浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究.docx
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浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究
目录
摘要1
1绪论5
1.1研究背景5
1.1.1采动水土流失现状5
1.2研究的目的和意义6
1.3研究现状和发展趋势6
1.3.1浅埋煤层地表隔水层国内外研究现状6
1.3.2物理相似模拟试验研究现状与趋势6
1.4研究内容与技术路线7
2隔水层的应力–应变及其相似条件9
2.1隔水层的应力–应变及其相似条件9
2.2本章小结10
3隔水层相似配比实验11
3.1相似配比实验设计11
(1)模拟材料的选择11
(2)配比实验设计12
3.2相似配比的应力–应变变化规律13
(1)水和油影响剂的比较13
(2)砂土比的影响14
(3)最佳配比的确定14
3.3本章小结15
4岩层移动和隔水层稳定性模拟16
4.1模拟背景和模型设计16
4.1.1实验设计16
4.1.2实验过程16
4.2顶板基岩和隔水层垮落规律17
(1)首分层开采17
(2)二分层开采17
4.3顶板基岩和隔水层移动规律19
(1)首分层开采20
(2)二分层开采20
4.4隔水层稳定性及控制途径21
(1)基岩对隔水层稳定性的影响21
(2)下沉梯度控制指标21
5结论及感想23
5.1结论23
5.2感想23
参考文献25
致谢27
附录28
浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究
摘要
随着全球对环境的关注,煤炭开采也向环保方向发展,提出了煤矿绿色开采理念,其中保水开采日益受到重视[1~4]。
我国陕北普遍赋存浅埋煤层,陕北榆神府矿区大部分地区松散风积沙层下存在着由第四系中更新统离石黄土(Q21)和第三系上新统三趾马红土(N2)组成的粘土层,为砂层含水层的直接隔水底板,是该地区重要的隔水层。
因此粘土隔水层的采动隔水性能对实现浅埋煤层保水采煤具有重大意义,隔水层的采动稳定性模拟是开展浅埋煤层采动水土流失规律和保水开采控制研究的关键,其相似模拟材料的研制与配比变化规律研究则是模拟实验的基础、前提。
相似模拟技术在采矿、水利和岩土工程领域得到广泛应用[5],然而矿山相似模拟技术主要局限于对岩层等脆性材料弹性段的模拟[6]。
陕北浅埋煤层隔水层主要由塑性明显的土层组成,传统的脆性材料模拟技术难以满足要求。
对于黏土隔水层,其塑性变形特性有利于减缓导水裂隙产生,保持为隔水稳定性。
模拟隔水层的变形性质,特别是峰后塑性变形特性是隔水层稳定性模拟的关键。
因此,实现隔水层应力–应变全程相似的模拟技术就成为保水开采研究的基础。
作者[7,8]曾经采用石蜡作胶结剂、河砂作骨料的方法模拟黏土隔水层,但研究发现,石蜡在低温时脆性较强,温度较高时塑性较强,性能不稳定。
2006年后,开始了对塑性模拟材料的开发,探索了应力应变全程相似的模拟材料和配比[9]。
本文讨论了相似材料及配比的合理性和实验结论的可靠性。
实验研究得到了可以模拟隔水层的应力应变全程性质,实现了柔性岩土层的相似模拟。
本论文的研究促进了相似模拟由线性模拟向应力应变全程仿真模拟的发展,为采动地表水土流失规律和保水开采控制研究提供了有效手段。
关键词:
浅埋煤层;粘土隔水层;相似模拟及配比;下沉梯度;保水开采
1绪论
1.1研究背景
1.1.1采动水土流失现状
陕北榆神府矿区属于神东煤田,神东煤田地处我国西部的毛乌素沙漠和陕北黄土高原的接壤地带,水资源贫乏,植被稀疏、生态环境脆弱,社会发展水平低,自然状态下环境质量呈下降趋势。
由于煤矿开采,导致地表水、煤系含水层的人工疏干及采动形成导水裂隙带引起的自然疏干,造成本已十分珍贵的矿区水资源白白地消耗和浪费。
