趙玉海
【摘 要】對于開采的各種地質(zhì)問題都是我們面臨的重要問題及難題,合理科學(xué)的方法可以避免事故的發(fā)生。
【關(guān)鍵詞】煤炭開采;煤層底板變形;滲透性
一、前言
煤炭的安全開采越來越升到國家的重視,每次煤炭開采坍塌事故都會造成大量人員傷亡,和嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失,加強(qiáng)對煤炭開采的地質(zhì)研究是時代必然。
二、現(xiàn)狀
礦井涌水是煤礦發(fā)生的五大災(zāi)害之一,嚴(yán)重威脅著工人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。隨著開采深度的增加,地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜,深井涌水問題日益突出。河南煤礦工作面位于背斜軸線上,煤層底板開裂。工作面留下的保水煤柱引起底板應(yīng)力集中,加劇了煤層底部的破壞,最終造成寒武系石灰?guī)r海水泛濫。出。華北淺層煤炭資源日益枯竭,深部煤炭資源的安全開采受到煤層底板封閉水的威脅?,F(xiàn)有的煤層底板突水評價(jià)方法主要是基于突水系數(shù)法。該方法只考慮了封閉水壓力和地面保水層厚度的影響,該方法的基本數(shù)據(jù)主要來自淺層煤層地面涌水案件。
在“三高一擾動”(高地應(yīng)力,高地溫,高滲透水壓力,強(qiáng)采動擾動)復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的深部巖體,增加了煤層底部開采破壞的深度,煤層。水的性能增加了煤層底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。華北地區(qū)深部煤炭資源受高壓水壓影響較大,難以滿足突水系數(shù)法規(guī)定的臨界值。
深部煤層底板的變形破壞機(jī)理和涌水規(guī)律特別復(fù)雜。現(xiàn)有的突水系數(shù)法難以應(yīng)用于深部煤層底板突水的風(fēng)險(xiǎn)評估。因此,深部煤層底板變形破壞機(jī)理及突水風(fēng)險(xiǎn)評估方法的研究是華北地區(qū)深部煤炭資源安全開采的主要安全生產(chǎn)任務(wù)。
三、對底板變形及滲透的研究
含水層條件和導(dǎo)水通道條件對采煤過程中發(fā)生的突水危害均有一定影響。對大量涌水案例的分析表明,通過制定突水系數(shù)的概念并建立其經(jīng)驗(yàn)公式,并根據(jù)試驗(yàn)選取的含水層壓力和水屏障厚度兩個主要影響因素,該公式可以快速應(yīng)用和推廣在采礦過程中。隨著研究過程的不斷推進(jìn)和深入,專家們考慮了壓力和水壓對地下室隔水層的破壞性影響。同時,他們從礦壓和水壓因素中選擇了底板損壞的深度。
因此,通過確定采煤過程中底板巖石的變形程度和破壞深度,評估煤層底板突水危害是必要的和重要的。經(jīng)過長期的實(shí)踐研究和經(jīng)驗(yàn),許多專家逐漸開始研究地質(zhì)和采礦因素對煤層底板破壞性突水的影響,取得了較好的效果。但由于地質(zhì)條件復(fù)雜,仍然需要系統(tǒng)地研究開采因素對煤層底板的變形破壞。這不僅可以幫助煤礦工人有效預(yù)測采煤過程中煤層底板突水情況,而且對煤礦未來走向具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。
1.底板巖體的滲透性隨著破壞而呈現(xiàn)出規(guī)律性變化
綜合以往的研究經(jīng)驗(yàn)表明,不同巖石應(yīng)變的應(yīng)變應(yīng)變曲線變化基本一致。隨著不同巖性巖石在不同階段的變化,分析各階段巖性巖石的性能是非常重要的。一般來說,在小裂縫閉合階段結(jié)束后,在彈性變形階段發(fā)展較好,隨后的成形階段在達(dá)到峰值強(qiáng)度時軟化應(yīng)變力。通過剩余強(qiáng)度值,可以獲得巖性巖石從殘?jiān)酵耆茐钠茐牡淖兓^程。在這個過程中,巖石體積逐漸減小,巖石滲透率隨著應(yīng)力的增加而變化很小。當(dāng)巖石峰值達(dá)到軟化階段時,滲透率達(dá)到最大值,然后再次下降。在殘余力量階段,一切都趨于平和。巖石的滲透性是應(yīng)變過程中的應(yīng)變函數(shù)。在這個過程中,巖石孔隙和裂縫被擠壓,巖石體積縮小,巖石穿透,應(yīng)力極端加強(qiáng),導(dǎo)致巖石巖石的滲透性。盡可能增加,但在這方面,不同的巖石有不同的變化。例如,測試了16個砂巖的全應(yīng)力-應(yīng)變過程。得出結(jié)論,巖石軟化應(yīng)變階段是滲透率最頻繁發(fā)生的階段。巖石破壞與滲透率不同步,但只有在破壞達(dá)到一定水平時才達(dá)到峰值。因此,在采煤過程中,必須防止巖石的進(jìn)一步破壞,并在破壞后使巖石軟化。
