裂隙发育规律

裂隙发育规律（精选七篇）

裂隙发育规律 篇1

传统的认识认为, 导水裂隙带的边界起点位于煤壁处, 大量现场实测和研究发现导水裂隙带边界与煤壁位置关系是: 在煤壁前方或在煤壁上。从而描述导水裂隙带边界形态的参数要充分考虑边界起点的位置参数, 这显然与传统认识不一致, 对于软弱覆岩 ( 包括分层开采下分层) 条件下, 导水裂隙带形态为两边高中间略低的不明显“马鞍型”, 而在中硬岩层以上覆岩条件下则为两边高中间低的明显“马鞍型”。此外, 导水裂隙带从边界起点处到最高点的轮廓线也应考虑覆岩岩性组合条件 ( 本文的研究证明了这一点) 。

1导水裂隙带发育的动态特征

导水裂隙带随煤层开采, 覆岩的沉降、离层、破坏的形成具有从发生、发育 ( 上升) 、最大高度、回降、稳定的发育过程, 导水裂隙带最终形态必须是在工作面开采范围达到一定程度, 推过相应位置一定时间 ( 或距离) , 覆岩破坏移动随冒落研石离层、 裂隙压实而形成, 这在软弱岩层及中硬岩层条件的覆岩破坏动态探测及相似材料模拟中都得到了充分证明。

在冒落带岩块几乎充满整个采空区的条件下, 裂隙带的弯曲下沉能保持其破断后的岩块仍能互相依次整体排列, 从而在运动中各岩层间起互相制约的作用。根据测定, 破碎了的岩块群在受压后其最终点体积膨胀量只是原来整体体积的1. 05倍左右。随着冒落带压实, 裂隙带就逐步稳定。另外, 根据实际测定在裂缝带的各岩层之间存在离层现象。即层与层之间在移动过程中出现间隙。这种离层在离工作面不远 ( 向采空方向) 处开始, 随走向而逐渐扩大, 而后又逐渐变小, 到冒落带压实处岩层与岩层又合拢在一起。由于岩性不同, 这种离层可能出现也可能不出现。一般来说上覆岩层为软岩层而下部岩层为硬岩层, 层与层之间可能不存在离层, 若岩层排列次序相反, 则离层就会出现, 并且随着上下部岩层厚度与强度差别的增加而增大。

2导水裂隙带最大高度变化的特点

覆岩破坏范围的最大高度与开采厚度的关系最为密切。 一般随着采厚增大, 破坏高度也相应增加。以长壁全部冒落采煤法的导水裂隙带发育情况为例, 一般在炮采、普通机采条件下, 薄煤层单层开采或中厚及厚煤层初次开采时的覆岩破坏高度与采厚呈线性关系, 即随着采厚增加, 破坏高度将按线性比例增加, 如图1所示。

覆岩破坏范围的最大高度尤其是导水裂隙带最大高度与采厚的关系一般近似呈分式函数关系, 但其关系曲线的斜率则是特厚煤层分层重复开采情况下最小。增大厚煤层初次开采厚度或全层一次开采会引起导水裂隙带高度的明显增大, 并使其马鞍型分布形态的明显程度大大增加; 而增大重复开采厚度则一般使导水裂隙带增高不明显。重复开采对覆岩破坏范围的最终形态也会带来显著影响。一般情况下, 重复开采时覆岩破坏范围的马鞍型分布形态的明显程度都将有所降低, 分层开采数目越多, 降低越明显, 有时甚至会使马鞍型基本消失。

这主要是由于厚煤层在分层开采重复采动时, 已破碎的岩层再次冒落, 块度变小, 剩余碎胀系数随之减小; 加之在上分层采动后的裂隙带内岩层抵抗弯曲变形的能力已经降低, 其下部采空再次经受弯曲变形时, 其中就有一部分严重断裂, 形成新的冒落带, 使冒落带高度增加较大。随着新的冒落带的形成, 上部未破碎岩层能较快得以支撑, 缓和了裂隙的发展, 使裂隙增长幅度降低。而在综放条件下, 一次开采空间大, 覆岩一次性下沉变形量大, 因而覆岩承受的弯曲、拉伸变形较大, 因而其采动裂隙发育较高, 故放顶煤开采裂隙带高度大于分层开采裂隙带高度, 这点在实测中得到了充分的验证。

上覆岩层的岩性对于导水裂隙带的发生和闭合有不同的作用。现有的实测资料已经证明, 软岩层不易产生裂隙 ( 即使产生后裂隙也容易闭合) , 从而对裂隙的发展起到了抑制作用。 断裂力学的研究成果也证明了这一点: 相邻上下两岩层, 下一层中的裂缝能否扩展到上一层中去, 取决于临近两层交界面处裂隙端部的应力强度因子的变化情况, 如图2所示。

假定上下岩层具有相同的泊松比, 但弹性模量差别较大。 当上岩层的弹性模量E比下岩层的弹性模量E小得多时, 裂缝向交界面逼近, 导致其端部的K值不断增大, 因此裂缝愈接近于交界面愈易于扩展, 最后穿过界面延伸到上一岩层中去。相反, 若K值无限趋近与0, 这就意味着上一岩层对下岩层中裂隙的扩展起着阻挡作用, 最终使裂缝的扩展终止于界面上。因此, 在岩层完整的情况下, 硬岩层比软岩层更能终止裂缝的扩展。然而软岩塑性较大, 能承受较大的弯曲变形, 易于损耗劈裂能量, 不易产生裂缝; 同时大多数软岩中又含有遇水膨胀的物质, 易于堵塞裂缝, 因而对采动裂隙起到抑制作用。因此, 阻止采动导水裂缝发展的最佳岩层组合是: 以硬岩层开始, 然后软岩, 再次是硬岩, 依次叠加。这样硬岩层 ( 第一层) 一是抵阻断裂, 二是冒落碎胀系数大, 较快支撑上部的岩层, 即使裂隙发展到上一软岩层, 软岩层可发挥其作用抑制裂隙的发展, 若裂隙继续向上发展, 由第三层的硬岩层起终止作用, 依次类推可降低裂隙的发展。

