采动与煤岩裂隙演化规律李化敏 共43页

离层率/mm•m-1 离层量/m
第4第-82亚-6关亚键关层键离层层离率层率
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
第第86--主主关关键键层层离 离层层率率
第第24-6-8亚亚关关键键层层离离层层 量量 第 6第 -主8关-主键关层键离层层量离层量 3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
60
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
2、采动裂隙带的主要参数
（1）采动裂隙带演化高度 内外梯台面的高度并非随工作面的推进逐步升高，而是在 关键层破断后时，才有所变化。同时，由于采宽限制，一般当 采空区见方时，其高度为最大
采动裂隙带内外梯台带高度与推进距的关系
推进距 85 95 107 118 130 142 155 170 183 192 207 220
采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析
四
采动覆岩裂隙动态 演化特征及机理分析
四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析
1、采动裂隙带动态演化特征
（1）主关键层接触垮落矸石前 采场上覆岩层将形成曲面轮廓较为连续的采动裂隙圆矩梯 台带。如主关键层位于弯曲下沉带，梯台带上部离层裂隙较发 育，下部则有较多破断裂隙，并且内外梯台面高度不同； 如主关键层位于弯曲下沉带下方，其上方将有较少的离层 裂隙出现，但与下方的裂隙沟通较为困难
巷
0.5
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 与回风巷距离/m
沿工作面倾向的离层量分布规律
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
离层裂隙沿走向及倾向分布具有两大阶段、两个层位及三 个区间特征
① 阶段1（主关键层接触垮落矸石前） 上层位：垮落的最上位亚关键层上部。离层率及离层量沿 走向及倾向分布曲线呈高帽状，采空区中部离层最为发育。 下层位：垮落的最上位亚关键层下部。离层率及离层量沿 走向及倾向分布曲线呈驼峰状，沿走向在切眼、工作面附近裂 隙发育，采空区中部离层裂隙趋于压实；沿倾向在进回风巷附 近裂隙发育，采空区中部裂隙较小
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
1、采动裂隙带工程简化模型
岩层离层裂隙和破断裂隙 相互贯通后，在三维空间上形 成梯形堤坝状外部边界，当工 作面推进到一定距离，采空区 中部采动裂隙被压实，其边界 也可用近似梯形堤坝状来描述， 于是在垂直于煤层剖面上，近 似于一裂隙发育的梯形台
关键层 关键层
走向剖面形态示意图
170
25
23
平均 23.7
21.3
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
（4）断裂角的确定 一般沿煤层走向开切眼侧的断裂角大于工作面一侧。差 值的大小与工作面推进速度、覆岩层岩性相关。沿煤层倾向 一般情况下，由于煤层倾角的影响，回风巷处断裂角大于进 风巷，在支承条件相同且为近水平煤层或缓水平煤层时，回 风巷与进风巷附近的断裂角大约相等
采动裂隙带的走向带宽
推进距/m 95 107 118 130 142 155 170 183 192 207 220 平均
A1/m 33 33 34 32 33 33 32 33 32 32 31 32.5
A2/m 22 22 23 24 24 28 32 33 23 25 29 25.9
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
3、采动裂隙带高度
随工作面推进，裂隙高 度逐渐增大，但裂隙发展非 匀速，一般在经过若干循环 后才有离层动态变化，最高 离层层位大部分出现于未垮 的上位关键层下方
与煤层底板距离/m
120
100
裂隙最高位置 垮落高度
80
60
40
20
推进距
0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析
二
采动覆岩裂隙演化 规律模拟实验分析
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
走向及倾向物理相似模型
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
FLAC3D模型及网格划分图
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
