开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究.pdf
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1、第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期:;责任编辑:陈鑫源 :基金项目:教育部产学合作协同育人项目();中国地质大学(北京)课程思政教学改革项目();年大学生创新创业训练计划项目()作者简介:原源(),女,山西阳泉人,研究方向为地下水污染控制。引用格式:原源,王萌,王睿 开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究 能源与环保,():,():开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究原源,王萌,王睿(中国地质大学(北京),北京 ;中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司西安分公司,陕西 西安 )摘要:应用 数值模拟软件建立了开滦范各庄矿煤岩层地质力学模型,模拟了开采工作面长度、采煤深度以及采煤方法对煤
2、层底板破坏状态,结合突水系数公式,查明了奥灰含水层上开采因素对底板突水影响的定量关系。研究表明,当工作面长度为 时,底板破坏深度和突水系数变化起伏小;当工作面长度 或 时,底板破坏深度和突水系数随工作面长度增加而变化加剧。随着煤层开采深度由 增加至 ,煤层底板破坏深度和突水系数加大。分层开采法采煤的煤层底板破坏深度和突水系数比一次采全高法低,因而更安全。模拟结果和矿区实际采掘工作面长度及采煤方法相符合。关键词:底板突水;数值模拟;工作面长度;采煤深度;采煤方法中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(),;,):,;,:;矿井水灾是煤矿安全生产中的五大灾害之一,其中煤层底板突水事故占矿井水灾的
3、 。矿井突水在造成国家经济损失的同时,对矿区水资源与环境也造成巨大的破坏。煤层底板突水是煤层下伏承压水沿采煤工作面底板隔水层岩体内部通道突破底板隔水层的阻隔,以突发、缓发或滞发的形式向上涌入工作面采空区的过程,作为一种综合的水文地质现象,它受到多种地质因素和人为因素的影响 。本文应用 数值模拟软件,并结合开滦范各庄矿实际地质情况和突水系数公式,旨在查明煤层底板突水人为因素奥灰含水层上方开采工作面长度、采煤深度以及采煤方法对底板突水影响的 年第 期能源与环保第 卷定量关系。地质背景范各庄矿位于河北省唐山市古冶区境内,呈南北向狭长分布,为开平煤田的一部分,井田总面积为 。范各庄矿南北部均为向斜构造
4、,中部为单斜构造,断裂构造发育多,断层以 向、向为主,区内陷落柱大量发育。范各庄矿地层自上而下为第四系、二叠系、石炭系、奥陶系。煤系地层主要由石炭系、二叠系组成。目前矿内主采 号煤层,号煤层埋深为 ,煤厚平均 ,奥陶系灰岩含水层距 号煤层 ,奥灰水压为 。隔水层以泥岩为主,厚度 ,平均为厚 。号煤层底板保护层完整性较差,下伏巨厚的奥陶系灰岩含水层,其水压大、水量丰富,对煤炭资源的开采有着很大的威胁。矿区实际采掘工作面长度为 。地质模型 为有限元软件,采用有限差分法重复运算,可模拟地质材料 塑性本构关系和屈服极限时发生的破坏或塑性流动 。采用 软件建立范各庄矿地质模型(图 ),模型长(方向)、宽
5、(方向)、高(方向),倾角为 ,使用 网格单元,剖分 个单元和 个节点。结合范各庄矿实际地层,模型地层自上而下依次为细砂岩、粉砂岩、号煤、泥岩、砂岩、粉砂岩、奥灰岩。奥灰岩到 号煤层间隔水层厚度为 ,奥灰水压为 。模型中各岩层岩石学参数见表 。模型四周边界节点水平位移为零,边界节点可沿垂直方向移动,模型底部为固定边界,顶部边界附上覆岩层自重应力 。图 范各庄矿地质模型结构 表 模型中各岩层的岩石力学参数 岩性弹性模量 泊松比黏聚力 内摩擦角()抗拉强度 密度()细砂岩 粉砂岩 号煤层 泥岩 砂岩 奥灰岩 工作面长度对煤层底板突水影响模型设计 种采掘工作面长度分别为 、。模拟结果可知,随着采掘工
6、作面长度增大,煤层底板岩层破坏深度加深。种采掘工作面长度的煤层底板岩层发生明显位移,采空区顶底板 方向位移呈中部向两翼减小的盆状分布状态(图 )。试验数据表明砂岩在 方向位移 时发生破裂 ,结合模拟数据结果,得出 种采掘工作面长度煤层底板岩层发生破裂的深度分别为 、(图 )。由图 可知,工作面长度 时,曲线斜率 ,底板破坏深度随着工作面长度的增加而迅速增大;工作面长度 时,曲线斜率 ,斜率变化幅度小,底板破坏深度随着工作面长度的增加变化较小;工作面长度 时,底板破坏深度随着工作面长度的增加而迅速增大。开滦矿务局矿井水文地质及防治水工作细则 规定,在奥灰承压水上开采时,突水系数计算公式为:式中,
7、为突水系数;为隔水层承受的水压;为底板隔水层厚度;为采矿对底板隔水层扰动破坏厚度;为原始导水带高度,取值不得小于 。正常条件下,临界突水系数取 。将奥灰含水层上 种不同工作面长度模型底板破坏深度、水压 、隔水层厚度 、原始导水带高度 代入公式,计算得到各模型突水系数分别为 、(图 )。由图 可知,各采掘工作面长度突水系数均在临界突水系数 之内,突水危险性小。采掘工作面长度对煤层底板突水有较大的影响,随着工作面长度增加,底板隔水层抵抗奥灰水压的能 年第 期原源,等:开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究第 卷图 不同工作面长度的煤层底板岩层破坏位移 图 工作面长度与底板破坏深度的关系 图 工作
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