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层理倾角对煤体力学及渗流特性的影响试验研究

张毓颖, 王江涛, 赵耀江, 薛珂, 李雨成

张毓颖,王江涛,赵耀江,等. 层理倾角对煤体力学及渗流特性的影响试验研究[J]. 煤矿安全,2024,55(12):81−89. DOI: 10.13347/j.cnki.mkaq.20231587
引用本文: 张毓颖,王江涛,赵耀江,等. 层理倾角对煤体力学及渗流特性的影响试验研究[J]. 煤矿安全,2024,55(12):81−89. DOI: 10.13347/j.cnki.mkaq.20231587
ZHANG Yuying, WANG Jiangtao, ZHAO Yaojiang, et al. Experimental study on the influence of different bedding dip angles on mechanical properties of coal[J]. Safety in Coal Mines, 2024, 55(12): 81−89. DOI: 10.13347/j.cnki.mkaq.20231587
Citation: ZHANG Yuying, WANG Jiangtao, ZHAO Yaojiang, et al. Experimental study on the influence of different bedding dip angles on mechanical properties of coal[J]. Safety in Coal Mines, 2024, 55(12): 81−89. DOI: 10.13347/j.cnki.mkaq.20231587

层理倾角对煤体力学及渗流特性的影响试验研究

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(52004170)
详细信息
    作者简介:

    张毓颖(1997—),女,山西晋城人,硕士研究生,研究方向为灾害防治理论与技术。E-mail:995856341@qq.com

  • 中图分类号: TD713

Experimental study on the influence of different bedding dip angles on mechanical properties of coal

  • 摘要:

    为了研究层理面对煤体力学性质和渗透率的影响,利用自主研制的三轴瓦斯渗流装置和声发射监测系统,对不同层理角度煤样进行三轴压缩试验,同时采集相应的声发射数据,并结合莫尔−库仑强度准则对煤样的破坏形式进行分析。研究结果表明:在三轴加载下,各层理角度煤样的力学变形特性具有明显的层理效应,其峰值强度、弹性模量和泊松比均随着层理角度的增大呈先减小再增大的变化趋势;各层理角度煤样的渗透率变化趋势基本一致,均呈现出先减小再增大的“U”形变化,同时煤样的初始渗透率和最小渗透率随层理角度的增大而增大,C-90°煤样为其他层理煤样的2.5~5倍;声发射信号主要集中于屈服阶段和峰后破坏阶段,且在峰后破坏阶段煤样的振铃计数值达到峰值,其中,C-0°煤样产生的声发射信号最强烈,C-45°煤样产生的声发射信号最弱;莫尔−库仑强度准则可以很好地反映含单组层理煤样的破坏模式,试验结果与理论分析基本吻合。

    Abstract:

    In order to study the influence of bedding on the mechanical properties and permeability of coal samples, a triaxial gas seepage device and acoustic emission monitoring system developed by self-developed were used to conduct triaxial compression tests on coal samples at different bedding angles and to collect the corresponding acoustic emission data, and the failure forms of coal samples were analyzed combined with the Mohr-Coulomb strength criterion. The results show that the mechanical deformation characteristics of coal samples with different bedding angles have obvious bedding effects under triaxial loading, and the peak strength, elastic modulus and Poisson’s ratio all decrease first and then increase with the increase of bedding angles. The permeability of coal samples at each bedding angle shows the same trend, showing a U-shaped change of first decreasing and then increasing. At the same time, the initial permeability and minimum permeability of coal samples increase with the increase of bedding angle, and the C-90° bedding coal sample is 2.5-5 times that of other bedding coal samples. The acoustic emission signals are mainly concentrated in the yield stage and the post-peak failure stage, and in the post-peak failure stage, the ringing meter value of the coal sample reaches the peak. The acoustic emission signal generated by the coal sample at 0° is also the strongest, while the acoustic emission signal generated by the coal sample at 45° is the weakest. The Mohr-Coulomb strength criterion can well reflect the failure mode of coal sample with single stratified group, and the experimental results are basically in agreement with the theoretical analysis.

