综放面覆岩移动与裂隙带瓦斯运移规律及瓦斯抽采工程实践

为１ ． １ ４～５ ８ ． ４ ８ｍ， 总平 均 厚 度 ２ ０ ． ６ ０ ｍ。 主 采 煤 层为 ８ 煤 层 ， 平 均 厚 为 １ ０ ． ５ ８ ｍ。 顶 板 主 要 为 泥
＃
落高度与裂隙发育高度基本保持不变 ， 采空区中部 裂隙开始压实闭合 。
岩 ， 细砂岩次之 ， 局部为粉砂岩或中砂岩 ， 部分地 段有炭质 泥 岩 伪 顶 ； 底 板 为 薄 层 状 砂 质 泥 岩 或 泥 岩 ， 局部为细砂岩 ； 层理和裂隙发育 ， 岩石破碎 。 ２ 综放面上覆岩层移动规律实验研究 ２ ． １ Ｒ Ｆ Ｐ Ａ 数值分析覆岩移动规律 ，即岩 Ｒ Ｆ Ｐ Ａ－Ｒ ｏ ｃ ｋ Ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｙ 石破裂过程分析方法 ， 是由东北大学岩石破裂与失 稳研究中心开发的岩石破裂全过程分析系统 ， 可以 计算并动态演示材料从受载到破裂的完整过程 ， 整 个系统具有较强的开放性 、 可扩展性 ， 且具有较好 的后处理功能 。 ２ ． ２ 模型建立 根据该矿的地质条件和柱状图建立的模型如图 １ 所示 。 沿走向方向取 ３ ０ ０ｍ， 垂直方向取 １ ５ ０ｍ。 ＃ 两侧各留 ５ 含 ９ 煤 层） ０ｍ 煤 柱 ， 煤 层 底 板 厚 度 （ ２ ０ｍ。
１２ ２ ３ ， ， Ｌ ｉ Ｈ ｕ ａ ｗ ｅ ｉ Ｌ ｉ ｕ Ｙ ｕ ｄ ｅ Ｚ ｈ ａ ｎ Ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ｇ ｇ ，
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（ ， ， ； １． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ Ｓ ａ ｃ ｅ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ Ｐ ｅ ｋ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ａ ｉ ｄ ｉ ａ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ ８ ７ １， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｐ ｇ ｙ，Ｈ ｊ ｇ ， ， ， ； ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ２． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｓ ａ ｆ ｅ ｔ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｓ ａ ｎ ｈ ｅ Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ ０ ６ ５ ２ ０ １， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｐ ｙ ｇ ｇ ｇ ｙ ， ， ， ， ） ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ３． Ｓ ａ ｆ ｅ ｔ Ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ Ｄ ｉ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｎ ｈ ｅ Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ ０ ６ ５ ２ ０ １ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｐ ｙ ｇ ｇ ｙ Ｓ ， ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｏ ｌ ｏ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ Ｌ ｕ ｌ ｉ ｎ ｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｅ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈ ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｍ ｅ ｎ ｔ Ａ Ｂ ｇ ｇ ｇ ｇ ， ｒ ｏ ｃ ｋ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｏ ｃ ｏ ａ ｌ ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｗ ａ ｌ ｌ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｔ ｏ ｆ ｐ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｙ ｏ ｆ ｔ ｏ ｃ ｏ ａ ｌ ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｗ ａ ｌ ｌ ｆ ａ ｃ ｅ ｉ ｓ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ Ｒ Ｆ Ｐ Ａ ａ ｎ ｄ ＵＤ Ｅ Ｃ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｇ ｇ ｙ ｙ ｇ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ． Ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｋ， ｍ ｉ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｕ ｌ ｅ ｉ ｎ ａ ｓ ｙ ｇ ｇ ｇ ｇ ｈ ｉ ｈ ｃ ｒ ａ ｎ ｎ ａ ｂ ｏ ｖ ｅ ｆ ｕ ｌ ｌ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｅ ｉ ｓ ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ．