陷落柱突水三維大型模擬實(shí)驗(yàn)研究

張文忠

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院 水文地質(zhì)研究所,西安 710054;2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710077)

陷落柱突水三維大型模擬實(shí)驗(yàn)研究

張文忠1,2

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院 水文地質(zhì)研究所,西安 710054;2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710077)

為了深入研究陷落柱突水過(guò)程，確定具體的突水通道和臨界突水水壓,針對(duì)駱駝山煤礦16號(hào)煤回風(fēng)大巷掘進(jìn)導(dǎo)致陷落柱突水,設(shè)計(jì)了三維大型模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?再現(xiàn)了駱駝山煤礦陷落柱突水的過(guò)程。研究得出，回風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面臨界突水水壓為0.6 MPa,突水通道位于陷落柱和巷道迎頭處之間,推翻了原來(lái)技術(shù)人員推測(cè)的16煤回風(fēng)大巷底鼓處的結(jié)論。本研究成果可為今后開(kāi)展陷落柱突水機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)支撐。

陷落柱;突水;三維模擬實(shí)驗(yàn);隔水層

陷落柱突水三維大型實(shí)驗(yàn)研究,由于技術(shù)難度大,因此國(guó)內(nèi)外在該方面的研究尚屬空白。有關(guān)陷落柱突水的研究,多集中在陷落柱的發(fā)育特征[1]、陷落柱突水力學(xué)模型[2]以及突水災(zāi)害治理[3]等方面。筆者利用中煤科工集團(tuán)西安研究院最新研制的礦井突水三維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以駱駝山煤礦2010年3月發(fā)生的陷落柱突水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象展開(kāi)研究。根據(jù)前期技術(shù)人員研究及后期治理過(guò)程中的探查[4],對(duì)陷落柱臨界突水水壓和突水通道尚存在爭(zhēng)議。在對(duì)駱駝山煤礦16號(hào)煤回風(fēng)大巷地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及陷落柱形態(tài)分析的基礎(chǔ)上,為解決存在爭(zhēng)議的問(wèn)題,利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)陷落柱突水過(guò)程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究,再現(xiàn)了駱駝山煤礦發(fā)生的陷落柱突水狀況,獲得了陷落柱臨界突水水壓及突水點(diǎn)位置。本研究技術(shù)成果可為今后開(kāi)展陷落柱突水機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)條件分析

選取神華烏海能源有限責(zé)任公司駱駝山煤礦地質(zhì)原型作為分析研究對(duì)象,模擬2010年3月1日發(fā)生在16號(hào)煤+870水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面的突水。

駱駝山煤礦屬基建礦井,斜井-立井開(kāi)拓,有主、副、風(fēng)井3個(gè)井口，分兩個(gè)水平(+920，+870)。2010年3月1日7：29，16煤+870水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面涌水突然增大；至8：40,突水量達(dá)76 000 m3,此時(shí)段平均涌水量為65 000 m3/h。由于突水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于礦井排水能力,導(dǎo)致礦井被淹。突水水源為奧陶系石灰?guī)r巖溶含水層。

根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探L01和L02號(hào)鉆孔，對(duì)石灰?guī)r含水層進(jìn)行的抽水試驗(yàn):含水層厚度20.04～26.62 m,平均23.33 m；地下水位標(biāo)高1 259.21～1 269.49 m；涌水量Q=0.029 1～0.031 1 L/s,單位涌水量q=0.000 480～0.000 512 L/s·m;滲透系數(shù)K=1.62～2.05 mm/d。由此可知,含水層的富水性弱,巖溶裂隙不發(fā)育,透水性與導(dǎo)水性能差,地下水的水質(zhì)較差。16號(hào)煤回風(fēng)大巷底板承受奧灰水壓4.1 MPa左右,井田內(nèi)距突水點(diǎn)200 m的L01孔16煤下距奧灰33 m。