水资源的的破坏、流失将改变地表土壤的持水性和水土平衡结构,致使表土疏松,裸土、裸岩面积扩大,加剧矿区水土流失,导致土地荒漠化,最终导致地质环境质量、生态环境的彻底恶化。
浅埋煤层下的开采对水土流失和土地荒漠化的影响更严重,因此在本来就脆弱的西部生态环境里,对浅埋煤层进行开采所造成的环境效应势必更加明显,影响也更为严重。
1.2研究的目的和意义
在水资源比较贫乏的本区,合理地开采和利用宝贵的水资源对保证矿区顺利开发,具有重要的现实意义。
受技术、条件的限制,现场隔水层的破坏规律是不可视的,但是利用相似实验可以有效、便利地开展对采动隔水性影响因素、控制条件的研究。
相似模拟实验的前提是相似材料的选取,模拟实验的准确度及相似条件的实现情况,又在很大程度上依靠相似材料及配比选取的正确性,故相似材料的选择成为了隔水层研究的基础与根本。
可以预见,隔水层的采动隔水性研究及控制进而确定保水开采技术与理论,是建设山川秀美大西北的重要课题,具有重要意义。
因此,关于浅埋煤层长壁开采下顶板隔水层采动破坏规律、采动隔水性影响控制条件以及潜水流失机理的研究,成为目前亟待解决的重要课题[10]。
1.3研究现状和发展趋势
神府东胜煤田的神东、榆神府矿区是我国跨世纪建设的特大型矿区,但是该地区又受水资源贫乏、生态环境脆弱的严重制约。
该煤田赋存的突出特点是埋藏浅(150m)、地表为厚沙土层,采动效应非常明显。
且沙漠覆盖层下的三趾马亚粘土隔水层上蕴藏着宝贵的潜水,对脆弱的地表植被的生长以及该地区的经济、社会、生活用水起着关键作用。
因此,本论文针对隔水层的物理力学性质、采动前后水理性,拟对其相似材料及配比做深入研究,为顶板隔水层的采动破坏规律及其岩层移动等规律做一个初探。
1.3.1埋煤层地表隔水层国内外研究现状
(1)浅埋煤层地表隔水层国外研究状况
澳大利亚B.霍勃尔瓦依特博士等(1981)对新南威尔士浅部长壁开采进行了实测,发现了浅埋采空区迅速压实、顶板岩层迅速整体移动的现象[11]。
印度(1996)也在进行浅部煤层开采(埋深70米左右),虽然矿区的地表主要为土层,开采过程中仍然出现了工作面压垮事故[12]。
近年来,美国等西方国家开始了对地表下的浅部表土层的采动破坏和沉陷规律的研究,WestvieginirUniversity的LuoYi和S.S.Peng教授开展了大量研究工作[13]。
由检索情况知,由于地质条件不同,国外研究仅限于对矿压及地表塌陷现象实测分析,对浅埋煤层条件下隔水层的直接研究较少。
(2)浅埋煤层地表隔水层国内研究状况
在岩层控制领域,侯忠杰、黄庆享教授[14]在93年进行的大柳塔首采面含潜水沙土层下开采模拟研究中,探讨了开采引起溃水灾害的可能性。
1999年,黄庆享教授主持的煤炭青年基金项目“上覆含水松散层的采动水理性对关键层载荷的影响”,首次提出了采动水理性的工程概念,对隔水层和潜水层的性质进行了初步研究。
对厚沙土层随基岩关键层的破坏规律和机理展开了系统的理论研究,为隔水层破坏规律的研究提供了理论基础。
于是黄庆享教授在2003年获得教育部科学技术研究项目“厚沙土层下浅埋煤层开采的地表水土流失机理研究”,开展了对浅埋煤层采动地表隔水层破坏规律及其采动裂缝系统形成规律的研究;2005年,又获得了国家自然基金项目“浅埋煤层地表隔水层的采动隔水性研究”,展开了对隔水屋更深入的研究。
1.3.2物理相似模拟试验研究趋势
西安科技大学在90年代初以“固-液”相似模拟实验研究水下开采,石平五、黄庆享教授于2000年承担了陕西省重点实验室建设项目“高精度固液气三相介质模拟实验装置”,于2002年初步建成,为多相模拟实验的开展提供了设备支持。
2003年侯忠杰教授及其研究生张杰等[15,16,17]在该设备上开展了固液耦合模拟实验,从薄基岩和富水厚风积沙两方面来研究确定间歇式开采的参数,对基岩层的固液耦合相似材料的选取、配比及相关参数作了深入的研究。
1.4研究内容与技术路线
利用单相及固——液两相模拟实验,模拟所选用的相似材料制成的隔水层在采动影响下的破坏性能及隔水性,验证所选材料的适宜性。
技术路线图
2隔水层的应力–应变及其相似条件
