深埋特厚煤層綜放開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征

劉英鋒,王世東,王曉蕾

(1．中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西西安 710054;2．黑龍江煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,黑龍江雙鴨山 155100)

深埋特厚煤層綜放開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征

劉英鋒1,王世東1,王曉蕾2

(1．中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西西安 710054;2．黑龍江煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,黑龍江雙鴨山 155100)

以大佛寺煤礦為試驗礦井,采用鉆孔電視系統(tǒng)和鉆孔簡易水文觀測法,探測深埋特厚煤層綜放開采頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度,并對導(dǎo)水裂縫帶演化特征進行相似模擬和數(shù)值模擬試驗研究。研究分析表明：大佛寺煤礦深埋特厚煤層綜放開采頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為170．80～192．12 m;裂縫帶區(qū)域內(nèi),裂隙數(shù)量自上而下逐漸增多,近煤層區(qū)域裂隙異常發(fā)育;鉆孔砂巖區(qū)域,受拉伸作用,形成了縱橫交錯的裂隙,裂隙尺寸、角度較大;工作面回采距離與頂板導(dǎo)水縫隙帶發(fā)育高度曲線呈“臺階”型。

特厚煤層;綜放開采;導(dǎo)水裂縫帶;發(fā)育特征

地下煤炭資源開采過程中上覆巖層將有移動、破斷的現(xiàn)象,覆巖破壞所形成的導(dǎo)水裂縫帶對煤礦安全生產(chǎn)影響重大。因此,頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征的研究,不僅對礦井水害防治和水資源保護具有重要意義,而且對礦井瓦斯防治也具有重要作用[1-5]。

綜放開采已成為我國煤層開采的主要采煤方法,綜放開采條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的準確確定對于我國煤礦發(fā)展具有重要意義,然而綜放開采條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征十分復(fù)雜,不僅與煤層覆巖巖性組合有關(guān),而且與煤層厚度、采煤方法等因素有關(guān)[6]。

對于頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征的研究,劉天泉等[7]眾多學(xué)者經(jīng)過多年的實測與分析,總結(jié)出了“兩帶”發(fā)育高度經(jīng)驗公式,并寫入了《“三下”采煤規(guī)程》;欒元重等[8]采用井下仰孔分段注水法、經(jīng)驗公式法和數(shù)值模擬法對近距離煤層單采和雙層全采后頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進行了研究,得出了準確的發(fā)育高度;孫少平等[9]采用測井法對新安礦區(qū)采煤層開采條件下上覆巖層破壞程度和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進行了研究,證實了開采放頂后上部巖石下沉原有裂隙閉合,得出了新安礦頂板導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度隨著推進距離和采厚增大而增大;許家林等[10]采用理論分析、模擬實驗和工程探測等方法,就覆巖主關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂縫帶高度的影響進行深入研究,研究結(jié)果表明：覆巖主關(guān)鍵層位置影響頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度,且導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度明顯大于經(jīng)驗公式預(yù)測結(jié)果;胡戈等[11]采用簡易水文觀測法對淮南煤田綜放開采條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進行了實測,并進行了實測數(shù)據(jù)回歸分析,得出了軟弱頂板導(dǎo)水裂縫帶經(jīng)驗公式;施龍青等[12]在分析導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗公式來源背景基礎(chǔ)上闡明了單考慮煤層采厚的不合理性及應(yīng)用局限性,針對大采深條件下工作面覆巖運動的特點,推導(dǎo)出考慮采厚、采深、巖層的組合特征等因素的導(dǎo)水裂縫帶預(yù)測公式,并進行了驗證;安泰龍等[13]采用RFPA數(shù)值模擬法分析了神東礦區(qū)補連塔煤礦31401綜采工作面采動過程中覆巖的運動規(guī)律和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育情況,結(jié)果表明：開采過程中形成的復(fù)合隔水關(guān)鍵層能夠有效保護含水層,防止水資源流失;陳榮華等[14]采用RFPA模擬法對開采過程中覆巖推進時的變形、冒落進行了數(shù)值模擬研究,確定了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度;張彬等[15]采用瞬變電磁法對紅柳煤礦1121工作面采空區(qū)開展了覆巖破壞導(dǎo)水裂縫帶超前探測試驗研究,表明其具有定位好、距離大精度高的特點。

以上學(xué)者對于頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的研究,主要包括公式法、實測法、數(shù)值模擬法。而《“三下”采煤規(guī)程》中對于頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的預(yù)計經(jīng)驗公式僅適用于薄及中厚煤層的開采,不適用于特厚煤層綜放開采;且現(xiàn)場實測法其手段單一、數(shù)據(jù)可靠性較低;數(shù)值模擬法只能作為輔助手段,某些特定參數(shù)的優(yōu)化,與現(xiàn)場存在較大差別;對于頂板導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育特征也存在非可視性問題。