3导水裂隙带高度的上限

裂隙带高度的上界应为导水裂隙带的上限。但是, 实际情况表明, 裂隙带与弯曲带之间没有一个明显的界线。弯曲带底部也有少量竖向裂隙和具有弱导水性, 因此究竟以多大的导水性作为裂隙带高度的上限, 直到现在对此还没有具体规定, 一般是与采前钻孔资料进行对比, 把钻孔冲洗液消耗或注水漏失量开始明显增大, 并向下连续增加的位置作为裂隙带高度的上限。

4导水裂隙带发育的影响因素

4. 1采厚和工作面参数

实测表明, 采厚和工作面参数是造成覆岩破坏的根本因素, 而工作面参数却是在覆岩不充分采动的条件下起作用。当工作面走向和倾斜方向的长度都达到覆岩充分采动条件时, 就基本上不起作用了。

在缓倾斜煤层不分层初次采动, 即开采单一薄、中厚及厚煤层的第一分层时, 冒落带、导水裂隙带的高度与采厚近似地呈线性关系。在分层重复采动, 即分层开采厚及特厚煤层时, 导水裂隙带的高度与累计采厚则近似呈分式函数关系。采厚等量增加, 导水裂隙带高度增加的幅度却越来越小。在综放条件下, 现在还没有一个公认的公式, 一般认为其导水裂隙带高度与采厚成近似线性关系, 且没有考虑覆岩的岩性, 仍然多采用分数函数及中误差修正的表达形式, 误差较大, 不宜进行推广应用。

4. 2采煤方法和顶板管理方法

采煤方法和顶板管理方法是控制覆岩破坏最大高度的重要影响因素。特别是顶板管理方法, 它决定着覆岩破坏的基本特征和最大高度。对于综放开采来说, 与分层或预采顶分层, 下位放顶煤开采等厚度煤层相比, 其覆岩破坏范围最大。

5结语

本文分析了综放开采条件下导水裂隙带发育的动态开采特征、最大高度变化的特点、高度上限和影响因素等方面, 系统阐述导水裂隙带发育规律, 为导水裂隙带的研究提供参考。

参考文献

[1]胡小娟, 李文平, 曹丁涛, 等.综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计[J].煤炭学报, 2012 (4) :613-620.

[2]许家林, 朱卫兵, 王晓振.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法[J].煤炭学报, 2012 (5) :762-769.

胎儿20周发育情况规律 篇2

指标规律：

1.第1~2个月感觉器官初现雏形

孕4周后，胎宝宝的视网膜初步形成。6周后，听觉开始形成。接着小手、小脚以及面部器官开始出现雏形。但是，此时胎宝宝的感官功能还未形成。

2.第3~4个月触觉、味觉形成

孕8周以后，胎宝宝的皮肤开始有感觉，随着神经元的增多，用手触碰腹部，TA会蠕动起来。孕11~12周味觉发育完成，可感觉甜、酸等多种滋味。

3.第5~6个月听觉开始发达

胎宝宝的听觉越来越发达，听到不喜欢的声音会皱眉。18~20周开始，孕妈咪会感觉到胎动，胎宝宝也会对孕妈咪的触摸做出收缩反应。

4.第7~8个月视觉变得敏感

孕27~28周，胎宝宝脑部的发育非常快，能认知节奏和旋律，有时还会用胎动对声音做出回应。同时还能能感觉光线的明暗，对外界的刺激也越来越敏感。

5.第9~10个月感官发育完善

孕37周时，胎宝宝几乎能对任何光线产生反应，眼睛也能灵活地眨动。随着宫内空间的缩小，胎动开始那么频繁，不过此时TA的感官发育已和新生宝宝差不多了。

感官发育离不开脑部发育

裂隙发育规律 篇3

关键词：浅埋煤层,导水裂隙带,裂隙角,发育规律

1引言

目前,解决水体下采煤的关键技术之一就是确定导水裂隙带发育规律以及导水裂隙带高度。我国对煤层开采后引起的导水裂隙带发育规律及破坏高度进行了大量的研究,取得了常规开采条件下导水裂隙带高度的经验公式,但是对浅埋煤层水体开采条件下导水裂隙带发育的研究还不够。需要深入研究浅埋煤层水体下开采引起的覆岩破坏规律、优化水体下开采工艺、完善水体下采煤技术途径。因此,本文结合泰安煤矿实际地质采矿条件,进行浅埋煤层水体下导水裂隙带发育规律的研究,进而确定导水裂隙带高度,为浅埋煤层水体下实现安全开采提供依据和保障。

2模拟实验条件及设计

根据相似理论,运用相似模拟实验方法研究浅埋煤层水体下煤层开采引起的导水裂隙带发育规律,确定导水裂隙带高度。

2.1工作面地质及生产技术条件

泰安煤矿8101工作面所采煤层为山西组8号煤,煤层埋深180～400m,平均280m,地质构造简单-复杂,大部分煤厚在3.05m以上,最大厚度5.75m,平均厚3.69m,倾角3°～15°。直接顶为粉砂岩及泥岩互层,老顶为中粒砂岩及细砂岩互层。

2.2模型设计

实验采用长5m,高1.6m,宽30cm的二维模型架。综合考虑研究内容及模型尺寸,为减小边界效应,开采时在模型两边各留20cm的小煤柱。模型中采高1.8cm,对应实际采厚3.6m,每次开挖5cm,对应现场工作面推进10m。