2.1隔水层的应力–应变及其相似条件
榆树湾煤矿隔水层由红土和黄土层构成,通过三轴实验获得了土样的应力–应变全程曲线,按照几何相似比;容重相似比;强度、弹性模量、黏聚力相似比;作用力相似比,应变相似比。
图1给出了土样模型的应力–应变曲线。
煤、岩层按照常规方法计算,黏土的强度和应变参数,如表1所示。
2.2本章小结
在现场调研勘察的基础上,通过粘土隔水层地质质料的收集与原样单、三轴力学实验,认真总结分析了具有保水意义的陕北浅埋煤层上的粘土隔水层力学、水理特征,准确地掌握了研究对象的力学、水理性能,为下步实验的展开储备了准确详实的原始资料。
3隔水层相似配比实验
3.1相似配比实验设计
(1)模拟材料的选择
相似材料选取的基本原则[18,19,20,21]:
根据相似原理,模型试验所采用的模拟材料要求与原型材料在主要的物理、力学性质方面具有较好的相似性,除此之外,所选用的模拟材料一般还应当符合下列要求:
①变形性质和强度性质符合相似原理的要求;
②在进行破坏试验时,模型材料具有类似的结构和相似于原型材料的破坏特性;
③实验过程中材料力学性质稳定,基本不受外界环境的影响,如温度、湿度、实验室内运输材料等作业引起的一般震动;
④材料配比的改变与力学性质的调整有一定规律性的变化,能适应实验的要求;
⑤制作方便,凝固时间短,成型容易,并能在尽量短的时间内达到预定的性质;
⑥成本较低,货源稳定充足,满足经济易行的原则。
河砂的选择:
依据模拟对象为土层,而影响土强度的一般物理性质:
在相同的相对密度下,粗砂粒的内摩擦角较大;其它条件相同时,颗粒表面的粗糙度会增加土的内摩擦角;相同实实状态下,颗粒粒径大的土的强度高。
故应选用磨圆度好、粒径小的充填材料,以从材料组成方面降低相似材料的强度[22]。
黏土的选择:
粘土隔水层的离石黄土层岩性为亚粘土及亚沙土;三趾马红土层为粘土、砂质粘土,结构致密。
鉴于隔水层的粘土矿物含量高,具有使开采形成的裂隙易于迅速闭合及隔水的特性,应选择具有低渗透性、强膨胀性特征的粘土。
在配制大多数相似材料时,均需用水来拌和其它相似原料。
水在配制相似材料中的作用主要表现在三方面:
一是作为相似材料之一;二是大部分胶结材料需在水的作用下才能凝结,起到对充填材料的胶结作用;三是满足制作模型的工艺要求。
隔水层模拟材料选用河砂、黏土、水及机油4种原材料,其中砂作为骨料,土作为胶结剂,水和油作为土的黏性及塑性影响剂,进行配比实验。
这些材料价格低廉,方便获取。
(2)配比实验设计
为了提高效率,采用“变单因素法”确定合理砂土比及水或油与土的比例。
根据实验的研究目的与内容,实验分为两部分:
(1)第一部分为力学实验,按不同的配比、不同的含水量制作试样,按设计的养护方案进行养护,然后进行无侧限抗压实验测定各配比下的抗压强度及应力应变曲线,以研究各配比的强度及塑性变化规律。
(2)第二部分为水理性实验,研究配比、含水量对模型水理性的影响规律。
根据以往研究[13],首先选用砂土比1∶1(质量比)为初值,分别采用水土比1∶5、水油土比1∶1∶10、油土比1∶5,测定油和水对材料性能的影响,确定合理的影响剂;然后,分别按照砂土比(河砂:
黏土)2.0∶1,1.2∶1,1.0∶1和0.8∶1进行实验,确定合理的砂土比;最后,分别进行油土比1∶5.0,1∶4.5,1∶4.0,1∶3.0
和1∶2.0进行对比实验,确定合理的油土比。
3.2相似配比的应力–应变变化规律
(1)水和油影响剂的比较
通过实验,可以得出砂土比为1.0∶1时,不同水(油)土比的应力–应变曲线(见图2)。
由此可见,油作为影响剂能有效降低试件的强度,对材料的弹性模量、残余强度和应变等塑性指数也有显著影响,相似材料的应力–应变曲线与原型曲线比较相似,因此确定油作为影响剂。
(2)砂土比的影响
在油土比为1∶5时,不同砂土比的应力–应变全程曲线(如图3)所示。
由此可见,当砂土比大于1.0∶1时,材料强度随砂土比的减小而减小;当砂土比小于1.0∶1时,其强度又有升高的趋势。