筆者以大佛寺煤礦作為試驗礦井,利用鉆孔電視結(jié)合鉆孔簡易水文觀測法,準確把握頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律,對深埋特厚煤層綜放條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶動態(tài)發(fā)育特征進行了研究;并對頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征進行數(shù)值模擬與相似模擬研究。

1 工程概況及探測設(shè)備

1.1 工程概況

頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征的探測以彬長礦區(qū)大佛寺煤礦為試驗礦井。大佛寺煤礦主采4號煤層,煤厚10．10～13．60 m,平均11．50 m,埋深約500 m,煤層直接充水含水層為侏羅系延安組、直羅組砂巖裂隙含水層,單位涌水量0．012 75～0．150 00 L/(s·m),富水性中等。根據(jù)礦井地質(zhì)特征及40106工作面實際情況,在40106綜放工作面上方布置3個觀測孔,即T1,T2,T3。T1位于近開切眼偏工作面回風巷位置,T2位于近工作面中心偏工作面回風巷位置,T3位于終采線偏工作面回風巷位置。地面作業(yè),終孔層均為4號煤層頂板,鉆孔布置如圖1所示,柱狀如圖2所示。

圖1 鉆孔布置示意Fig．1 Layout of boreholes

圖2 綜合地質(zhì)柱狀圖Fig．2 Comprehensive geological histogram

1.2 探測設(shè)備

探測設(shè)備采用的是固德科技公司GD3Q-A/B型鉆孔全孔壁成像系統(tǒng),能夠?qū)@孔內(nèi)部特征以平面圖片的形式展示出來,且具有精度高、操作簡單的特點,彌補了工程地質(zhì)勘探的不足。

鉆孔電視系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框架如圖3所示,包含鉆孔孔壁三維信息的二維平面圖像,經(jīng)電纜的傳送進入圖像捕獲卡,并完成信號的數(shù)字化,將圖像信號壓縮成標準的MPEG-4格式傳送到筆記本電腦中,筆記本電腦中相應(yīng)的變換軟件,將圖片截圖,將得到的每幀圖像進行展現(xiàn),將全景轉(zhuǎn)換為平面圖像,最終得到一張360°鉆孔孔壁特征的二維圖像。

2 頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實測

2.1 方法介紹

采用鉆孔電視系統(tǒng)和簡易水文觀測法對頂板導(dǎo)水裂縫帶動態(tài)發(fā)育特征進行了研究。鉆孔電視系統(tǒng)是把一自帶光源的防水攝像探頭放入地下鉆孔中,探測上覆巖層受采動影響巖體裂縫發(fā)育特征。

圖3 鉆孔電視系統(tǒng)典型框架Fig．3 Framework of panoramic hole imagery system

鉆孔簡易水文觀測法是通過探測鉆孔巖芯完整性、沖洗液消耗量、鉆孔水位等異常情況,綜合判定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征。

2.2 簡易水文觀測確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度

鉆孔沖洗液消耗量和鉆孔水位數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 鉆孔探測數(shù)據(jù)Fig．4 Monitoring data of boreholes

由圖4(a)可知,當鉆進至孔深200．82 m處時消耗量增大,經(jīng)分析可能是由于原生較小裂隙發(fā)育所致,經(jīng)過相關(guān)處理后繼續(xù)向下探測,在經(jīng)過230．44, 255．28,275．66 m處消耗量均有所升高,經(jīng)分析均為原生較小裂隙發(fā)育所致。當鉆進到298．54 m時,鉆孔消耗量明顯增大,消耗量超過水泵供給量,且鉆孔水位突然下降至165 m左右,繼續(xù)鉆進消耗量均超過水泵供給量,且水位呈持續(xù)下降趨勢,因而,確定頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂點的孔深為298．54 m。

由圖4(b)可知,當鉆進至孔深198．52 m處時消耗量增大,經(jīng)分析是由于原生較小裂隙發(fā)育所致,在鉆進的過程中遇到漏失量增大的區(qū)段,均是由于原生小裂隙影響所致,當鉆進299．72 m時,鉆孔消耗量突然增大,鉆孔不返水,且鉆孔水位變化大,繼續(xù)鉆進不再返水,且鉆孔水位持續(xù)降低,因而,確定頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂點的深度為299．72 m。

由圖4(c)可知,當鉆進至孔深220．37 m處時消耗量增大,經(jīng)分析是由于原生裂隙發(fā)育所致,經(jīng)過處理后繼續(xù)鉆進,當鉆進270．53 m時,鉆孔消耗量突然增大,鉆孔不返水,且鉆孔水位變化大,繼續(xù)鉆進鉆孔不再返水,且鉆孔水位持續(xù)降低,因而,確定頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂點的深度為270．53 m。根據(jù)3個鉆孔深度以及煤層厚度得出頂板導(dǎo)水裂縫帶高度(表1)。