3导水裂隙带发育规律

根据8101工作面的地质采矿条件,8101工作面长207m,煤层平均埋深280m,根据计算公式,走向方向的采动程度:

$\text{n}{}_1=0.8\frac{\text{D}{}_1}{\text{Η}}=0.8\times \frac{207}{280}=0.59$

走向方向的采动程度为0.59,为不充分采动。

倾向方向的采动程度:

$\text{n}{}_2=0.8\frac{\text{D}{}_2}{\text{Η}}=0.8\times \frac{1000}{280}>1$

倾向方向可达到超充分采动。

当倾向方向未达到充分采动前,上覆岩层的三带高度发育不充分。由图1中相似模拟实验结果可以看出,当工作面推进到50cm,垮落带基本形成,但上覆岩层的裂隙带发育不充分。当工作面推进到80cm时,裂隙带已基本形成。随着工作面推进,裂隙带中的裂隙进一步发育,当工作面推进到105cm后,裂隙带中的裂隙达到最大,随后裂隙开始产生闭合。随着工作面的不断推进,上覆岩层出现周期性垮冒,裂隙带中的裂隙由产生、扩展到减小甚至闭合。在移动边界侧,在工作面边界附近位于采空区上方的上覆岩层中,裂隙边界与煤层成45°左右的裂隙角。在永久边界侧,工作面边界附近位于采空区上方的上覆岩层中,裂缝边界与煤层成60°的裂隙角,在此范围内产生贯通性很好的导水裂隙。

上述分析结果假定在垂直模型的方向,开采长度足够长,即达到充分采动的情况。如果考虑到垂直模型方向的采动程度未达到充分采动,则永久边界一侧的裂隙发育角度要减小,裂隙发育程度也要减小。由于上覆岩层的破断类似于板的X型破断,考虑到在开采边界(非切眼侧)的上方,老顶破断形成的三角块体,则在永久开采边界上覆岩层中裂隙角将进一步减小,甚至会减小到移动边界(回采工作面)一侧裂隙的发育角度45°。

4导水裂隙带高度的确定

垮落带与断裂带的高度与上覆岩层的岩性结构、煤层倾角、采高及厚煤层分层次数、采空区范围大小和采煤方法等因素有关。对于倾角为0～35°的煤层,采用长壁垮落采煤法时,可参考下述垮落带与导水裂隙带高度的计算公式。

当煤层上覆岩层为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层时,考虑顶板下沉因素,开采单一煤层的垮落带最大高度Hm可按表1中的公式计算。

若煤层上覆岩层为坚硬、中硬、极软弱或其互层,采用单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采时,导水断裂带高度H可按表2中的公式计算。

注: M—累计采厚;公式应用范围:单层采厚13m,累计采厚不超过15m;号项为中误差。

注: M—累计采厚;公式应用范围:单层采厚13m,累计采厚不超过15m;号项为中误差。

因8101工作面顶板上覆岩层为粉砂岩、泥岩,中粒砂岩及细粒砂岩,主要为中硬岩层,煤层厚度3.69m,垮落带高度预测为采高的3～4倍,为14.76m;由理论计算得垮落带高度在7.95～12.35m之间;由相似模拟实验得垮落带高度14.4m;三者所得高度基本相符,取其平均值,可得垮落带高度为13.83m。导水裂隙带最大高度预测为采高的12倍,为44.28m;由理论计算得到裂隙带高度为33.23～44.43m;由相似模拟实验得裂隙带高度44m;取其平均值,可得导水裂隙带高度44.23m,采裂比为12.3。

5结论

(1)浅埋煤层水体下开采引起的导水裂隙带发育规律主要表现在:①随着工作面的推进,上覆岩层周期性出现跨冒,先前出现的裂缝产生闭合,跨落岩层的碎胀率较小;②在移动边界一侧,上覆岩层的裂隙边界与煤层成45°左右的裂隙角。而在永久边界一侧,上覆岩层的裂隙边界与煤层成60°左右的裂隙角;③未达到充分采动,则永久边界一侧的裂隙发育角度要减小,裂隙发育程度也要减小,甚至会减小到移动边界(回采工作面)一侧裂隙的发育角度45°。

(2)在泰安煤矿煤层地质条件下,确定8101工作面开采后导水裂隙带最大高度为44.23m,采裂比为12.3。

参考文献

[1]何国清,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社学报,1994.

裂隙发育规律 篇4

随着我国交通建设的高速发展,穿山隧道、都市隧道(地铁)等愈来愈多,当隧道在浅埋地段、砂土层、砂卵(砾)石层、裂隙发育地层以及大面积淋水或涌水地段施工时,常会出现坍塌、冒顶或衬砌后混凝土结构体仍然渗、漏水甚至开裂等现象,这不仅影响施工安全,延误工期,费工费料,而且影响工程质量和隧道使用年限。为了避免上述情况,施工中人们一直在尝试着用注浆工艺来处理这些问题。随着注浆材料、设备和注浆理论的发展,注浆工艺也有了长足的发展,越来越多的工程实践证明:注浆工艺的应用已成为保证隧道工程质量和安全的经济而有效的一门新型技术。

但不少工程在应用注浆工法处理隧道裂隙发育地层工程问题时,因缺乏理论依据和实际操作经验,对注浆材料、注浆设备、注浆方法的选择;在对注浆范围、注浆性能指标的确定以及注浆加固效果的检验等工作中往往带有随意性、盲目性,以致有些注浆工作花了较大的代价却未能达到预期效果,下面以赵家岭隧道为例具体阐述如何处理隧道工程裂隙发育地层注浆工艺施工中的各种问题。

