基于赵固二矿煤岩损伤程度范围确定及渗透率演化规律研究_弓昊.pdf

第 5 卷第 1 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.1 2023 年 2 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Feb.2023 013023-1 弓昊，李铮，胡皓宇.基于赵固二矿煤岩损伤程度范围确定及渗透率演化规律研究J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(1)：013023.GONG Hao，LI Zheng，HU Haoyu.Determination of the damage degree of coal rocks and study on the evolution law of permeability based on Zhaogu No.2 Coal MineJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(1)：013023.基于赵固二矿煤岩损伤程度范围确定及 渗透率演化规律研究 弓 昊1，李 铮2，胡皓宇2 (1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)摘 要：我国东部矿区深埋薄基岩厚煤层的开采面临着许多技术难题。受工作面开挖卸荷 效应的影响，覆岩将发生大变形非连续破坏，而上覆岩层的非线性破坏是导致厚冲积层中水沙涌入工作面的根本原因。为了确定煤层及覆岩的损伤程度范围以及渗透率的演化规律，采 用现场实测与数值模拟手段，以超声波波速的分布规律定量表征煤壁的损伤程度范围，以覆 岩塑性区的高度和体积表征覆岩的损伤程度范围，并对FLAC3D的渗流模式进行二次开发，分 析工作面推进过程中覆岩及采空区渗透率的演化规律。研究结果表明：煤壁的损伤范围与 超前支承压力峰值范围一致，67 m；覆岩塑性区的高度以及损伤程度随着工作面推进距离的增大而增大，当工作面推进至130 m时，覆岩达到充分采动，塑性区形状呈“马鞍”形分布；隔水层未破坏前岩体的渗透率与垂直应力呈负指数分布，隔水层破坏后高渗透率区域呈明显 的分区现象，采空区岩体的渗透率随着冒落矸石的逐渐压实而降低。通过覆岩高渗透率范围的分布确定水沙渗流的主要区域，为赵固二矿14030工作面顶板突水溃沙的防治提供理论 依据。关键词：深埋薄基岩；超声波波速；覆岩塑性区；渗透率；隔水层 中图分类号：TD325 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)01-3023-14 Determination of the damage degree of coal rocks and study on the evolution law of permeability based on Zhaogu No.2 Coal Mine GONG Hao1，LI Zheng2，HU Haoyu2(1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；2.School of Energy and Mining Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)Abstract：There are many technical problems with the mining of deep thick coal seams with thin bedrock in the mining areas in eastern China.Due to the influence of the excavation unloading effect of the working face，which is bound to cause large deformation and discontinuous failure of the overburden，the nonlinear failure of the overburden is the fundamental reason for the influx of water and sand into the working face in the thick alluvium.In order to determine the damage degree range of coal seam and overburden and the evolution law of permeability，this paper adopts the means of field measurement and numerical simulation to quantitatively 收稿日期：2022-06-14 修回日期：2022-07-26 责任编辑：施红霞 作者简介：弓昊(1997)，男，山西吕梁人，博士研究生，主要从事岩土工程、矿山压力与岩层控制等方面的研究工作。E-mail：GongHao13044486112 通信作者：李铮(1998)，男，河北武安人，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制等方面的研究工作。