表1 導(dǎo)水裂縫帶高度Table 1 Height of water flowing fractured zonem

2.3 鉆孔電視確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度

圖5是T1,T2,T3鉆孔導(dǎo)水裂縫帶頂點位置數(shù)據(jù)。由圖5可知,T1鉆孔在297．36 m處,T2鉆孔在298．13 m處,T3在269．13 m處,巖層出現(xiàn)明顯的裂隙,呈群狀分布。砂巖抗壓強度較大,完整性好,鉆孔取出的巖芯在裂縫處破斷。綜合分析,可以確定此3處深度為導(dǎo)水裂縫帶頂部位置,且在鉆孔簡易水文觀測中,此處水位呈突降趨勢,可知,巖層進入了斷裂帶內(nèi),與鉆孔沖洗液消耗量法觀測的頂板導(dǎo)水裂縫帶頂部位置基本吻合。

圖5 導(dǎo)水裂縫帶頂部位置數(shù)據(jù)Fig．5 Data graph of top of water flowing fractured zone

2.4 綜放開采覆巖破壞高度與形態(tài)特征

通過鉆孔電視和鉆孔簡易水文觀測探測數(shù)據(jù)可知,大佛寺煤礦覆巖頂板導(dǎo)水裂縫帶高度為170．80～192．12 m,綜放開采覆巖破壞形態(tài)呈馬鞍形(圖6)。

T1,T2,T3鉆孔電視探測數(shù)據(jù)顯示,在裂縫帶區(qū)域內(nèi),裂隙數(shù)量自上而下逐漸增多,近煤層區(qū)域裂隙異常發(fā)育,尤其在砂巖區(qū)域,受拉伸作用,形成了縱橫交錯的裂隙,裂隙尺寸、角度較大,如圖7所示。

3 頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度相似模擬

3.1 相似模擬臺及力學(xué)性質(zhì)

圖6 覆巖破壞形態(tài)Fig．6 Fracture shape of overburden

本次試驗依據(jù)為大佛寺綜放工作面及其地質(zhì)資料,依據(jù)試驗?zāi)康呐c條件,選用二維試驗臺,試驗臺尺寸3 000 mm×200 mm×2 000 mm(長×寬×高),具體巖石與相似模型物理參數(shù)見表2。

3.2 試驗設(shè)計

圖7 裂縫帶內(nèi)裂隙特征Fig．7 Fissure characteristics in crack zone

對綜放工作面進行相似模擬試驗,因此選擇幾何相似比200∶1,容重比為1．6∶1,由于模型與實體對應(yīng)點運動情況相似,因此,時間相似比為14．1∶1,強度、彈性模量、黏聚力相似比均為320∶1。

本次試驗以黃河細沙為骨料,石灰與石膏作為膠結(jié)材料,云母作為分層材料,在模型鋪設(shè)中,基巖部分以1 cm作為一層鋪設(shè),并做節(jié)理與分層處理。

3.3 開采覆巖破壞特征

工作面回采過程中覆巖破壞特征如圖8所示。由圖8垮落過程可知：工作面推進24 cm(實際回采48 m)時,上部基本頂巖層達到極限垮落,出現(xiàn)較大范圍冒落;工作面推進33 cm(實際回采66 m)時,基本頂?shù)?次周期來壓,由于基本頂較厚,引起上部巖層較大破壞,來壓時工作面支架載荷明顯增加;工作面推進42 cm(實際回采84 m)時,基本頂?shù)?次周期來壓,采空區(qū)頂板出現(xiàn)明顯離層裂隙;工作面推進到54 cm(實際回采108 m)時,基本頂?shù)?次周期來壓,覆巖發(fā)生大范圍垮落,此時采空區(qū)裂隙由于跨落巖石的壓實作用而趨于閉合;工作面推進63 cm(實際回采126 m)時,覆巖破壞高度進一步擴大;工作面推進到78 cm(實際回采156 m)時,由于覆巖的壓實,頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度回落;工作面推進93 cm(實際回采186 m)時,覆巖破壞進一步向高處發(fā)展,頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度增加;當工作面回采結(jié)束后,頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育到頂部高度為172．3 m。回采過程中頂板導(dǎo)水裂縫帶變化規(guī)律如圖9(a)所示。

表2 實際巖石和相似模型物理力學(xué)參數(shù)對比Table 2 Comparison of physico-mechanical parameters of rock masses and similar model

圖8 覆巖垮落過程Fig．8 Process of overlying strata collapse

圖9 頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度隨回采距離變化曲線Fig．9 Curves of mining distance and the height of water flowing fractured zone