  • 采动诱发覆岩裂隙贯穿覆岩隔水层,极易造成生态水资源破坏和矿井水害,对生态环境的破坏尤为明显。钱鸣高[1]提出了煤矿绿色开采的理念,认为保水开采是绿色开采中的一项重要内容。目前相关学者对导水裂隙带发育规律进行了大量的研究,提出了隔水层隔水性不受破坏是保水开采的关键[2-5],揭示了煤层赋存条件、开采方法、开采参数及关键层位置对导水裂隙带发育高度的影响[6-18],通过理论分析、数学软件模拟及对大量实测数据的分析,总结了多种导水裂隙带发育高度理论预计方法,构建了导水裂隙带发育高度预测模型[15-21]。覆岩导水裂隙带发育高度与覆岩移动变形息息相关,虽然前人已对导水裂隙带发育高度进行了大量研究,但将覆岩移动变形与覆岩导水裂隙带发育高度有机结合方面研究相对较少。为此,基于前人研究成果,以小保当矿区2−2号煤层为研究对象,通过理论分析、相似模拟实验和实例验证的方法研究导水裂隙带动态发育高度,借助概率积分法预计导水裂隙带上部岩层的曲率变形,给出1种导水裂隙带动态发育高度的理论预计方法,为进一步分析采动过程中导水裂隙带发育高度动态演化规律和预计导水裂隙带发育高度提供理论依据。

    采动诱发的覆岩移动破坏具有明显分带性,根据移动破坏特征将覆岩分为“三带”,其中垮落带和裂隙带共同组成导水裂隙带,导水裂隙带上部至地表范围内的岩层为弯曲下沉带。导水裂隙带上部岩层作为导水裂隙带与弯曲下沉带分界岩层,其是否破断对导水裂隙带发育高度有重要影响,因此对导水裂隙带发育高度的研究以分析导水裂隙带上部岩层变形破坏为主。

    采动后覆岩发生弯曲,其弯曲程度随工作面推进长度增大逐渐加剧,当导水裂隙带上部岩层弯曲程度超过自身极限时,裂缝沿其法线方向向上发育,发育高度取决于导水裂隙带上部岩层曲率变形Ki大小[22]。地表与导水裂隙带上部岩层分别为弯曲下沉带上部与下部边界,其移动变形属于同一问题的2方面,移动变形规律相似,采用概率积分法可对导水裂隙带上部岩层移动变形进行分析[23]。导水裂隙带发育高度形态如图1

    图  1  导水裂隙带发育高度示意图
    Figure  1.  Development height diagram of water conducting fractured zone

    图1中:hs为导水裂隙带发育高度,m;δ为移动角,(°);φ为采动角,(°);Ki为导水裂隙带上部岩层曲率变形,10−3/m;H为开采煤层埋藏深度,m;z为导水裂隙带上部岩层埋深,m;ri为导水裂隙带上部岩层主要影响半径,m;li为导水裂隙带上部岩层平底点距开采边界距离,m。

    导水裂隙带上部岩层各点曲率变形值Ki表达式为:

    $$ {K_i} = - 2{\text{π }}\frac{{{\eta _i}m\;\cos\; \alpha }}{{r_i^3}}x{{\mathrm{e}}^{ - {\text{π }}\frac{{{x^2}}}{{r_i^2}}}} $$ (1)

    式中:ηi为导水裂隙带上部岩层下沉系数;m为煤层开采高度,m;α为煤层倾角,(°);x为导水裂隙带上部岩层任一点位置。

    煤层开采后覆岩发生破断,破断岩层在采空区发生堆积,由于岩石具有碎胀性,导水裂隙带上部岩层下沉值一般小于煤层开采高度m,其下沉系数ηi表达式为:

    $$ {\eta _i} = \frac{{{w_i}}}{{m\;\cos \;\alpha }} $$ (2)

