安徽 淮南 232001冤
摘 要院承压水上煤层开采底板稳定性受多种因素影响袁其中开采方式是影响底板稳定性主要因素之 一袁不同开采方式对煤层底板隔水层裂隙发生尧发育尧扩展及其分布均会产生不同程度影响遥 通过相似 材料模拟试验袁研究了近距离厚煤层大采高全厚开采与下行分层开采两种方式下袁底板隔水层裂隙发 育及分布规律袁结果表明院2 种开采方式均会使煤层底板自上而下依次形成院竖向张裂隙带尧斜向穿层 裂隙带及顺层裂隙带袁不同的是袁2 个煤层大采高一次同采时袁承压水及采动应力双重作用使煤层底 板破坏更加充分袁3 种裂隙沟通趋势更为明显袁而分层开采时袁顶板充分垮落岩石会促使已产生的裂 隙部分闭合袁有助于底板水害的防治曰研究结果可为承压水上开采底板失稳机理研究提供参考遥 关键词院流固耦合 曰 采场底板 曰 相似模拟 曰 裂隙 中图分类号院TD 32 文献标志码院A 文章编号院1 009-0797渊 2021冤 04-01 38-03