根據(jù)后期治理勘探研究分析,可知陷落柱形態(tài)詳見(jiàn)陷落柱推測(cè)平面、剖面示意圖1和圖2。在突水點(diǎn)附近施工的T1鉆孔,可知突水點(diǎn)附近鉆孔揭露的地層結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖3所示。16煤回風(fēng)大巷凈斷面積17.8 m2,凈寬5 m,凈高3.56；掘進(jìn)斷面積19 m2,寬5.2 m,高3.66 m;地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)[5]詳見(jiàn)表1所示。

由圖1和圖2可知,突水構(gòu)造為正在發(fā)育的小型奧灰導(dǎo)水巖溶陷落柱。該陷落柱有2個(gè)高點(diǎn),稱(chēng)為主溶洞和次溶洞,一個(gè)在巷道迎頭前方,隱伏于16煤層之下,該高點(diǎn)在奧灰頂界面處陷落柱長(zhǎng)軸不大于10 m,但陷落柱四周導(dǎo)水裂隙非常發(fā)育。

圖1 陷落柱推測(cè)平面示意圖

圖2 陷落柱推測(cè)剖面示意圖

表1 地層物理力學(xué)特性參數(shù)

Table 1 Parameters of property for Stratum

層號(hào)巖性厚度/m抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa天然容重/(g·cm-3)彈性模量/GPa1泥巖2415.61.42.5210.9216號(hào)煤7.810.41.01.4110.03粉砂巖16.258.74.22.556.424泥巖17.815.61.42.5210.95奧陶系灰?guī)r1035.01.832.7444.2

圖3 T1孔地層結(jié)構(gòu)圖

2 模型參數(shù)設(shè)定及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在高度2 m,直徑2 m的圓柱形礦井突水三維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,開(kāi)展陷落柱突水三維大型模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)詳見(jiàn)圖4。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)據(jù)調(diào)查尺寸在國(guó)內(nèi)最大。

圖4 礦井突水三維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 相似參數(shù)

根據(jù)模擬對(duì)象特征以及礦井突水三維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尺寸,實(shí)驗(yàn)選取幾何相似比為1∶100；相似條件[6]包括幾何相似,采動(dòng)巖土體變形和破壞過(guò)程的本構(gòu)相似,單值條件相似以及由無(wú)因次參數(shù)所確定的相似準(zhǔn)則。這些相似條件由與采動(dòng)巖土體變形破壞過(guò)程有關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)、幾何尺寸 、容重、運(yùn)動(dòng)時(shí)間t、運(yùn)動(dòng)速度、重力加速度g、巖土層性質(zhì)(強(qiáng)度，彈模E，粘結(jié)力c，內(nèi)摩擦角，等)及作用力f給出(參數(shù)下標(biāo)p表示原型,下標(biāo) m表示模型):

幾何相似條件:

重力相似條件:

重力加速度相似條件:

時(shí)間相似條件:

速度相似條件:

位移相似條件:

彈模、粘結(jié)力相似條件:

內(nèi)摩擦角、泊松比相似條件:

αφ=αμ=1 ；

應(yīng)變與原型相等,

αε=1 ；

作用力相似條件:

2.2 相似材料配比

基巖相似材料研究目前已基本成熟,在存在“地下水-地層”的固液[7]兩相相似模擬實(shí)驗(yàn)中,隔水層相似材料的選取是實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)與前提。為了更好地完成模擬實(shí)驗(yàn),專(zhuān)門(mén)配制了隔水層相似材料[8],通過(guò)調(diào)整材料配比,隔水層相似材料的滲透性能完全滿(mǎn)足試驗(yàn)要求,隔水層相似材料滲透性詳見(jiàn)圖5所示。

圖5 潤(rùn)滑脂石蠟質(zhì)量比與滲透系數(shù)的關(guān)系

由圖5知,當(dāng)潤(rùn)滑脂與石蠟質(zhì)量比為19∶1時(shí),隨著重鈣粉含量的增加,材料的滲透性主要由重鈣粉體現(xiàn);隨著潤(rùn)滑脂與石蠟質(zhì)量比減少,石蠟對(duì)滲透性的影響逐漸增大;當(dāng)潤(rùn)滑脂與石蠟質(zhì)量比達(dá)到一定程度,滲透性能也趨于穩(wěn)定；當(dāng)膠結(jié)劑的質(zhì)量比達(dá)到8∶1和6∶1時(shí),其對(duì)滲透性能的影響程度已不是很大,且滲透非常低。