E-mail：lizheng_ DOI:10.13532/10-1638/td.20221208.002 弓昊等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013023 013023-2 characterize the damage zone of the coal wall from the distribution law of ultrasonic wave velocity and that of the overburden from the height and volume of overburden plastic zone.A seepage mode of FLAC3D was developed，which analyzed the evolution law of permeability of overburden and goaf during retreating the longwall panel.The results show that the damage zone of the coal wall is consistent with aera of the peak front abutment pressure，about 67 m.The height and damage degree of the plastic zone of the overburden increase with advancing distance of the working face.When the working face advances to 130 m，the overburden reaches full mining，and the plastic zone is distributed in a saddle shape.The permeability and vertical stress of the rock mass before the failure of the impermeable layer show a negative exponential distribution.After the failure of the impermeable layer，the high permeability area shows an obvious zoning phenomenon.The permeability of the rock mass in the goaf decreases with the gradual compaction of the caved roof.The main area of water and sand seepage is determined by the distribution of a high permeability range of overburden，which provides a theoretical basis for the prevention and control of water inrush and sand burst in the roof of 14030 working face of Zhaogu No.2 Coal Mine.Key words：deep buried thin bedrock；ultrasonic wave velocity；plastic zone of overburden；permeability；impermeable layer 我国煤炭资源开采现面临着西部特厚煤层与急倾斜煤层开采和东部深部煤层开采两大技术难题。我国东部矿区煤炭的赋存主要是以巨鹿煤田和焦作煤田为代表的深埋薄基岩厚煤层，此类煤田储量较大且煤质较好，为了安全高效开采此类煤炭资源，我国学者针对东部深部矿井开采存在的关键科学问题开展了大量研究。谢和平1-3等认为深部矿井岩体为典型的“三高”赋存环境，此时岩体的力学行为由线性向非线性转变，高能级、大体量的工程灾害难以预测和有效控制，根据深部矿井的初始地应力大小以及采动应力状态定义了亚临界深度、临界深度和超临界深度，给出了矿井是否进入深部开采的量化指标；王家臣4等基于相似模拟试验分析了厚冲击层与薄基岩中采动裂隙的扩展路径以及顶板动载冲击效应产生机制，并探究了动载冲击力的确定方法；王兆会5-6等发现了千米深井超长工作面支承压力沿工作面长度方向呈“两端大、中部小”的分布特征，且基岩存在明显的分区破断现象，并基于采动应力旋转轨迹提出了千米深井超长工作面围岩分区控制思想；文献7-8通过室内试验的手段分析了原煤中超声波的全程动态演化特征，并构建了超声波波速的预测模型，将其应用于综放开采顶煤冒放性预测中；杨胜利9等针对深部矿井分析了工作面高强度开采条件下煤岩变形破坏和围岩应变能分布特征，并揭示了采场煤岩动力灾变发生机制；张 村10-11等开展了卸压开采地面钻井抽采的数值模拟研究，并结合现场实际地质条件，分析了卸压抽采过程中围岩渗透率的演化规律以及西部深井覆岩导水裂隙带的动态演化过程；何祥12等基于损伤力学构建采动岩体损伤的本构模型，并定义了覆岩损伤度指标来定量表征开采扰动覆岩三维空间损伤程度；张农13等对泥岩进行渗透特性试验研究，得出了泥岩渗透率随荷载破坏的变化规律，结合渗流特征提出泥岩巷道防治渗流灾害的注浆稳定技术；王培涛14等对节理岩体进行渗透率张量特征分析，定义了渗流定向性系数，认为节理的分布特征对岩体渗透性有显著影响；车富强15等利用现场测试对裂隙岩体渗透张量进行修正，并对坝区进行三维渗流分析，验证了工程背景防渗措施的可行性；许兴亮16等通过室内试验分析了工作面前方支承压力对岩体渗透性的影响，并根据裂隙演化特征对工作面前方区域进行分区，认为卸压剪切裂隙发育区的岩体有着较强的渗透率；杨天鸿17-18等对矿井岩体突水机理和非线性渗流模型进行初探，建立了突水流体流动数值模型，认为陷落柱及导水破碎带是巷道突水的主要通道，破碎岩体渗流具有突水通道的应力扰动特性；师文豪19等建立了非达西流耦合模型，利用有限元模拟突水瞬态流动过程，认为导水通道中高速水流的惯性作用是形成突水的主要原因；马克20等考虑了裂隙几何特征和围压对岩体渗透率的影响，通过建立裂隙网络模型总结裂隙密度、倾角、迹 弓昊等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013023 013023-3 长及围压对渗透值的影响规律；屠世 浩21等研究了保护层开采过程中采空区渗透率的演化规