当砂土比为1.0∶1时,与其它配比下的强度相比,该配比下的砂土接触应是最充分,土的胶结性能发挥的最充分,故其强度最大归因于其胶结能力最大。
随着配比的降低,试件的性能向土的性能接近,土已成为主要骨料,从而决定了试件强度向低强度发展的趋势。
材料强度最低,并且其峰值应力和应变及残余强度都与换算模型值接近,因此确定选用砂土比为1∶1。
(3)最佳配比的确定
在砂土比为1∶1时,不同油土比的相似材料应力–应变曲线如图4所示。
由此可见,砂土比为1.0∶1,油土比为1∶3.0时,强度最低;当油土比小于1∶3.0时,其强度随着油土比的增大而降低;当油土比大于1∶3.0时,其强度又有增大的趋势。
此外,当油土比为1∶4.0时,残余强度最低;在油土比小于1∶4.0时,残余强度变化不大,但当油土比大于1∶4.0时,残余强度有显著增大的趋势。
在砂土比为1∶1,油土比为1∶4.0和1∶4.5时,二者的应力–应变全程曲线与原型换算曲线最为接近。
根据模拟经验,由于模型铺装的密度小于
相似材料试件的密度,加上铺装过程的分层和人工节理裂隙工艺,实际模型强度要低于试件强度10倍,所以上述配比是本次模拟的最佳配比。
3.3本章小结
通过大量的相似材料配比试验,研究了在不同的配比下材料应力–应变曲线,找到了符合陕北浅埋煤层地表粘土隔水层的非脆性、低强度、大变形和水理性相似模拟的最佳配比方案。
4岩层移动和隔水层稳定性模拟
4.1模拟背景和模型设计
以榆树湾煤矿首采区地质条件为原型,模拟黏土隔水层稳定性规律,为保水开采提供科学依据。
榆树湾首采区地质特征如表2和图5所示,地层含水层主要是黄土层之上的地表潜水。
在隔水层下的基岩风化层也含有少量裂隙水,但对工作面威胁不大。
工作面采用倾斜分层长壁综合机械化采煤法。
工作面长250m,走向长5810m,符合平面模型条件,按照1∶200的几何相似比进行相似模拟实验。
在顶板基岩关键层(距煤层56m)、隔水层底部(距煤层120m)及地表分别布置位移测线,观测岩层运动规律。
基岩、风化层采用传统原料砂、石膏、大白粉铺装,黏土隔水层采用新开发的上述材料及配比铺装,首次实现隔水层的应力应变全程相似模拟。
采用分层开采方法,首分层采高5m,二分层采高6m,首分层采完后采二分层。
4.2顶板基岩和隔水层垮落规律
为了便于理解,将实验数据还原为原型值,得出的工作面顶板垮落规律如图6所示。
(1)首分层开采
首分层大范围开采后,垮落带高度为90m,主要在基岩内,裂隙带高度达到120m,波及风化层(见图7)。
实测首采工作面顶板淋水规律(见图8),证实了此刻为风化层裂隙水,说明模拟结果可靠。
(2)二分层开采
二分层多工作面开采后,顶板垮落高度达到166m,比首分层开采增大76m。
黏土层的垮落高度为46m(见图9),接近隔水层厚度的一半,隔水层稳定,保水开采是安全的。
首分层开采导水裂隙带高度约为采高的20倍,二分层开采导水裂隙带高度约为总采高的16倍
4.3顶板基岩和隔水层移动规律
模拟实验得出采动顶板56m层位采动顶板和隔水层下沉规律如图10所示。
(1)首分层开采
①顶板56m层位基岩的主要下沉发生在工作面后方60~120m,下沉量2.6m,是采高的55%。
②顶板120m层位的隔水层底部和地表的下沉规律基本一致,表现为平缓的连续下沉,说明首分层开采后,黏土隔水层连续完整。
③首分层开采的基岩和隔水层下沉量如图11所示,图中所示为2个相邻工作面开采的56m层位基岩和隔水层底部测线的下沉曲线。
由此可见,大范围开采后,基岩测线最大下沉量由原来单工作面的2.5m,增大为2.6m。
隔水层测线下沉表现为连续平缓下沉。
(2)二分层开采
①由于首分层采动导致顶板破碎,采后基岩移动比较及时,主要下沉位移发生于工作面后方10~60,120m后基本稳定,最大下沉量为9.2m,为采厚的82%。
②隔水层下沉滞后于基岩约50m,主要下沉位生于工作面后方60~100m,最大下沉量为7m,为采厚的63%。
③二分层开采的基岩和隔水层下沉量如图12所示,56m层位的基岩测线和隔水层底部测线下沉明显大于首分层开采。