1工程概况

由我单位承建的宜万铁路赵家岭隧道DK39+950～DK39+924段拱顶发育有一溶蚀裂隙,主要为块石及黄色黏土填充,该裂隙长约26 m,平均宽约1.5 m,拱顶裂隙局部坍塌,坍腔高约3 m,根据地质勘察结果,该溶蚀裂隙与地表相通。由于该溶蚀裂隙风化严重,埋深较浅(仅约30 m),开挖后溶蚀裂隙口部围岩及填充物时常发生掉块甚至小型塌方,雨后地表水直接通过裂隙灌入洞内,据现场渗水量观测,平均涌水量达50 m3/h,最大涌水量达500 m3/h,雨季曾发生两次涌水。因此应采用注浆施工对此段隧道周围地层进行止水与地应力补强等特殊处理。

2注浆施工方案设计

2.1 施工目的

本工程主要以改变岩层性状为目的,使该段隧道变为不透水的加固层,达到隧道开挖时无漏水和塌落现象,以使隧道掘进时在掘进段方向及拱顶区域足以抵抗地表水的压力和施工扰动的破坏,从而达到止水及加固作用,保证暗挖施工顺利进行。

2.2 注浆钻孔布置

根据在需注浆地段的里程DK39+950～DK39+924内,雨季时渗水严重,最大涌水量达500 m3/h,平均涌水量50 m3/h。因此,在注浆钻孔的布置时按最不利条件布置,在渗水范围内,其孔位按梅花形布置于岩溶裂隙两侧。

2.3 浆液扩散半径

根据已有资料进行工程类比及现场碴体注浆试验情况选定注浆压力范围,确定浆液扩散半径r的大小。本注浆设计初定浆液扩散半径为1.0 m～1.5 m。

2.4 浆液材料和配比选定

2.4.1 材料选定

1)水泥:考虑现场的经济实用性和浆液要求,采用P.O42.5水泥;2)水玻璃:实际水玻璃有30 Be′,35 Be′,40 Be′,50 Be′四种规格,根据标准采用35 Be′的水玻璃进行配合比设计。

2.4.2 配比选定

根据现场渗水情况结合临近雨季施工,考虑岩溶裂隙处的地质条件以及尽快达到止水加固的目的,本方案计划采用水泥水玻璃双液浆进行注浆,根据现场的实际施工情况和设备情况,在拌和时把水玻璃和水泥净浆按配合比放置于一起进行拌和,由于加入水玻璃时会有水泥净浆瞬凝情况发生,故需慢慢地加入水玻璃,同时不停搅拌,直到打破瞬凝情况并达到符合配合比要求为止。

水泥净浆的水灰比通常在0.6～0.8之间,根据实际情况,采用水灰比为0.8的水泥净浆。

考虑到岩石缝隙中的水流对浆液的影响和浆液的注入速度,初步设计的浆液初凝时间为30 min,特此,按水泥浆与水玻璃的体积比进行几种比例的试配,最后确定水泥净浆与水玻璃体积比为1∶0.1。

2.5 注浆量计算

由于浆液的扩散半径与岩溶裂隙的孔隙率很难精确确定,为准备注浆材料,本方案的注浆设计根据有关隧道工程地质、水文地质条件以及所选用的注浆材料进行注浆量的估算。注浆量的估算可按下式进行:

Q=Anα(1+β)。

其中,Q为总注浆量,m3;A为注浆范围围岩体积,m3;n为围岩孔隙率,%;α为浆液填充系数,0.7～0.9;β为注浆材料损耗系数。

设计中,nα(1+β)为填充率,根据围岩地质,考虑到岩溶裂隙附近节理发育,并且两条主要竖向裂隙因地下水的冲刷作用,其填充物已被全部冲走,形成过水通道,因此,填充率取大值,取30%。又因A=3.14×R2×L,其中R=1.0 m,L=2.0 m,所以A=6.28 m3。

根据计算,每孔设计注浆量Q=1.88 m3。

2.6 注浆压力的选定

注浆压力与岩层裂隙发育程度、涌水压力、浆液材料的粘度和凝胶时间长短有关,在目前均按经验公式及实际施工经验确定。通常情况可按注浆处地层深度计算,其公式为:

P=KH。

其中,P为设计注浆压力(终压值),MPa;H为注浆处深度,小于200时取200 m;K为由注浆处深度确定的压力系数,查有关资料,K值可取0.023～0.021。所以,可估计注浆压力P约为4.2 MPa～4.6 MPa(因涌水严重,故取值较大)。

3注浆施工工艺及要求

1)注浆口位置应准确定位,与设计位置容许偏差为±5 cm,偏角应符合设计要求,每钻进一段,检查一段,及时纠偏,孔底位置允许偏差应小于30 cm。

2)注浆管3 m,顶部打有梅花形布置的小孔,外部设1 m ϕ40(热轧无缝钢管,壁厚5 cm)的孔口管,在孔内先填塞锚固剂,使管壁与岩石壁紧贴,管在岩石外露10 cm,然后接球阀,在球阀的另一侧接注浆管。具体布置见图1。

3)在注浆之前,应先对整个管道进行压水试验,其目的为:a.在注浆之前湿润设备整个管道系统,防止在注浆过程中管壁吸附浆液;b.验证注浆孔是否密闭;c.清洗注浆孔内残余碎屑且符合注浆要求。

4)一个孔段注浆施工作业应连续进行直到结束,不宜中断,应尽量避免机械故障、停电、停水、器材等问题造成的被迫中断。

4质量保证措施

1)原材料要经过检验合格后方可使用。材料的配比满足设计和规范要求。

2)拌和时,要控制拌和速度,使之能很好的配合注浆速度。

3)注浆钻孔准确定位,及时纠偏,确保注浆口位置和孔底位置符合设计和规范要求。

4)注浆过程中控制好注浆压力,注浆管接头要连接牢靠,防止漏浆。

5注浆结束标准及效果评定

5.1 注浆结束标准

注浆结束标准可分为单孔结束标准和全段结束标准。其具体标准如下:

1)单孔结束标准:

a.注浆压力逐步升高至设计终压4.2 MPa～4.6 MPa,并持续注浆10 min以上;

b.注浆结束时的进浆量小于20 L/min。

2)全段结束标准:

a.所有注浆孔均已符合单孔结束条件,无漏注现象;

b.注浆后涌水量小于1 m3/(m·d);

c.浆液有效注入范围大于设计值。

5.2 注浆效果评价

注浆段的注浆孔全部注完后,应进行注浆效果检查和评定,不合格者应重新钻孔注浆。检查注浆效果是否达到设计要求的方法有:

1)对注浆过程的各种记录资料综合分析,分析各孔注浆压力和注浆量变化是否合理、是否达到设计要求;

2)设检查孔,每循环设2个～3个检查孔,检查孔钻取岩芯,观察浆液充填情况,并检查孔内涌水量,检查孔内涌水量应小于0.2 L/(m·min)。

6结语

按本施工方案进行注浆后,该段隧道根据设检查孔进行孔内检查,孔内涌水量全部小于0.2 L/(m·min),检查孔成孔良好,裂隙段得到了明显的加固,达到了预期目的,保证了工程质量和隧道安全,使下段隧道的施工得以顺利进行,并为以后隧道注浆施工提供了宝贵数据和经验。经过注浆试验研究,我们取得了如下成果:

1)采取注浆技术加固裂隙发育地层是可行的。

2)在该类型工程中采取注水泥—水玻璃双液浆的方案是可行的。

3)确定出的各种参数,具有一定的借鉴应用价值。

4)洞内开挖施工时,要做好超前钻探工作,并且要加强洞内小导管注浆,以弥补地表钻孔注浆的薄弱环节。

摘要：通过对宜万铁路赵家岭隧道溶蚀裂隙段进行现场勘查,决定采用注浆工艺对其进行处理,着重就注浆施工方案设计及施工工艺作了阐述,最后得出采用注浆技术加固裂隙发育地层是可行的。

关键词：隧道,裂隙地层,注浆工艺,加固

参考文献

裂隙发育规律 篇5

本次研究采用“钻孔双端封堵测漏装置”钻孔分段注水法,即在井下向煤层顶板施工钻孔,对钻孔不同深度进行封孔注水测试,通过观测不同方位的钻孔以及不同孔深的注水漏失量,来分析钻孔不同深度岩层的采动裂隙发育情况,从而判断测试地点的采动稳定区顶板围岩采动裂隙发育范围,如图1所示。

1试验地点概况

1.1试验工作面

此次试验选在重庆松藻煤电有限公司渝阳煤矿N21110工作面进行,该工作面走向长177 m,倾斜长1 187 m,煤层平均倾角5. 5°,平均厚度0. 65 m,工作面顶板情况见表1。

1.2试验工作面周围巷道布置

N21110工作面巷道宽度约4 m,高度约2 m。 N21110工作面以北正在布置N21112工作面,并已开掘出N21112回风巷,该回风巷与N21110运输巷之间的煤柱宽约8 m,如图2所示。

1.3覆岩导水断裂带预计

根据渝阳煤矿N21110工作面的开采参数、地质采矿条件及顶板岩性等参数,计算得出覆岩采动破坏高度为(9. 3 ± 4. 0) ~ (14. 0 ± 5. 6) m。因此,本次试验仅对覆岩采动破坏高度在5 ~ 20 m内的覆岩破坏情况进行控制研究。

2钻孔分段注水试验

2.1试验方案

本次试验在渝阳煤矿N21112回风巷进行,向N21110运输巷方向用 Φ75 mm钻头施工顶板钻孔, 终孔点位于N21110工作面采动稳定区的顶板上方。

在测点煤壁处向N21110采动稳定区施工3个横向测试钻孔,孔口间距0. 5 m;施工2个纵向测试钻孔,孔口间距0. 2 m,钻孔在同一水平线上。钻孔参数及布置见表2和图3 ~ 5。

注:方位角为钻孔与 N21112 回风巷夹角。

2.2试验数据观测

本次试验共有采动稳定区顶板横向测试钻孔3个,纵向测试钻孔2个。各测试钻孔注水及漏失量数据见表3 ~ 7。

2.3测试钻孔数据分析

根据观测数据,对各观测钻孔的注水漏失量情况进行定量和定性分析。

1) 采动稳定区顶板横向测试钻孔

根据表3 ~ 5中数据,得出采动稳定区横向测试钻孔漏失量变化曲线,如图6 ~ 8所示。

由图6 ~ 8可以看出,不同方位角的测试钻孔变化规律较为一致,说明裂隙发育高度在水平方向上较为一致。测试钻孔漏失量总体上呈现出大→小→ 大→ 小的变化趋 势。在测试钻 孔的浅部 (3. 7 ~ 4. 0 m),漏失量稍大(2 ~ 4 L),这是因为测试钻孔的浅部位于巷道松动圈和保护煤柱内,且保护煤柱受工作面采动的影响,裂隙较为发育;在4. 0 ~ 6. 0 m内钻孔漏失量减小,说明钻孔进入了煤柱上方受采动影响较小的区域,该区域内裂隙发育程度低;当钻孔垂高超过6. 0 m之后,在6. 0 ~ 14. 1 m内,钻孔测点漏失量保持在较高的水平,均大于4 L,说明钻孔测点处于N21110工作面裂隙较为发育的区域,此区域受本工作面采动的影响,纵向裂隙发育程度高;当钻孔垂高超过14. 1 m以后,钻孔测点漏失量减小, 基本小于2 L,说明此区域的裂隙发育程度低,钻孔已穿过了裂隙带。