4 頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度數(shù)值模擬

4.1 模擬軟件

根據(jù)試驗?zāi)康囊约皵?shù)值模擬軟件特點,采用UDEC對綜放開采覆巖破壞特征進行模擬,巖石力學(xué)參數(shù)見表2,節(jié)理參數(shù)選取根據(jù)UDEC節(jié)理模型中的庫倫滑動理論,利用正交試驗法取值,采用直觀分析法分析,得出的覆巖節(jié)理參數(shù)見表3。

表3 節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 3 Joint mechanical parameters

4.2 覆巖破壞特征

工作面回采過程中覆巖破壞特征如圖10所示。通過圖10可知,工作面推進到45 m時,基本頂初次破斷,上覆巖層離層;當工作面推進到90 m時,頂板周期垮落,其上裂隙發(fā)育;當工作面推進到140 m時,覆巖主關(guān)鍵層破斷,采空區(qū)被逐漸壓實,壓力回升;當工作面推進到200 m時,采空區(qū)中部完全壓實,裂隙閉合,地表下沉盆地形成,覆巖發(fā)育高度175．4 m,回采過程中頂板導(dǎo)水裂縫帶變化規(guī)律如圖9(b)所示。

圖10 覆巖垮落過程Fig．10 Overlying strata collapse process

5 頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度分析

通過現(xiàn)場測試、相似模擬、數(shù)值模擬得出的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度分別為170．80～192．12,172．30, 175．40 m。

由導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的數(shù)據(jù)可知：通過鉆孔電視和鉆孔簡易水文觀測以及相似模擬和數(shù)值模擬試驗研究,對大佛寺煤礦綜放開采覆巖破壞特征的研究結(jié)果具有較好的一致性,為大佛寺煤礦工作面回采頂板水防治及瓦斯治理提供有力的科學(xué)依據(jù)。

6 結(jié) 論

(1)通過鉆孔簡易水文觀測及鉆孔電視探測結(jié)果,得到大佛寺煤礦深埋特厚煤層綜放開采條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為170．80～192．12 m。裂高采厚比介于15．09～17．12倍,平均16．02倍。

(2)鉆孔電視探測數(shù)據(jù)顯示,在裂縫帶區(qū)域內(nèi),裂隙數(shù)量自上而下逐漸增多,近煤層區(qū)域裂隙異常發(fā)育,尤其在砂巖區(qū)域,受拉伸作用,形成了縱橫交錯的裂隙,裂隙尺寸、角度較大。

(3)數(shù)值模擬與相似模擬結(jié)果表明：大佛寺煤礦工作面回采距離與頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度曲線呈“臺階”型。

(4)通過鉆孔電視和鉆孔簡易水文觀測以及相似模擬和數(shù)值模擬試驗研究,對大佛寺煤礦綜放開采覆巖破壞特征的研究結(jié)果具有較好的一致性,為大佛寺煤礦工作面回采頂板水防治及瓦斯治理提供有力的科學(xué)依據(jù)。

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Development characteristics of water flowing fractured zone of overburden deep buried extra thick coal seam and fully-mechanized caving mining

LIU Ying-feng1,WANG Shi-dong1,WANG Xiao-lei2

(1.Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Xi’an 710054,China;2.Heilongjiang Vocational and Technical College of Coal,Shuangyashan 155100,China)

At Dafosi Coal Mine,a borehole televiewer system and a borehole flushing fluid leakage method were used to monitor the height of water flowing fractured zone of overburden in a deep buried extra thick coal seam fully-mechanized caving mining face．Also,a similarity simulation experiment and a numerical simulation experiment on the development characteristics of water flowing fractured zone were conducted．The research results show that：①The height of water flowing fractured zone of overburden in a deep buried extra thick coal seam fully-mechanized caving mining face at Dafosi Coal Mine is from 170．80 m to 192．12 m．②In fractured zone,the number of fissures increases from top to bottom,the fissures near coal seam zone are well developed．③In sandstone zone,due to tension effect,the fissure of criss-cross is mainly with high dimension and high angle．④The curves of mining distance and the height of water flowing fractured zone is step-shaped．

extra thick coal seam;fully mechanized caving mining;water flowing fractured zone;development characteristics

TD745

A

0253-9993(2014)10-1970-07

2013-08-19 責任編輯：王婉潔

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAC10B03);國家自然科學(xué)基金重點資助項目(51034003,41402220)

劉英鋒(1979—),男,山西運城人,助理研究員,碩士研究生。E-mail：liuyingfeng@cctegxian．com

劉英鋒,王世東,王曉蕾．深埋特厚煤層綜放開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征[J]．煤炭學(xué)報,2014,39(10)：1970-1976．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1168

Liu Yingfeng,Wang Shidong,Wang Xiaolei．Development characteristics of water flowing fractured zone of overburden deep buried extra thick coal seam and fully-mechanized caving mining[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1970-1976．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1168