二分层采动地表下沉曲线平缓连续,说明上部隔水层完整,可以保护地表潜水。
4.4隔水层稳定性及控制途径
通过2个分层开采的模拟,发现隔水层稳定性有如下影响因素:
(1)基岩对隔水层稳定性的影响
2个分层的开采过程中,隔水层的主要位移发生于工作面后方60~120m,基本上是基岩厚度的0.5~1.0倍,隔水层运动总是滞后于基岩的运动,说明隔水层的稳定性受基岩运动的明显影响,通过控制基岩关键层的运动可望改善隔水的层稳定性。
(2)下沉梯度控制指标
采动地层移动过程,在工作面后方存在主要下沉区,该区的采动裂隙明显发育,可能成为导水通道。
将下沉曲线中单位宽度上的下沉量称为下沉梯度Ts,则有Ts=Δs/Δl
(1)
式中:
Δs为单位宽度上的下沉量(m),Δl为单位宽度(m)。
在下沉量不变的条件下,如果通过控制基岩顶板的运动,增大主要沉降区的宽度,就等于降低了下沉梯度,减缓了导水裂隙的产生。
因此,下沉梯度也可以作为隔水层稳定性判定和控制指标。
如榆树湾首分层开采,56m层位基岩的主要下沉区位移工作面后60~80m,宽度20m,对应下沉量2m,下沉梯度为0.100,其导水裂隙发育,导致淋水。
隔水层下沉区间为60~140m,宽度80m,相对下沉量仅0.4m,下沉梯度为0.050,无导水裂隙,隔水层稳定。
二分层开采,隔水层底部在工作面后60~100m内下沉量6m,下沉梯度为0.150,该层位土层失稳。
但是,隔水层上部土层的下沉梯度仅为0.0005,隔水层稳定。
5结论与感想
5.1结论
通过模拟研究,结合分层开采矿压实测验证,得出如下认识:
(1)通过将保水开采技术运用于浅埋煤层中,既可以保证煤矿的生产,又可以实现煤矿开采与生态系统的和谐。
(2)实验研究取得的配比规律满足了粘土隔水层采动隔水性研究验的要求,实现了试样的应力应变全曲线模拟,达到了力学性能全过程的相似,促进了相似模拟由脆性模拟向应力应变全程仿真模拟的发展,也为采动地表水土流失规律和保水开采控制研究奠定了基础。
(2)黏土隔水层具有较强的塑性变形和遇水膨胀性,隔水层稳定性模拟必须考虑应力应变全程相似和水理性相似。
(3)顶板基岩关键层仍然是隔水层稳定性控制的关键,指出隔水层下沉梯度TS为控制隔水层导水裂隙出现的指标。
,通过控制基岩关键层的运动可望成为隔水层稳定性的有效控制途径参考。
5.2感想
在这个冬至素裹寒,春近冰雪残的日子,完成了论文的初稿。
从组队到初稿完成已经历了几个月的时间,从开始的踌躇满志到之后的彷徨,迷津之中,在老师的殷切指导下,我们很顺利的完成了本篇论文,我们坚信努力事春耕,年年知有生,在雾散梦醒后看见了真实。
在漫长的几个月中,岁月退去了尘云,以永恒的踵音,发现每个人都在专业知识方面有着不小的进步,同时也有所成长,思想的成熟,可能每天忙了又忙,可能伤了又伤,可能无数眼泪在夜里尝了又尝,可是换来了希望,可是换来了成长。
当然,团队的协作很重要,这次论文彰显我们团队精神的一次机会,每个人都把自己融入了这个团队之中,山河挽手,为我们的杰作一笑。
每位队员都在为我们的论文而努力着,为我们的作品付出了自己的汗水与艰辛,在繁忙的学习中,利用自己的休息时间为我们共同的目标而努力着。
在完成这论文的同时,我们感慨万千,感触颇深,也从中认识到了自己,我们不好也不坏不特别出众,但是我们敢不同,我们就是一错再错,错完了再从头,我们不想一直晒太阳吹风,要知道咸鱼也有梦,也有不腐烂的自尊。
我们没有任何天赋,但是我们却又梦的天真,如果有梦,不知有没有错,错过才会更加明白,明白坚持是什么;如果有梦,梦要够疯,够疯才能变成英雄,总会有一天,会有我的传说;如果有梦,梦要够疯,够疯才能变成英雄,总会有一天,会有我们的天空。
最后希望我们的团队,再接再厉再歌再泣,共享我们逝去的青春岁月。
我们坚持了,我们开心了。
“有志者事竟成,百二秦关终属楚,苦心人天不负,三千越甲可吞吴”
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