2) 采动稳定区顶板纵向测试钻孔

根据表3、表6 ~ 7中的数据,得出采动稳定区纵向测试钻孔漏失量变化曲线,如图9 ~ 11所示。

由图9 ~ 11可以看出,钻孔漏失量的变化规律与横向测试钻孔一致。随着钻孔角度的逐渐增大, 钻孔处于裂隙发育范围的长度减小,符合现有的导水断裂带分布规律。

4#、7#、8#钻孔( 对应倾角50°、60°、45°) 分别在垂高为5. 9、6. 1、5. 0 m附近进入裂隙较发育的区域,相应的水平距离为7. 0、6. 2、5. 1 m,说明采空区采动裂隙发育范围不是垂直分布的,而是呈弧形分布,整体形状为半马鞍形,随着距离底板高度的加大,裂隙发育范围变宽,如图12所示。

3结论

通过对渝阳煤矿N21110工作面地质条件和开采技术条件进行分析,在对裂隙发育范围进行合理预测的基础上,选择了可靠的井下观测方法,在现场对5个采动稳定区测试钻孔进行了现场分段注水漏失量试验和数据分析,得到的主要结论如下:

1) 采动稳定区测试钻孔漏失量的变化规律大体一致,总体上呈现出大→小→大→小的变化趋势。 在测试钻孔的浅部(3. 7 ~ 4. 0 m),漏失量稍大(2 ~ 4 L);随后在4. 0 ~ 6. 0 m内钻孔漏失量减小,说明测试钻孔进入了煤柱上方受采动影响较小的区域, 该区域内裂隙发育程度低;在6. 0 ~ 14. 1 m内钻孔测点漏失量保持在较高的水平,均大于4 L,说明测试钻孔测点处于工作面顶板岩层裂隙较为发育的区域,此区域受本工作面采动的影响,已位于裂隙带范围内;当钻孔垂高超过14. 1 m以后,钻孔测点漏失量减小,基本小于2 L,说明此区域的裂隙发育程度低,钻孔测点已经穿过了裂隙带。

2) 随着测试钻孔角度的增大,工作面顶板裂隙发育区域边界坐标横向上减小,垂向上增加,裂隙发育高度上限约为14. 1 m。采空区采动裂隙发育范围不是垂直分布的,而是呈弧形分布,整体形状为半马鞍形,随着距离底板高度的加大,裂隙发育范围变宽。

3) 在岩层完整的情况下,软岩塑性较大,能承受较大的弯曲变形,不易产生裂缝;且大多数软岩遇水膨胀,易于堵塞裂缝,对采动裂隙起到抑制作用,而硬岩层比软岩层更能终止裂缝的扩展。因此阻止顶板岩层裂隙发展的最佳岩层组合是以硬岩开始,然后是软岩,再次就是硬岩,硬、软岩依此叠加[4,5]。

裂隙发育规律 篇6

1 实验工作面概况

N3-8工作面埋深480~543 m, 工作面走向长400 m, 倾向长260 m, 所采3#煤层平均厚度5.36 m, 含夹矸1层, 厚度为0.09 m, 工作面煤层倾角0°~3°, 煤层赋存稳定, 北侧接北风井西翼胶带大巷和北风井西翼2#回风大巷, 西为N3-7工作面 (已回采) , 东为N3-9工作面 (已回采) , 南为N3-9切眼运输巷、N3-9辅助行人巷, 工作面内未发育导水构造。

2 上覆岩层裂隙发育一般规律

煤层开采后, 上覆岩层从直接顶开始, 自下而上都将遭受变形和破坏, 改变了岩层的原始状态, 进入开始运动和稳定运动的状态。在其垮落、下沉过程中形成2类裂隙: (1) 岩层下沉时, 由于岩性、层厚不同, 使岩层产生非均匀下沉, 并在下沉过程中在层与层理之间出现沿层裂隙, 称之为离层裂隙; (2) 岩层下沉过程中弯曲、断裂形成的垂直岩层的裂隙, 称为穿层裂隙。正是这2类裂隙的产生和分布的不均性, 使部分岩层垮落, 部分岩层离层、断裂, 部分岩层弯曲下沉。当采空区上覆岩层运动趋于稳定后, 可近似地将其划分为“竖三带”和“横三区”, 即在采空区沿垂直方向自下而上分为垮落带、断裂带和弯曲下沉带[1];沿工作面推进方向及倾斜方向分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区。

3 上覆岩层裂隙演化规律研究

3.1 数值模型建立

由于计算模型主要研究的是煤层和顶板的变形、破坏情况, 且计算模型的划分单元数有限, 所以要对计算模型单元进行不等分划分, 对工作面和巷道的研究区域采用细单元划分, 采用周围稀疏中部密集划分单元[2], 外部围岩区域的单元划分逐渐增大, 建走向长400 m、倾向长260 m、岩层厚度115 m的物理计算模型 (图1) , 相关参数见表1。

模型的底面和侧面限制水平移动和垂直移动, 模型的上部施加上覆岩层的自重应力与水平方向上的构造应力。计算采用摩尔—库仑屈服准则 (图2) 。常规使用的初始应力场的生成方法是弹性求解法, 是指将材料的本构模型设置为弹性模型, 并将体积模量与剪切模量设置为最大值, 然后求解生成初始地应力场, 此种方法常用于浅埋工程数值模拟时的初始地应力场的生成[3]。