    式中:wi为导水裂隙带上部岩层下沉值,m。

    导水裂隙带上部岩层最大曲率变形值相应点位置x的表达式为:

    $$ x = \frac{{{r_i}}}{{\sqrt {2{\text{π }}} }} = 0.4{r_i} $$ (3)

    将式(3)代入式(1)中,可得导水裂隙带上部岩层最大曲率变形值Kimax表达式为:

    $$ {K_{i\max }} = \pm 1.52\frac{{{\eta _i}m\;\cos\; \alpha }}{{r_i^2}} $$ (4)

    采动诱发覆岩移动破坏是1个随工作面推进长度改变动态变化的过程,工作面推进长度增大,覆岩破坏发育高度、导水裂隙带上部岩层层位及曲率变形均发生变化,分析采动过程中覆岩动态破断规律,确定导水裂隙带上部岩层层位及曲率变形大小是预计导水裂隙带动态发育高度的关键。

    煤层采出后采空区上覆岩层失去支撑出现悬露,悬露长度lxi随工作面推进长度L增大而增大,工作面推进长度L与岩层悬露长度lxi的关系如图2

    图  2  覆岩破断示意图
    Figure  2.  Overburden rock fracture diagram

    图2中:lxi为岩层悬露长度,m;θ1θ2分别为开切眼与工作面侧覆岩破断角,(°);L为工作面推进长度,m。由图2可知,工作面推进长度L与岩层悬露长度lxi存在如下关系:

    $$ {l_{xi}} = L - \left( {H - z} \right)\left( {\cot \;{\theta _1} + \cot \;{\theta _2}} \right) $$ (5)

    由式(5)可知:当岩层埋深一定时,工作面推进长度L越长,第i层岩层悬露长度lxi越大;当第i层岩层破断时悬露长度为其破断距lpi,此时工作面推进长度为第i层岩层破断时的推进长度Lpi

    由于破断岩层具有碎胀性,第i层岩层下部自由空间高度∆i随破断岩体垮落堆积逐渐减小,当下部自由空间高度∆i小于第i层岩层挠度fimax时,下部自由空间高度∆i不足以诱发第i层岩层破断,覆岩破断到一定高度后停止,此后即使工作面推进长度进一步增大至LLpi时,第i层岩层及其上覆岩层不再发生破断[24]。第i层岩层下部自由空间高度∆i关系式为:

    $$ {\Delta _i} = m - \left( {H - z} \right)\left( {{k_{\mathrm{c}}} - 1} \right)\;\cos\; \alpha $$ (6)

    式中:∆i为下部自由空间高度,m;kc为岩石残余碎胀系数。

    综上所述,结合工作面推进长度L、挠度fimax以及下部自由空间高度∆i给出1种采动中覆岩破断的判据,覆岩动态破断判据见表1

    表  1  覆岩动态破断判据
    Table  1.  Dynamic fracture criterion of overburden rock
    推进长度/m i层岩层挠度/m 是否破断
    L<Lpifimax≥∆i
    fimax<∆i
    LLpifimax≥∆i
    fimax<∆i
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    根据表1判断覆岩各岩层破断情况,可对采动中导水裂隙带上部岩层层位进行确定。若第i层岩层不破断,导水裂隙带于第i层岩层下部停止发育,第i层岩层为导水裂隙带上部岩层;反之则转入对第i+1层岩层破断情况进行判断。

    同一煤层上覆不同层位岩层物理力学性质不同,各岩层性质及厚度存在明显差异,因此采动中相邻岩层会出现不均匀下沉现象。覆岩不均匀下沉示意图如图3

    图  3  覆岩不均匀下沉示意图
    Figure  3.  Uneven subsidence diagrams of overburden rock

    图3可知,当覆岩出现不均匀下沉时,若导水裂隙带上部岩层挠度小于下部自由空间高度即fimax<∆i,其下沉值为挠度fimax;若导水裂隙带上部岩层挠度不小于下部自由空间高度即fimax≥∆i,导水裂隙带上部岩层与下方岩层接触,其下沉值为下部自由空间高度∆i。综上所述,采动中导水裂隙带上部岩层下沉系数ηi是1个与其下部自由空间∆i及挠度fimax有关的分段函数,表达式为:

    $$ \left\{ \begin{gathered} {\eta _i} = \frac{{{\Delta _i}}}{m}\left( {{f_{i\max }} \geqslant {\Delta _i}} \right) \\ {\eta _i} = \frac{{{f_{i\max }}}}{m}\left( {{f_{i\max }} < {\Delta _i}} \right) \\ \end{gathered} \right. $$ (7)

