工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究_王婉洁.pdf

第 5 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.2 2023 年 4 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Apr.2023 023033-1 王婉洁，高富强.工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(2)：023033.WANG Wanjie，GAO Fuqiang.Study of the evolution of mining-induced fractures with longwall face proceeds-insight from physical and numerical modelingJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(2)：023033.工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究 王婉洁1，高富强2,3 (1.煤炭科学研究总院有限公司 出版传媒集团，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)摘 要：了解工作面推进过程中采动裂隙的演化规律对于煤层气抽采及瓦斯控制至关重要。采用相似模拟和数值模拟的方法研究了工作面推进过程中采空区覆岩采动裂隙的演化规律，研究结果表明：采空区中部和采空区边界处靠近巷道的区域上覆岩层的采动裂隙存在截然不同的变化规律。采空区中部区域，上覆岩层的采动裂隙随着工作面的移进及越过呈现“迅速增加逐步减低稳定”的变化规律；采空区边界靠近巷道的区域，呈现“迅速增加稳定”的变化规律。远离开切眼、靠近巷道的采空区上覆岩层采动裂隙发育最为充分；工作面走向平行于最大水平主应力时的各区域采动裂隙发育，显著高于工作面走向垂直于最大水平主应力时的；较硬直接顶对于提高采动裂隙渗透率有积极作用。关键词：采动裂隙；瓦斯抽采；相似模拟；数值模拟 中图分类号：TD353 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)02-3033-10 Study of the evolution of mining-induced fractures with longwall face proceeds-insight from physical and numerical modeling WANG Wanjie1，GAO Fuqiang2,3(1.Publishing&Media Group，China Coal Research Institute，Beijing 100013 China；2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China；3.CCTEG Coal Mining Research Institute，Beijing 100013，China)Abstract：Understanding the evolution of mining-induced fractures with longwall face proceeds is of great importance to coalbed methane drainage and gas control.In this study，physical modeling and numerical simulation methods are used to study the evolution of mining-induced fractures with longwall face proceeding under the condition of three-dimensional space and time.It is found that mining-induced fractures within a given domain of overlying strata above the near gob center changes in a distinct way in contrast to a domain close to the entries.The fracture volume of a given domain in the overlying strata above the gob center show a rapid increase-decreasing-steady change pattern as the longwall face approaches and passes by，comparing to a rapid increase-steady change pattern of a domain close to the entries.Mining-induced fractures are most fully developed in the overlying strata that are away from the cut face and near the entries.Under the condition of the maximum horizontal stress parallel to the direction of the longwall panel，the development of mining-induced fractures is significantly higher than that under the condition of the maximum horizontal stress vertical to the direction of the longwall panel.A stronger immediate 收稿日期：2022-10-30 修回日期：2023-02-01 责任编辑：许书阁 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(52074154)作者简介：王婉洁(1982)，女，甘肃天水人，工程师，硕士。