在深埋工程中, 初始地应力场通常为构造应力场和自重应力场的叠加。在FLAC3D中, 边界条件的定义中并无通常的边界条件, 而是速度边界条件, 即通过模型边界节点中的速度来实现边界条件的控制[4]。针对这一问题, 深埋工程中常使用快速应力边界法 (S-B) 来模拟初始地应力场。具体思路是:在初始地应力场的生成过程中, 数值模型不设速度边界条件, 仅在模型表面根据地应力场的分布情况施加应力边界条件并保持恒定。在模型表面施加的应力边界可认为是模型最外层单元受到的应力, 这一应力转化成节点力作用在模型最外层节点上[5,6,7,8]。

3.2 模拟结果分析

三维模拟过程依次为:生成模型→计算原岩应力→开采煤层→计算稳定→各步计算平衡→输出计算结果。工作面实行分步开采, 开完切眼后, 采一步放一步, 循环10步, 每步20 m, 开挖至200 m后结束, 工作面模型状态如图3所示。

由图3—图4可知:工作面开采到40 m时, 上覆岩层开始出现裂隙;当工作面开采到180 m, 工作面上覆岩层裂隙发育趋于平稳。由图4可知, 断裂带高度约为69.8 m, 裂隙主要发育区域为距顶板0~36.6 m。

4 仰孔分段注水法观测覆岩裂隙

探测覆岩断裂带的井下仰孔分段注水观测方法是一种新型的岩体破坏探测技术, 与传统方法相比, 具有“精度高、工程量少、投资省、观测效果明显”等特点。该技术使用“钻孔双端封堵测漏装置”沿钻孔进行分段封堵注水, 测定钻孔各段水的漏失流量, 以此来了解岩石的破裂松动情况, 确定断裂带的高度。该观测技术主要设备如图5所示。

N3-8工作面回采至200 m时与顶板不同垂直高度注水漏失量如图6所示。由图6可以看出, 在距离顶板0~37 m的高度漏水量大于10 L/min, 为裂隙发育主要区域;距离顶板37~69 m的高度漏水量小于10 L/min, 为裂隙次发育区域;距离顶板69m以上区域为弯曲下沉带和未受破坏岩层, 裂隙很少, 漏水量几乎为0。观测结果与模拟结果基本一致。

5 结论

(1) 常村煤矿N3-8工作面开采到40 m时, 上覆岩层开始出现裂隙;开采到180 m, 工作面上覆岩层裂隙发育趋于平稳。

(2) N3-8工作面上覆岩层断裂带发育高度约69.8 m, 裂隙主要发育区域为距顶板0~36.6 m。

(3) FLAC3D数值模拟结果与仰孔分段注水观测基本一致, 验证了研究结论的准确性和可靠性, 具有较高的应用和推广价值。

摘要：为了研究回采工作面上覆岩层裂隙演化规律, 找到采场瓦斯富集区, 为高效抽采瓦斯提供理论依据, 以潞安集团常村煤矿N3-8工作面回采为工程背景, 采用理论分析、FLAC3D数值模拟和仰孔分段注水现场观测方法, 研究不同回采长度下的上覆岩层裂隙发育规律。结果表明:N3-8工作面开采至约40 m, 上覆岩层开始出现裂隙;开采到180 m, 工作面上覆岩层裂隙发育趋于平稳状态。该回采工作面断裂带高度约为69.8 m, 裂隙主要发育区域为距顶板036.6 m;模拟结果与实际测定基本一致。

关键词：岩层裂隙,瓦斯富集区,FLAC3D,仰孔分段注水,关键层

参考文献

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[2]刘波, 韩彦辉.FLAC原理、实例及应用指南[M].北京:人民交通出版社, 2005.

[3]吴传斌, 施斌, 孙宇, 等.昆明白泥井3号隧道围岩稳定性FLAC模拟[J].水文地质与工程地质, 2004 (6) :52-55.

[4]潘永坚, 陈光.某潜埋地下硐室围岩稳定及渐进破坏过程分析[J].水文地质与工程地质, 2004 (3) :69-71.

[5]张永兴.岩石力学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.

[6]杨伯源, 张义同.工程弹塑性力学[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[7]Saghafi A, Jeger C, Tauziede C, et al.A new computer simulation of in seam gas flow and its application to gas emission prediction and gas drainage[M]//Dai G Q, Proceedings of the 22nd Internation Conference of Safety in Mines Research Institutes.Beijing:China Coal Industry Publishing House, 1987.

裂隙发育规律 篇7

关键词：裂隙带,规律,研究

1. 探测地点及测站布置

探测地点选择在高家梁煤矿20307工作面皮带巷与辅助运输巷之间的四联巷内, 如图1所示。

测站布置在20307工作面皮带巷与辅助运输巷之间的四联巷处, 距20107工作面停采线约200m。在此布置测站, 不仅能够保证该测站上覆岩层不受20107工作面开采影响, 而且四联巷围岩完整性好, 将测站布置在此不会影响工作面通风行人等, 因此在四联巷布置观测站可以较好地探测20307工作面开采对覆岩破坏及运移的影响, 确定单一煤层开采时采场覆岩破坏分布规律。

根据20307工作面周围巷道布置情况及工作面推进程度, 测站设在20307工作面四联络巷距20307工作面皮带巷采空区侧大约10m处, 如图2所示。

2. 钻孔布置

钻孔设计方法如下:

(a) 首先根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中工作面采场上覆岩层垮落带和裂隙带高度计算公式, 预计不受20107工作面开采影响时20307工作面 (四联巷内打钻孔) 上覆岩层裂隙带发育高度为35m。

(b) 为防止出现裂高过大等异常情况, 适当加大钻孔深度, 至少延长10m~15m孔段的深度, 以便测出一定长度的不漏水孔段作为确定裂隙带顶界的依据, 因此, 确定20307工作面四联巷内钻孔实际最大控制高度不低于为50m。