1、采动覆岩破断裂隙分布规律
覆岩破断裂隙沿走向分 为三个阶段：①开切眼到顶 板初次来压前（范围大约 32m），裂隙密度较大；②采 空区中部垮落矸石被压实， 裂隙密度较小；③工作面附 近（范围大约26m），覆岩破 断裂隙分布密度仍然很大
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
当采空区见方时（即推进 距等于采宽），在垮落带中充 分卸压裂隙发育区形态转为圆 角方形圈，在断裂带随着离煤 推进170m距煤层顶板10mZ向位移 层顶板高度的增大趋于圆形
推进170m距煤层顶板40mZ向位移
采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析
三
采动覆岩裂隙带空间 工程简化模型及参数
内梯台带高度 22 30 30 44.5 44.5 56.5 56.5 88 88 97 97 97
外梯台带高度 33.5 47.5 47.5 58.5 58.5 88.5 88.5 97 97 97 97 97
破断关键层 第2亚 第3亚
第4亚
第5亚
第6亚
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
（2）走向带宽距的确定 走向带宽距与工作面开采 时的初次来压步距和周期来 压步距有密切关系，切眼附 近梯台带带宽大约相当于1倍 初次来压步距，工作面附近 的带宽则在2~3倍周期来压步 距间变化
离层率/mm•m-1
工作面推进85m
工作面推进142m
工作面推进220m
80
70 60
第2亚关键层初次垮落
主关键层明显弯曲
50
第5亚关键层初次垮落
40
30
20
10
0
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
距切眼距离/m
沿走向第三排与第七排测线间离层率分布
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
裂隙密度/条·m-1
8
6
4
2 裂隙 区B1
压实区
进 风 巷
裂隙 区B2
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 工作面宽度/m
沿倾向破断裂隙分布图
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
2、采动覆岩离层裂隙动态演化规律

n i1
ighi
in11Eihi3i2
(2)
qn1
1En1hn2n311
m1

iห้องสมุดไป่ตู้n1
ighi
im n11Eihi3i2
(3)
松 散 层
m ...
n+1 n ...
1
b
L
采场覆岩结构示意图
四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析
第1层、n+1层硬岩初次破断距
80 100 120 140 160 180 200 220
推进距
沿走向推进220m时第2~6、6~主关键层间离层率、离层量分布
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
离层量/m
未达主关键层1-4排 4
未达主关键层4-6排
达到主关键层1-4排
达到主关键层4-7排
3.5
3
2.5
2
1.5
裂隙区
1
进
裂隙区
风
裂隙最高位置、垮落高度
与工作面的推进距离之间关系
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
4、采动覆岩裂隙带形态
（1）主关键层接触垮落矸 石前，垮落的最上位亚关键层上 方与未垮关键层之间裂隙发育， 其下方在采空区四周覆岩裂隙较 为发育，采空区中部裂隙则被压 实，裂隙区及压实区边界线近似 为直线，从外形上看呈梯形状， 但内外梯形高度不同
裂隙密度/条·m-1
12 推进95m 推进170m
9
压实区
6
压实区
3
裂隙 0 区A1
裂隙 区A2
裂隙 区A2
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 工作面推进距/m
沿走向破断裂隙分布图
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
覆岩破断裂隙沿倾向也 分三个阶段：采空区中部 （范围大约123m）垮落的矸 石趋于压实，而进风巷（范 围 大 约 24m ） 和 回 风 巷 （ 范 围 大 约 21m ） 附 近 仍 各 自 保 持一个裂隙发育区，沿工作 面倾向分布呈驼峰状
关键层 关键层
倾向剖面形态示意图
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