根據(jù)圖3及表1內(nèi)地層賦存情況及地層物理力學(xué)特征參數(shù),選取相應(yīng)的相似材料配比參數(shù),如表2所示。

表2 相似材料配比參數(shù)Table 1 Ratio parameters of similar materials kg/cm3

2.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

測(cè)點(diǎn)布設(shè)的目的是監(jiān)測(cè)發(fā)生突水時(shí)的巷道底板水壓變化情況,試驗(yàn)共埋設(shè)傳感器40個(gè)(水壓傳感器9個(gè),土壓傳感器31個(gè))。模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中傳感器埋設(shè)情況詳見(jiàn)圖6所示。埋設(shè)方式如下。

1) 在距巷道頂端25cm及12.5cm巷道正下方處和巷道頂端,每隔1cm布設(shè)一個(gè)傳感器,共計(jì)4層。

2) 陷落柱主溶洞頂端水壓傳感器編號(hào)為2384;主溶洞與16號(hào)煤回風(fēng)巷迎頭延長(zhǎng)線交叉處水壓傳感器編號(hào)為2385;陷落柱次溶洞頂端水壓傳感器編號(hào)為2576。傳感器布設(shè)平面圖詳見(jiàn)圖6所示。

圖6 傳感器布設(shè)平面圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析

3.1 16號(hào)煤回風(fēng)巷涌水量變化情況

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑赵O(shè)計(jì)鋪裝完畢后,首先調(diào)試監(jiān)測(cè)儀器,再進(jìn)行16號(hào)煤回風(fēng)巷道的掘進(jìn)模擬。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿叭鐖D7所示。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間08:40;實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間10:50;模型圍壓及軸壓開(kāi)始加壓時(shí)間08:40;模型壓力穩(wěn)定時(shí)間09:00;模型開(kāi)始加水壓時(shí)間09:12。

圖7 模型全景圖

當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到上午09:46時(shí),16號(hào)煤回風(fēng)巷出現(xiàn)一定流量的滲水,出水量隨水壓和時(shí)間的關(guān)系詳見(jiàn)表3所示。

由表3中數(shù)據(jù)可知,當(dāng)水壓為0.004MPa時(shí),16號(hào)煤回風(fēng)巷出現(xiàn)滲水;當(dāng)將水壓加到0.026MPa時(shí),出水量出現(xiàn)了較大幅度的增加。分析原因，一方面是水壓增大導(dǎo)致壓差增大；另一方面在高水壓的作用下,陷落柱和巷道之間的煤巖層遭到破壞,形成突水通道,突水量增大。

表3 突水量與時(shí)間及水壓的關(guān)系Table 3 Relationship between waterinrush field,time & water pressure

3.2 應(yīng)力與水壓傳感器變化情況

模型頂壓按照T1鉆孔地層揭露情況以及相似理論,經(jīng)計(jì)算模型頂壓需加載至0.04MPa；按照地層地應(yīng)力分布情況模型圍壓需加載至0.07MPa；水壓按照每半小時(shí)增加0.002MPa進(jìn)行加載。

圖8 壓力傳感器數(shù)據(jù)歷時(shí)曲線

2545壓力傳感器埋設(shè)在16號(hào)煤回風(fēng)巷下部5m處(詳見(jiàn)傳感器布設(shè)平面圖6)。由圖8可知,壓力傳感器在頂壓加載時(shí)(08:40)變化較大;當(dāng)壓力加載穩(wěn)定,16號(hào)煤回風(fēng)巷道出現(xiàn)滲水時(shí)(09:46),由于一部分應(yīng)力的突然釋放,導(dǎo)致數(shù)值減少,2545土壓傳感器數(shù)據(jù)歷時(shí)曲線反映了實(shí)驗(yàn)從頂壓加載、穩(wěn)定到16號(hào)煤回風(fēng)巷道出現(xiàn)滲水的整個(gè)過(guò)程。