(c) 在测站设置3个钻孔, 分别为1#、2#和3#钻孔, 如图3所示, 其中1#钻孔为采前孔, 一般在工作面煤壁距离测站大约70m或更远时进行测试, 目的是了解采前工作面顶板裂隙及破裂分布情况;2#和3#钻孔为采后孔, 一般在工作面煤壁推过测站大约70m或更远时进行测试, 目的是了解采后工作面顶板裂隙及破裂分布情况;钻孔特征表如表1所示。

3. 双端堵水器探测结果

测站布置在20307工作面皮带巷与辅助运输巷之间的四联巷处, 距20107工作面停采线约200m, 在此布置测站, 能够保证该测站处上覆岩层不受20107工作面开采影响, 确定单一煤层开采时采场覆岩破坏分布。

(1) 采前孔 (1#钻孔) 双端堵水器探测结果

1#钻孔倾角60°, 孔深100m, 安装双端堵水器进行现场测试, 测试结果如图4所示。

由图4可知, 随着进入钻孔深度的增大, 采前1号钻孔漏水量也有增大趋势;钻孔漏水量在18~30m、58~70m范围内较大, 说明此范围内原生裂隙较多。

(2) 采后孔 (2#和3#钻孔) 双端堵水器探测结果

(1) 2#钻孔

2#钻孔倾角45°, 实际孔深80.5m, 双端堵水器现场测试结果如图5所示。由图可知, 在钻孔深度0~10m范围内, 钻孔漏水量较小, 与采前钻孔漏水量基本相同, 说明工作面开采后该范围岩层内没有出现新的离层或破裂;在钻孔深度为10m~77m范围内, 钻孔漏水量较大, 平均为28L/min, 大于采前钻孔漏水量, 说明工作面开采后, 在该范围内顶板岩层出现了新的破裂;在钻孔深度为77m以上时钻孔漏水量与采前钻孔漏失量基本相同, 说明在工作面开采后该范围岩层内没有出现新的离层或破裂。

(2) 3#钻孔

3#钻孔倾角55°, 孔深80.5m, 双端堵水器现场测试结果如图6所示。由图可知, 在钻孔深度0~11m范围内钻孔漏水量基本等于采前钻孔漏水量, 说明在工作面开采后该范围岩层内没有出现新的离层或破裂;在钻孔深度为11m~66m范围内, 钻孔漏水量较大, 平均为23L/min, 大于采前钻孔漏水量, 说明工作面开采后, 在该范围内顶板岩层出现了新的破裂;在钻孔深度为66m以上时钻孔漏水量与采前钻孔漏失量基本相同, 说明在工作面开采后该范围岩层内没有出现新的离层或破裂。

(3) 裂隙带高度

2#钻孔测得的裂隙带垂高分别是7.0m、54.5m, 3#钻孔测得的裂隙带垂高分别是8.9m、54m。根据有关文献:工作面开采后上覆岩层裂隙带呈“马鞍形”分布, 将采后2#和3#钻孔漏水量绘制在同一图中, 并绘制出20307工作面后上覆岩层内裂隙带范围, 如图7所示。

由图可知, 20307工作面开采后上覆岩层裂隙带垂直高度为54.5m。

4. 深部多点位移计探测结果

在四联巷采前1#钻孔内安装深部多点位移计, 用于观测20307工作面开采过程中上覆岩层运动破坏规律, 观测结果如图8、图9所示。

由图可知, 随着工作面开采, 工作面顶板各部分岩层运动规律有所不同。在工作面距四联巷80m时, 煤层顶板上方0~30m范围内岩层开始产生下沉, 但由于该范围钻孔内深部多点位移计基点位于工作面附近煤柱上方, 测定的顶板岩层下沉量较小。在距四联巷20m左右时, 煤层顶板上方30~36m范围内岩层开始产生下沉, 在工作面推过四联巷以后, 该范围岩层带动钻孔内深部多点位移计基点垮落进入采空区中, 致使图中顶板下沉量减小, 到工作面推过四联巷12.7m以后, 该范围岩层运动基本稳定;在工作面距离四联巷20m左右时, 煤层顶板上方36~97m范围内岩层开始产生下沉, 在工作面推过四联巷以后, 该范围岩层继续下沉, 直至工作面推过四联巷12.7m后, 该范围岩层运动基本稳定。

由总趋势图可知, 位于顶板上方17m以内的岩层, 随着工作面的推进顶板会缓慢下沉, 在工作面推到距测孔2.4m处时, 下沉量位移会增加, 但增加量较小, 随后趋于稳定。位于顶板上方17~25.5m的岩层, 随着工作面的推进, 顶板位移下沉积累量会缓慢增大, 到工作面推过测孔2.4m处最大, 随后上部岩石垮落, 带着基点下落, 造成多点位移计数据变小, 顶板下沉累积量出现负增长, 当工作面推过测孔26.2m处时趋于稳定。位于顶板上方25.5~68.5m的岩层, 在回采工作面离测孔较远时下沉量不大, 当工作面距测孔21.5m处时开始缓慢下沉, 到工作面推过测孔2.4m处时趋于稳定, 这一范围的岩层下沉量较大, 出现离层, 为弯曲下沉带。

结论:

(1) 工作面开采后, 上覆岩层破裂带近似呈“马鞍形”发育, 一次采动后, 破裂带最大高度为54.5m, 无明显“三带”分布;

(2) 工作面还未推至测站位置时, 上覆岩层开始运动, 工作面推过测站约5~30m时, 上覆岩层运动最剧烈, 超过45~60m后, 覆岩运动逐渐趋于稳定;

(3) 一次采动时顶板上方12~24m范围内岩层运动最剧烈, 裂隙发育明显, 导致基点滑脱。

参考文献