2.煤炭開采后巖體底板變形破壞特征及規(guī)律
我們將通過模擬FLAC(近年來一種新的數(shù)值分析方法)來探討煤礦開采對煤層底板破壞的影響。這種模擬方法是模擬不同煤層的長度。以礦區(qū)煤田為例,測量了煤層的深度,厚度和傾角,并對模型的長度,寬度和高度進(jìn)行了測量。模擬結(jié)果出來后,很明顯,有一個支撐應(yīng)力區(qū),煤層底受到前所未有的高壓,地面巖石的應(yīng)力減小。底板在前進(jìn)壓力的壓縮區(qū)呈現(xiàn)橫向彎曲的形式,巖體下部由于水平拉伸而開裂,并且隨著張力的增加而不斷變化。在工作過程中,隨著工作表面的增加,底部的巖石體將增加位移。當(dāng)工作面繼續(xù)前進(jìn)時,位移會明顯增加水平應(yīng)力,導(dǎo)致煤層底板總應(yīng)力增大,導(dǎo)致煤層底部破壞深度增加。強(qiáng)度增加的重要原因之一。
因此,在考慮采煤地板的破壞深度時,我們必須全面了解地板的變形和破壞情況。卸巖區(qū)位于工作面和采空區(qū)。加載過程相對穩(wěn)定后,卸載區(qū)可以長期存放在采礦工作面上,該區(qū)域是采礦過程中礦壓的直接破壞區(qū)域。煤層底板的垂直應(yīng)力隨著巖體中工作面的長度而增加。在采煤工作中,煤層的垂直應(yīng)力不斷減小,但采礦工作后,其應(yīng)力會逐漸增大。根據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)際情況的結(jié)果,整個煤層開采過程中出現(xiàn)的規(guī)律是穩(wěn)定不穩(wěn)定然后穩(wěn)定的過程。煤層自上而下的結(jié)構(gòu)可分為三個區(qū):彎曲下沉區(qū),裂隙區(qū)和下降區(qū)。橫向四個不同的區(qū)域是基于開采后的煤體底板的沖擊特性。狀態(tài)變化是從原始應(yīng)力狀態(tài)到壓縮變形向膨脹破壞最后恢復(fù)的一個從完整到破碎巖石的過程。接近原始壓力狀態(tài)。工作表面的不斷增加,巖體的各個部分都經(jīng)歷了一個循環(huán)變形過程。隨著地板的變化,地板的湍流會逐漸減少。在采煤過程中,當(dāng)?shù)撞繋r體處于原始巖石狀態(tài)時,滲透率普遍較低。當(dāng)?shù)貙訋r體處于高級軸壓下時,應(yīng)力逐漸增大,滲透率降低。當(dāng)巖體發(fā)生膨脹破壞時,巖體滲透性增大,滲透率在此期間達(dá)到最大值。在采空區(qū)壓力作用下,恢復(fù)到原來的狀態(tài),滲透率逐漸下降。
四、煤炭開采底板巖體變形破壞特征及滲透規(guī)律
為了了解煤炭開采對煤層底板變形破壞的影響,應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對不同回采工作面長度進(jìn)行了開采模擬計(jì)算。地質(zhì)模型12號煤層為對象(圖1),12號煤層深280~510m,煤層厚度平均約為6m,傾角為8o~3o。取模型的長(Y方向)、寬(X方向)、高(Z方向)分別為600m、500m、300m。地質(zhì)模型巖性由上至下依次為細(xì)砂巖、粉砂巖、12號煤層、泥巖、砂巖、粉砂巖和奧陶系石灰?guī)r,模擬采用Coulomb-Mohr力學(xué)模型,模型計(jì)算中各層所采用的巖石力學(xué)參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)獲得,在模擬開采過程中,是在初始應(yīng)力場的基礎(chǔ)上采用全部垮落法采煤,在回采空間的覆巖重量作為附加應(yīng)力分布在煤層和其兩側(cè)回采工作面邊緣。
五、結(jié)束語
通過對煤炭開采煤層底板變形破壞的分析,提出具有針對性的措施,研究滲透性的影響,總結(jié)出相應(yīng)的防護(hù)措施,預(yù)防重大事故的發(fā)生。
【參考文獻(xiàn)】
[1]張金才,張玉卓,劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京:地質(zhì)出版社,2017.