圖9 2574水壓傳感器數(shù)據(jù)歷時(shí)曲線

2385水壓傳感器埋設(shè)在主溶洞與16號(hào)煤回風(fēng)巷迎頭延長(zhǎng)線交叉處(詳見(jiàn)傳感器布設(shè)平面圖6)。從16號(hào)煤回風(fēng)巷道出現(xiàn)突水時(shí)(09:46),2385水壓傳感器監(jiān)測(cè)的水壓值急劇下降,2385水壓傳感器數(shù)據(jù)歷時(shí)曲線反應(yīng)了從水壓加載、水壓穩(wěn)定到到16號(hào)煤回風(fēng)巷道出現(xiàn)突水的變化歷程，如圖9所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)水量、應(yīng)力及水壓監(jiān)測(cè)情況,可知16號(hào)煤回風(fēng)巷道突水時(shí)間為09:46，突水水壓為0.004MPa,換算成實(shí)際水壓為0.6MPa。此外，根據(jù)不同地方埋設(shè)的水壓傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況,可推測(cè)出突水點(diǎn)位于陷落柱和巷道迎頭處,并不是在巷道底鼓處。

模擬實(shí)驗(yàn)完成后,將模型切除1/4,可看到模型內(nèi)突水通道,詳見(jiàn)圖10所示。

由上述分析可知,隨著16號(hào)煤回風(fēng)巷道的不斷掘進(jìn),回風(fēng)巷道與陷落柱之間隔水層厚度不斷減少。當(dāng)回風(fēng)巷道與陷落柱之間隔水層厚度減少至5m時(shí),形成了突水,此時(shí)突水系數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.8MPa/m。

4 結(jié)論

陷落柱突水大型三維模擬實(shí)驗(yàn)是開(kāi)展陷落柱突水防治研究的一種重要技術(shù)手段。筆者以駱駝山煤礦2010年3月發(fā)生的陷落柱突水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,利用中煤科工集團(tuán)西安研究院最新研制的礦井突水三維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)存在爭(zhēng)議的陷落柱臨界突水水壓和突水通道,設(shè)計(jì)開(kāi)展了陷落柱突水大型三維模擬實(shí)驗(yàn)。

圖10 模型中突水通道位置

實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了陷落柱突水過(guò)程,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和后期切開(kāi)模型的情況顯示,得到了陷落柱臨界突水水壓和突水通道位置。實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)可為今后開(kāi)展陷落柱突水機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)支撐,并可為同行在設(shè)計(jì)、建造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及開(kāi)展該類(lèi)實(shí)驗(yàn)提供參考。

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(編輯：龐富祥)

Three-dimension large-scale Simulation ExperimentalResearch on Water Inrush of Collapse Column

ZHANG Wenzhong1,2

(1.DepartmentofEnergyScienceandEngineering,Xi′anUniversityofScienceandTechnology,Xi′an710054,China;

2.ShaanxiProvinceKeyLaboratoryofCoalMineWaterDisasterPreventionandControlTechnology,Xi′an710077,China)

In order to study the process,channel and pressure of water inrush,we carried out the 3D large-scale simulation experiment research,reappeared water inrush of collapse column.The critical water inrush pressure is 0.6 MPa.The position of water inrush of collapse column is at the juncture of roadway and collapse column,and not at the floor heave of air return roadway.This research provides technical support for experimental research on mechanism of water inrush of collapse column in future,and the results can provide experimental data for research on water inrush mechanism of collapse.

collapse column;water inrush;three-dimensional simulation experiment;aquiclude

1007-9432(2015)06-0685-06

2014-03-18

十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題資助：煤礦水害隱患探查與防治關(guān)鍵技術(shù)及示范(2012BAK04B04)

張文忠(1980-)，男，河南人，博士，主要從事礦井水害防治方面的研究工作，(E-mail)zhangwenzhong@cctegxian.com， (tel)13891910020

TD745

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.010