    导水裂隙带上部岩层下沉系数与其曲率变形值直接相关,基于概率积分法,结合导水裂隙带上部岩层下沉系数分段函数分析,可得导水裂隙带上部岩层曲率变形值。

    苏联学者Б·я·гвельцман[22]通过实测数据得出全部垮落法开采导水裂隙带发育高度hs与导水裂隙带上部岩层极限曲率Kt存在如下关系表达式:

    $$ h_{\mathrm{s}}^2 = \frac{{7.25{\eta _i}m}}{{{K_{\mathrm{t}}}{{\left( {\cot \;\delta + \cot\; \varphi } \right)}^2}}} $$ (8)

    式中:Kt为导水裂隙带上部岩层极限曲率,10−3/m。

    图1可知,覆岩采动角φ与移动角δ反切值表达式为:

    $$ \cot \;\delta = \frac{{{r_i}}}{{\left( {H - z} \right)}} $$ (9)
    $$ \cot \;\varphi = \frac{{{l_i}}}{{\left( {H - z} \right)}} $$ (10)

    采动后裂缝沿弯曲岩层法线方向向上发育,发育高度取决于导水裂隙带上部岩层曲率变形的大小,将式(4)、式(9)、式(10)代入式(8)中即可得到基于导水裂隙带上部岩层曲率变形的导水裂隙带发育高度预计公式:

    $$ h_{\mathrm{s}}^2 = \frac{{4.77{{\left( {H - z} \right)}^2}r_i^2{K_{i\;\max }}}}{{{K_{\mathrm{t}}}{{\left( {{r_i} + {l_i}} \right)}^2}\;\cos\; \alpha }} $$ (11)

    导水裂隙带动态发育高度预计流程如图4

    图  4  导水裂隙带动态发育高度预计流程图
    Figure  4.  Prediction flow chart of dynamic development height of water conducting fractured zone

    结合煤层赋存条件,判断采动中覆岩各岩层破断情况,确定不同工作面推进长度下导水裂隙带上部岩层层位、下沉系数和曲率变形,分析计算导水裂隙带动态发育高度。

    小保当矿区2−2号煤层倾角为0°~1°,属于近水平煤层,平均埋深为369.41 m,上覆基岩厚度为294.54 m,松散层厚度为68.87 m,平均采高6 m。各岩层相似模拟配比见表2

    表  2  相似模拟实验配比表
    Table  2.  Similar simulation experiment ratio table
    序号 岩性 厚度/m 相似材料配比
    河砂 石膏 大白粉
    32 粉沙 2.70 9 1 9
    31 细沙 53.80 9 1 9
    30 红土 12.37
    29 细粒砂岩 17.64 8 2 8
    28 细粒砂岩 17.00 8 2 8
    27 泥岩 7.00 9 2 8
    26 细粒砂岩 2.20 8 2 8
    25 砂质泥岩 7.77 9 4 6
    24 细粒砂岩 18.96 8 3 7
    23 砂质泥岩 8.68 9 4 6
    22 细粒砂岩 3.09 8 2 8
    21 砂质泥岩 12.10 9 4 6
    20 砂质泥岩 12.00 9 4 6
    19 细粒砂岩 5.00 8 2 8
    18 砂质泥岩 6.48 9 4 6
    17 细粒砂岩 13.64 8 2 8
    16 粉砂岩 16.70 7 2 8
    15 细粒砂岩 10.10 8 3 7
    14 粉砂岩 6.01 7 2 8
    13 细粒砂岩 13.01 8 3 7
    12 粉砂岩 15.13 7 2 8
    11 细粒砂岩 8.66 8 3 7
    10 粉砂岩 19.40 7 2 8
    9 细粒砂岩 9.88 8 3 7
    8 粉砂岩 8.20 7 2 8
    7 细粒砂岩 14.90 8 3 7
    6 煤(1−1 2.00 粉煤灰∶河砂∶石膏∶大白粉=
    21∶1∶2∶21
    5 细粒砂岩 18.75 8 3 7
    4 粉砂岩 4.20 7 2 8
    3 细粒砂岩 5.10 8 3 7
    2 中粒砂岩 8.34 8 2 8
    1 细粒砂岩 3.50 8 3 7
    煤(2−2 6.00 粉煤灰∶河砂∶石膏∶大白粉=
    21∶1∶2∶21
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    根据2−2号煤层赋存条件选取几何相似常数αi=200、密度相似常数αρ=1.56、应力相似常数ασ=αiαρ=312,搭建尺寸为3 000 mm×1 700 mm×200 mm的相似模型。