Tel：010-87986421，E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20230308.001 王婉洁等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023033 023033-2 roof has a positive effect on increasing the permeability of mining-induced fractures.Key words：mining-induced fractures；coal bed methane drainage；physical modeling；numerical modeling 工作面上覆岩层的透气性、裂隙的密度和连 续性决定着煤层气的抽采效率。赋存煤层气的岩层裂隙包括原生裂隙和由地下开采活动而引起的采动裂隙。了解工作面推进进程中采动裂隙的演化规律对于煤层气抽采及瓦斯控制至关重要。采动裂隙的产生和扩展取决于上覆岩层的类型及其地质力学特征1-4。随着长壁工作面的开采，采空区上覆岩层逐步跨落、下沉，至下而上形成典型的“三带”结构：垮落带、裂隙带和弯曲下沉带5-6。垮落带由上覆岩层跨落到采空区内的不规则断 裂岩块组成，其高度向上延伸可达36倍的煤层厚度7-8。裂隙带依据裂纹的分布特点由下而上分成3个部分，如图1所示。弯曲下沉带裂隙带垮落带贯通裂隙带水平裂隙发育带水平、垂直裂隙带 图1 采空区上覆岩层采动裂隙发育特征 Fig.1 Schematic of mining-induced fractures in the overlying strata above a mining-out area 由图1可知，在裂隙带下部，由层理离层而形成的诸多水平裂隙被大量的垂直裂隙贯通，将岩层切割成岩块；在中部，垂直裂隙的数量和连续性大为减弱，只有少部分的垂直裂隙可以延伸至水平裂隙并与之形成贯通；在上部，微量的垂直裂隙无法延伸到水平裂隙，因而只有水平裂隙的贯通。裂隙带的厚度可以达到100倍的煤层厚度7，每个部分的渗透性存在显著差异，且渗透性在不同方向上具有显著的非均质性，并受局部岩层地质力学特征的高度影响。因此地下开采活动造成的裂隙带及岩体破坏对上覆岩层的渗透性有重大影响。新裂纹的产生和扩展为煤层气提供了新的扩散路径，且采空区上覆岩层内其他岩体(如煤、砂岩)赋存的煤层气也会借助这些路径扩散。随着工作面的推进，上覆岩层裂隙带的三维空间状态也逐步发生变化，可见裂隙带的发展是一个涵盖了三维空间和时间因素的演化过程。因此，在设计煤层气抽采方案时，必须对煤层气赋存岩层的采动裂隙演化规律和分布特点进行准确把握，并以此为据确定抽采孔的参数，从而达到优化抽采孔设计方案、降低抽采成本，提高抽采效率的目的。获取采动裂隙演化规律最直接、有效的方法是对采动裂隙进行现场观测，常用的观测手段有钻孔窥视9-10、水文观测11、瞬变电磁法12、立体直流电法13及钻孔电磁波CT14等。这些方法均有助于现场获取真实的观测采动裂隙，但是无论哪种方法，都只能对有限的、观测域内的采动裂隙进行观测，无法(或很难)获取整个采空区上覆岩层的采动裂隙场全貌。且采动裂隙随工作面开采动态演化，长期持续性的观测非常困难且成本高昂。基于此，相似模拟15-17和数值模拟18-22等方法在采动裂隙的演化研究中被普遍采用，其可以较为真实地模拟工作面开采过程中，采空区上覆岩层的断裂及垮落的形态变化，及时、有效且较为全面地获取采动裂隙的几何参数。但现有的相似模拟和数值模拟绝大部分是在二维条件下完成的，只能获取采动裂隙在二维空间随时间的演化过程；此外，二维模型一般取沿工作面走向、通过工作面中心的一个竖直剖面，无法模拟工作面两侧巷道附近的采动裂隙演化过程。为了解决这些问题，笔者首先依据现场实际工程和地质条件建立工作面开采相似模型，模拟采空区中部上覆岩层在工作面开采过程中断裂及垮落的过程，重点分析特定区域采动裂隙的演化规律；然后，采用三维离散元方法建立工作面开采三维数值计算模型，在三维空间条件下模拟上覆岩层在工作面开采过程中断裂和垮落的过程，并与相似模拟结果相互佐证。1 采动裂隙演化相似模拟试验 采动裂隙演化相似模型依据晋城寺河矿2046工作面的工程地质条件建立。图2为2046工作面区域内煤层顶板YH77钻孔柱状及关键层判定图，图3为建立的相似模型。王婉洁等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023033 023033-3 6.27482.00煤层1.73475.73泥岩4.00474.00粉粒砂岩2.00470.00砂质泥岩6.00468.00细粒砂岩17.00451.00细粒砂岩7.00434.00砂质泥岩3.00427.00细粒砂岩8.00424.00砂质泥岩1.00416.00粉粒砂岩2.00415.00砂质泥岩3.00413.00细粒砂岩012348910111213413.001.00410.00砂质泥岩1415层厚/m埋深/m岩 性图例层号关键层位置亚关键层1亚关键层21.00462.00砂质泥岩57.00461.00粉粒砂岩63.00454.00泥岩73.00409.00细粒砂岩162.00406.00砂质泥岩17 图2 YH77钻孔柱状及关键层判定 Fig.2 Columnar section of No.YH77 borehole and key strata distribution 2.0 m开采煤层1.5 m 图3 工作面开挖相似模型 Fig.3 Physical model used for simulating longwall face