Ｇ ａ ｓ ｍ ｉ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ －ｍ ｇ ｙ ｇ ｇ ｐ ｙ ｇ ， ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｉ ｎ ｈ ｉ ｈ ｆ ｉ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｕ ｓ ｋ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｏ ｆ ａ ｓ ｍ ｉ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｇ ｙ ｙ ｇ ｇ ／ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｏ ｓ ｕ ｉ ｔ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｅ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ． ａ ｓ ｇ ｇ ， ， Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｔ ｏ ｃ ｏ ａ ｌ ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｗ ａ ｌ ｌ ｆ ａ ｃ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｍ ｏ ｖ ｉ ｎ ｒ ｅ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｔ ａ ｓ ｍ ｉ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｙ ， ， ， ， ｒ ｅ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｔ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｒ Ｆ Ｐ Ａ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ＵＤ Ｅ Ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ｌ ｕ ｌ ｉ ｎ ｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｅ ａ ｓ ｇ ｙ ｇ ｇ 为了研 究 综 放 开 采 后 顶 板 离 层 、 冒 落 、 垮 落 、 裂隙发育贯通情况 ， 本文基于芦岭煤矿实际地质条 件 ， 采用 东 北 大 学 Ｒ Ｆ Ｐ Ａ ２ Ｄ、 ＵＤ Ｅ Ｃ 软件进行数 值分析 ， 模拟采动裂隙发育过程 ， 研究采动应力分 布规律及高位岩层中瓦斯运移规律 ， 为开发煤与瓦 斯共采技术提供理论基础 。 １ 矿井概况 芦岭煤矿为立井多水平开拓 ， 采用中央边界通 风方式通 风 ， 采 煤 方 法 为 走 向 长 壁 低 位 放 顶 煤 开 采 。 主要煤层均具有煤尘爆炸危险性 、 自燃倾向性 （ 。 发火期为 ２～４ 个月 ） 井田可采及局部可采煤 层 （ 组 ）８ 层 ， 总 厚 度 ５ ６
ａ ｓ Ａ ｎ ａ ｌ ｉ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｍ ｉ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｔ ｐ ｐ ｙ ｇ ｇ ｇ ｇ ｙ ／ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｕ ｓ ｅ ｉ ｎ ｔ ｏ ｃ ｏ ａ ｌ ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｗ ａ ｌ ｌ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ － ｇ ｇ ｐ ｇ ｇ
８＃ 煤层综放开采时覆岩垮落状况如图 ２ 所示 。 工作面推 进 至 ４ ０ ｍ， 直 接 顶 冒 落 ， 基 本 顶 下 部开始有离层发 育 。 推 进 至 ５ ０ ｍ 的 过 程 中， 老 顶 出现初次来压现象 ， 基本顶岩层逐步分层垮落 ， 裂 隙发育扩展至 ３ ０ｍ 左右 。 工作面推进 ６ ０ ｍ 时，冒 落 带 高 度 约 为 ３ ０ ｍ， 裂隙发育扩展至 ４ ５ ｍ 左 右，冒 落 带 上 方 裂 隙 主 要 为水平裂隙 ， 垂直裂隙主要发生在工作面上方 ， 上 方裂隙与工作面导通 。 工作面推进至 ７ ０ ｍ 时，顶 板 冒 落 高 度 基 本 稳 定在 ３ ０～３ ５ｍ 之间 ， 裂隙发 育 扩 展 至 ６ ０ ｍ 左 右； 但是冒落带上方岩层发育的裂隙主要为水平离层裂 隙 ， 裂隙带两端垂直裂隙与工作面并未导通 。 工作面推进 至 ８ ０ ｍ， 顶 板 冒 落 高 度 依 然 稳 定 在３ ０～３ ５ ｍ 之 间， 裂 隙 发 育 高 度 至 ６ ０ ｍ 左 右， 裂隙发育基本 稳 定 ； 工 作 面 推 进 至 ９ ０ ｍ， 顶 板 冒
图 ２ ８＃ 煤层综放开采过程中上覆岩层活动状况
２ ． ３ ＵＤ Ｅ Ｃ 数值分析覆岩移动规律 ＵＤ Ｅ Ｃ 软件 是 针 对 非 连 续 介 质 模 型 的 二 维 离 散元数值计算程序 ， 可从宏观上把握岩体的力学特 性 ， 并通 过 地 应 力 测 试 掌 握 地 应 力 场 的 形 态 、 分 布。建 立 沿 倾 斜 剖 面—平 面 应 变 模 型， 范 围 取 ５ ０ ０ｍ×１ ７ ０ ｍ。 模 型 两 侧 面 为 滑 动 支 承 ， 底 部 为 固定支承 ， 上 部 边 界 依 据 关 键 层 理 论 加 载 均 布 载 荷 ， 数值分析整体模型如图 ３ 所示 。
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综放面覆岩移动与裂隙带瓦斯运移规律 及瓦斯抽采工程实践
２ 李华炜１， 刘玉德２ 张莉聪３
（ 北京大学地球与空间学院 ， 北京市海淀区 ，１ １． ０ ０ ８ ７ １； 华北科技学院安全工程学院 ， 河北省三河市 ，０ ２． ６ ５ ２ ０ １； ， ， ） 华北科技学院安全培训处 河北省三河市 ０ ３． ６ ５ ２ ０ １ 摘 要 基 于 芦 岭 煤 矿 的 地 质 条 件 ， 通 过 建 立 综 放 工 作 面 开 采 的 岩 层 力 学 模 型 ， 运 用 Ｒ Ｆ Ｐ Ａ、ＵＤ Ｅ Ｃ 计算软件 ， 对上覆岩层移动规律进行数值模拟计算 ； 结合岩层移动特征 ， 研 究了综放工作面覆岩高位裂隙瓦斯运移规律和机理 ， 由此确定出瓦斯运移的关键层位 ， 找出 适合煤与瓦斯共采的基本条件 。 关键词 综放工作面 覆岩移动规律 瓦斯运移规律 瓦斯抽采 Ｒ Ｆ Ｐ Ａ 软件 ＵＤ Ｅ Ｃ 软件 芦岭煤矿 中图分类号 Ｔ Ｄ ３ ２ ５ Ｔ Ｄ ７ １ ２ 文献标识码 Ｂ
图 ３ ＵＤ Ｅ Ｃ 数值分析整体模型
工作面推进过程中上覆岩层裂隙的演化过程如 图 ４ 所示 。 当工作面推进至 ４ ０ ｍ 时， 直 接 顶 冒 落， 基 本 顶岩层开始出现水平离层裂隙 。
图 １ 数值力学计算模型
推进至 ６ ０ｍ 时 ， 基 本 顶 岩 层 进 入 冒 落 带 ， 冒 落带高度约为 ３ ０ ｍ， 裂 隙 发 育 高 度 为 ４ ５ ｍ 左 右， 冒落带上方裂隙主要为水平裂隙 ， 垂直裂隙主要发 生在工作面上方 ， 上方裂隙与工作面导通 ， 贯通裂 隙主要分布在冒落带内 。
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