    为减小边界效应,开切眼开掘位置距模型左边界40 cm(80 m),由开切眼处开始向右侧模拟开挖煤层,在距模型边界40 cm(80 m)处停止开采,煤层开采过程中采用PENTAXR-322NX型光学全站仪对模型测线进行观测。工作面推进不同距离时导水裂隙带发育高度如图5~图7

    图  5  工作面推进至119 m时导水裂隙带发育高度
    Figure  5.  Development height of water conducting fractured zone with working face advancing 119 m
    图  6  工作面推进至278 m时导水裂隙带发育高度
    Figure  6.  Development height of water conducting fractured zone with working face advancing 278 m
    图  7  工作面推进至428 m时导水裂隙带发育高度
    Figure  7.  Development height of water conducting fractured zone with working face advancing 428 m

    图5可知:当工作面推进至119 m时,覆岩10号岩层未发生破断,为工作面推进至119 m时导水裂隙带上部岩层,导水裂隙带发育至10号岩层下部,发育高度为63.6 m,为2−2号煤层采高(6 m)的10.6倍。

    图6可知:当工作面推进至278 m时,覆岩破坏发育高度随工作面推进而增大,导水裂隙带发育至16号岩层中部,16号岩层未破断,为工作面推进至278 m时导水裂隙带上部岩层,导水裂隙带发育高度155 m,为采高的25.8倍。

    图7可知:当工作面推进至428 m时开采完毕,覆岩垮落稳定后煤层开采达到充分采动,受下部自由空间高度限制,覆岩破坏发育高度不再随工作面推进而增大,导水裂隙带在16号岩层中部停止发育,发育高度不再随工作面推进而发生明显变化,覆岩16号岩层为导水裂隙带上部岩层,导水裂隙带最大发育高度155 m,为采高的25.8倍。

    根据覆岩破断判据,结合相似模拟实验现象及观测数据对采动过程中各岩层破断情况进行判定,覆岩破断情况判别表见表3

    表  3  覆岩破断情况判别表
    Table  3.  Overburden rock fracture discrimination table
    岩层序号 岩层厚度/m Lpi/m i/m 是否破断
    16 16.70 212.0 4.52
    15 10.10 212.0 4.63
    14 6.01 168.0 4.69
    13 13.01 168.0 4.82
    12 15.13 155.0 4.97
    11 8.66 126.0 5.06
    10 19.40 126.0 5.25
    9 9.88 119.0 5.35
    8 8.20 99.0 5.43
    7 14.90 99.0 5.58
    6 2.00 99.0 5.60
    5 18.75 90.0 5.79
    4 4.20 76.0 5.83
    3 5.10 76.0 5.88
    2 8.34 53.0 5.97
    1 3.50 41.6 6.00
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    表3可知:当工作面推进至41.6 m时,煤层顶板发生破断,覆岩破坏开始向上发育;当推进长度达到53.0 m覆岩2号岩层发生破断,随着工作面推进长度增大,导水裂隙带逐步向上发育;在推进长度达到76.0 m时上覆3、4号岩层均发生破断,导水裂隙带发育至5号岩层下部;当推进至90.0 m时5号岩层发生破断,导水裂隙带进一步发育,其上覆6号~8号岩层在推进长度达到99.0 m时均发生破断;推进长度达到119 m时9号岩层破断,导水裂隙带发育至10号岩层下部;当推进至126.0 m时10号岩层与11号岩层发生同步破断,推进至155.0 m时12号岩层破断,导水裂隙带随覆岩破断向上发育;当推进长度达到168.0 m时13号、14号岩层同步破断,推进至212.0 m时覆岩15号岩层发生破断,由于f16max=6.61 m>∆16,16号岩层不破断,导水裂隙带于16号岩层下部停止发育,此后随着工作面推进长度增大,导水裂隙带发育高度不再发生明显变化。