平行于煤层面剖面，在一 矩形框内有一环状裂隙发育区 域，在环形圈中部是压实的裂 隙，如工作面足够长，则可形 成类似于经过圆倒角的矩形， 简称圆角矩形环，如果工作面
平行于煤层剖面形态示意图
较短或在裂隙带上部，可形成椭圆形结构。因此，在整个采场覆 岩中形成了一个更为形象的采动裂隙发育的圆角矩形梯台带
压实区
裂隙区
沿倾向形态
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
（3）沿平行于煤层剖面。
当采空区见方前（即推进距
小于采宽）及见方后（即推
进距大于采宽），在垮落带 推进90m距煤层顶板10mZ向位移 中充分卸压裂隙发育区形态
可以认为是圆角矩形圈，在
断裂带随着离煤层顶板高度
的增大趋于椭圆形
推进90m距煤层顶板40mZ向位移
裂隙区
压实区
沿走向形态
主关键层
裂隙区 压实区
沿倾向形态
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
（2）主关键层接触垮 落矸石后，主关键层下的采 空区中部被压实，但采空区 四周裂隙仍可保持，裂隙区 及压实区边界线也可近似为 直线从外形上看呈梯形状， 内外梯形高度相同
裂隙区
压实区
裂隙区
沿走向形态
主关键层
裂隙区
采动覆岩裂隙 动态演化形态及机理分析
河南理工大学 2019.9.12
研究内容
一、研究意义 二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析 三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数 四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析 五、主要结论
采动覆岩裂隙动态演化形态及机理分析
一、研究意义
我国大部分煤矿煤层原始透气性系 数较低，地面钻井采气、井下原始煤体 抽采和压裂增透试验均表明预抽效果较 差，应重点抽采采动影响下的卸压瓦斯。 煤层开采后将引起覆岩移动与破断形成 采动裂隙带，它的产生发展时空规律及 动态变化特征，与卸压瓦斯抽采密切相 关
12
14
14
梯台带内 岩层编号
12～22 12～39 14～39 14～42
内梯台面 最小高度
/m 22.1
23.1
32.0
33.0
外梯台面 最大高度
/m 56.2
97.8
108.8
133.4
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
（2）覆岩岩性 覆岩强度越大，冒裂带高度越大，覆岩空间结构演化高度 就越大，反之覆岩空间结构演化高度越小 （3）煤岩层倾角 倾角较大时空间结构高度沿工作面倾斜方向上呈现下端小、 上端大的变化形态。同时，倾角对断裂角也有影响 （4）工作面几何参数 演化高度受采空区短边跨度所控制，随着走向长度的增加 而增大，当走向与倾斜长度相同时，其破坏高度发育到最大
三、采动覆岩裂隙带空间工程简化模型及参数
3、采动裂隙带动态演化的影响因素
（1）煤层开采高度
煤层开采高度直接影响到采动裂隙带演化高度，随着煤层 开采高度的增加，垮落带范围将增大，从而使最低初始梯台带 高度增大
最低初始梯台带高度随采高的变化关系
采高/m
3.5 4.5 5.5 6.5
梯台带初 始
最低层位 12
w i4 D i3 L 4 iq iL 2 4 ib L i4 2 ib i2 3 b i4c2 o L x is c2 o b y is (1 )
第1层、n+1层硬岩破断时承受载荷
q1
1E1h1312
四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析
（2）主关键层接触垮落矸石后
主关键层 亚关键层
主关键层破断后垂直于煤层的剖面裂隙形态
内外梯台面高度将趋于一致，采动裂隙带将形成圆角矩形圈 或“O”形圈分布，可称为采动裂隙圆角矩形圈
四、采动覆岩裂隙动态演化特征及机理分析
2、基于弹性薄板的关键层判别条件
硬岩层挠度
（3）倾向带宽距的确定 倾向带宽距也与工作面开采时 的初次来压步距有密切关系，约 为0.7~0.8倍初次来压步距，倾向 带宽距取决于周边的支承条件， 如为近水平或缓倾斜煤层开采且 支承条件相同时，进、回风巷附 近带宽距相等
采动裂隙带的倾向带宽
推进距 /m
107
B1/m 22
B2/m 20
142
24
21
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析
② 阶段2（主关键层接触垮落矸石后） 主关键层下部离层分布规律类似于阶段1中的第二层位， 即在采空区中部离层趋于压实，而在采空区四侧（即切眼、工 作面、进风巷及回风巷侧）仍各自保持一个裂隙发育区，关键 层下离层沿走向采长分布呈驼峰状
二、采动覆岩裂隙演化规律模拟实验分析