    为了进一步分析采动过程中的导水裂隙带动态发育高度,结合相似模拟实验现象及观测数据,以工作面推进长度119、278、428 m(在该推进长度下导水裂隙带上部岩层下沉系数分别对应其下沉系数的2个分段函数)为例预计2−2煤层开采过程中导水裂隙带发育高度,理论预计结果如下:

    1)当工作面推进至119 m时10号岩层未破断,为导水裂隙带上部岩层。相似模拟实验观测得10号岩层l10=37.8 m,r10=38.2 m,下沉值w10=0.72 m,下沉系数η10=0.12,极限曲率Kt=1.30×10−3/m,推进至119 m时导水裂隙带上部岩层最大曲率变形值K10max=0.75×10−3/m,将上述数据代入式(11)中计算可得。工作面推进至119 m时导水裂隙带发育高度hs为62.4 m。

    2)当工作面推进至278 m时,16号岩层未破断,为导水裂隙带上部岩层,相似模拟实验观测可得16号岩层l16=72.3 m,r16=72.9 m,下沉值w16=4.52 m,下沉系数η16=0.75,推进至278 m时导水裂隙带上部岩层最大曲率变形值K16max=1.29×10−3/m,将上述参数代入式(11)中计算可得工作面推进至278 m时导水裂隙带发育高度hs为160.8 m。

    3)当工作面推进至428 m时,16号岩层仍未破断,下沉系数η16=0.75,曲率变形值K16 max=1.29×10−3/m,计算得当工作面推进至428 m时导水裂隙带发育高度仍为160.8 m,导水裂隙带发育高度不再随工作面推进长度增大发生明显变化,导水裂隙带最大发育高度hs为160.8 m。

    当工作面推进至119 m时,相似模拟实验中导水裂隙带发育高度为63.6 m,理论预计结果为62.4 m,误差为1.9%;推进至278 m时,实验中导水裂隙带发育高度为155 m,理论预计结果为160.8 m,误差为3.6%;当2−2号煤层开采完成后,实验中导水裂隙带最大发育高度为155 m,理论预计导水裂隙带最大发育高度为160.8 m,误差为3.6%。

    基于相似模拟实验及理论预计结果绘制的2−2煤层开采过程中导水裂隙带动态发育高度曲线图如图8

    图  8  覆岩导水裂隙带动态发育曲线
    Figure  8.  Dynamic development curves of overburden water conducting fractured zone

    图8可知,导水裂隙带发育高度理论预计曲线与相似模拟实验曲线基本一致,误差为1.9 %~3.6%,两段曲线均表明采动中导水裂隙带发育高度随工作面推进长度增大发生变化,其发育形态大致可分为以下4个阶段。

    1)缓慢发育阶段。煤层开采初期,采空区尺寸相对较小,受采空区大小限制导水裂隙带发育相对缓慢。

    2)迅速发育阶段。工作面进一步推进,覆岩受采动影响程度增大,导水裂隙带随工作面推进长度增大快速发育。

    3)发育变缓阶段。导水裂隙带发育至一定高度后,采动对导水裂隙带上部岩层影响程度逐渐降低,此时导水裂隙带发育高度随工作面推进增速逐渐减缓。

    4)发育平稳阶段。当工作面推进至一定长度后,由于岩石具有碎胀性,破断岩层将覆岩下部自由空间填满,导水裂隙带上部岩层不再发生破断,导水裂隙带达到最大发育高度,不再随工作面推进长度增大发生明显变化。

    小保当一号井2−2号煤层平均埋深356.5 m,上覆基岩厚度为202.65~288.89 m,平均254.14 m,松散层厚度为70.26 m,煤层平均厚度为5.8 m。为验证覆岩导水裂隙带发育高度预计理论的可靠性,以小保当一号井2−2号煤层为研究对象,对覆岩导水裂隙带发育高度进行了现场实测。

    现场对6个钻孔进行探查,探查结果表明覆岩导水裂隙带发育高度为152.01~175.57 m,为采高的26.21~30.27倍,切眼附近导水裂隙带发育高度最大,工作面内部发育高度较小。理论预计小保当矿区2−2号煤层覆岩导水裂隙带最大发育高度为160.8 m,与现场实测覆岩导水裂隙带发育高度基本一致。

    1)基于工作面推进长度、挠度及下部自由空间高度给出了覆岩动态破断判据和导水裂隙带上部岩层下沉系数分段函数,在此基础上给出了1种基于导水裂隙带上部岩层曲率变形的导水裂隙带动态发育高度预计方法。

    2)通过相似模拟实验和理论预计方法,揭示了采动中导水裂隙带发育高度动态演化的4个阶段:缓慢发育阶段、迅速发育阶段、发育变缓阶段、发育平稳阶段。

    3)以小保当矿区2−2号煤层为研究对象对导水裂隙带发育高度进行理论预计、相似模拟实验及现场实测,理论预计结果与相似模拟实验结果误差为1.9 %~3.6%,理论预计发育高度为160.8 m,与现场实测2−2号煤层开采导水裂隙带发育高度152.01~175.57 m基本吻合。

  • 图  1   三轴瓦斯渗流装置示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of three−axis gas seepage device

    图  2   煤样切割取心示意图

    Figure  2.   Cutting coring diagram of coal sample

    图  3   各层理角度煤样偏应力−轴向应变/径向应变/体积应变曲线

    Figure  3.   Deviatorial stress-axial strain/radial strain/volumetric strain curves of coal samples at different bedding angles

    图  4   煤样的峰值强度、弹性模量、泊松比随层理角度的变化曲线

    Figure  4.   Change of peak strength, elastic modulus and Poisson’s ratio of coal sample with bedding angle

    图  5   各层理角度煤样偏应力/渗透率/振铃计数−轴向应变曲线

    Figure  5.   Deviational stress/permeability/ringing counting-axial strain curves of coal samples at each bedding angle

    图  6   各层理角度煤样破坏照片

    Figure  6.   Failure pictures of coal samples at various bedding angles

    图  7   含单组结构面煤岩破坏机理分析

    Figure  7.   Failure mechanism analysis of coal rock with single group structural face

    表  1   各层理角度煤样三轴压缩试验数据

    Table  1   Experimental data of triaxial compression of coal samples at different bedding angles

    煤样编号 层理角度/(°) 峰值强度/MPa 弹性模量/MPa 泊松比
    C-0° 0 41.49 2858.42 0.41
    C-30° 30 35.01 2402.32 0.32
    C-45° 45 18.26 2211.58 0.26
    C-60° 60 30.22 2522.35 0.31
    C-90° 90 35.15 2853.39 0.44
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    表  2   各层理角度煤样渗透率统计表

    Table  2   Statistical table of coal sample permeability at different bedding angles

    参数 渗透率/10−15 m2
    C-0° C-30° C-45° C-60° C-90°
    初始渗透率 0.008 0.011 0.014 0.016 0.040
    最小渗透率 0.005 0.005 0.009
    平均渗透率 0.005 0.003 0.008 0.008 0.023
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  • 期刊类型引用(1)

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-01
  • 修回日期:  2023-12-14
  • 刊出日期:  2024-12-19

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