高河礦水體下采煤工作面頂板兩帶高度研究

郭亞楠

【摘 要】 文章針對(duì)高河礦采煤工作面多處涉及水體下安全采煤等問題，選取W1303作為典型工作面，利用經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值模擬進(jìn)行兩帶高度預(yù)計(jì)，采用鉆孔沖洗液漏失量、水位觀測(cè)、彩色鉆孔窺視探測(cè)等手段，對(duì)工作面水體下采煤頂板兩帶高度進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。結(jié)果表明：W1303工作面開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為79.39m，裂采比為11.67;垮落帶高度為21.8m，垮采比為3.21。在正常地質(zhì)條件導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶不會(huì)導(dǎo)通頂板上覆第四系松散含水層及地表水系。

【關(guān)鍵詞】 頂板破壞;導(dǎo)水裂隙帶;垮落帶;沖洗液漏失量

【中圖分類號(hào)】 TD325 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）05-0023-03

準(zhǔn)確預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)工作面水害防治具有意義，而對(duì)于水體下采煤工作面而言尤為關(guān)鍵。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：近年來我國(guó)礦井水害事故多是因地下水通過導(dǎo)水裂隙帶涌入工作面所致。因此，相關(guān)學(xué)者和礦山科技工作者進(jìn)行了大量導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)和理論研究工作。李新鳳等基于濟(jì)三煤礦水文地質(zhì)條件計(jì)算了3#煤導(dǎo)水裂隙帶高度，并對(duì)其對(duì)生產(chǎn)的影響進(jìn)行了分析。楊高峰和郝利生等采用經(jīng)驗(yàn)公式和FLAC3D數(shù)值模擬的方法研究了工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為工作面防治水工作提供了技術(shù)保障。張凱基于對(duì)趙莊煤礦3#煤綜放開采下頂板“兩帶”高度的計(jì)算，對(duì)頂板水害危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。上述研究極大促進(jìn)了工作面頂板兩帶高度的研究，但對(duì)水體下綜采放頂煤一次采全厚頂板裂隙帶發(fā)育高度的尚有不足。此外，復(fù)合水體下采煤工作面水文地質(zhì)較為復(fù)雜，應(yīng)針對(duì)礦井實(shí)際條件進(jìn)行具體分析。

本文基于上述研究成果，針對(duì)高河能源有限公司首采區(qū)東一盤區(qū)面臨漳河及其支流淘清河下及新生界厚松散含水層下采煤時(shí)可能發(fā)生水害事故的問題，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法對(duì)煤層采動(dòng)后導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律及最大導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行研究，為漳河水體下及河漫灘下工作面安全回采提供技術(shù)指導(dǎo)。

1礦井概況

山西高河煤礦井田內(nèi)地表水系發(fā)育，首采區(qū)東一盤區(qū)工作面受濁漳河及其支流淘清河下及新生界厚松散含水層含層影響。W1303綜放工作面為西一盤區(qū)首采工作面，周邊均為未采區(qū)。工作面推進(jìn)長(zhǎng)約539m，傾向?qū)?06m，開采二疊系山西組3#煤，煤層平均厚度6.5m，煤層傾角約8°，平均采深518m，采煤方法為放頂煤一次采全高采煤法，全部垮落法處理頂板。煤層頂?shù)装鍘r層情況如表1所示。

2兩帶高度預(yù)計(jì)及觀測(cè)方法

2.1觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

為觀測(cè)水體下工作面開采頂板最大導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶高度，根據(jù)該W1303工作面目前開采情況，采用地面鉆孔進(jìn)行觀測(cè)。鉆孔布置在距切眼內(nèi)側(cè)180m左右的位置，在運(yùn)輸巷內(nèi)側(cè)30m位置處布置孔1，孔1位置煤厚6.80m，在工作面中央布置孔2，煤厚6.84m，在工作面推過設(shè)計(jì)位置100m左右開始打鉆。鉆孔位置見圖1所示。

參考煤炭行業(yè)《導(dǎo)水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)方法》（MT/T866-2000）執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，鉆孔鉆進(jìn)過程中每隔0.5m對(duì)鉆孔沖洗液漏失量及鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行一次記錄，每次起鉆后、下鉆前分別進(jìn)行一次水位觀測(cè)，詳細(xì)記錄鉆進(jìn)過程中掉鉆、卡鉆位置。終孔后利用彩色鉆孔窺視進(jìn)行全孔觀測(cè)，綜合分析確定工作面“兩帶”發(fā)育高度。鉆孔開孔直徑φ146mm，鉆進(jìn)至基巖風(fēng)化帶以下5～10m時(shí)，選擇在隔水巖層以下硬巖層內(nèi)下套管封閉止水，套管直徑φ127mm，鉆孔終孔直徑φ89mm。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2頂板兩帶高度預(yù)計(jì)

2.2.1經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)

根據(jù)W1303工作面煤層賦存條件，結(jié)合“三下采煤”規(guī)程相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)水裂隙帶最大高度可采用中硬巖層頂板預(yù)計(jì)式（1）和公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

H=20+10（1）

H=±5.6（2）

其中，H為導(dǎo)水裂隙帶高度，單位m;M為累計(jì)采厚，單位m，孔1時(shí)取6.80m，孔2時(shí)取6.92m。將孔1時(shí)累計(jì)采厚M=6.80m分別帶入式（1）和式（2）計(jì)算得導(dǎo)水裂隙帶高度為62.15m和62.61m;將孔2時(shí)累計(jì)采厚M=6.92m分別帶入式（1）和式（2）計(jì)算得導(dǎo)水裂隙帶高度為52.56m和52.76m，

2.2.2數(shù)值模擬計(jì)算

基于FLAC3D建模原理，根據(jù)高河W1303工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件建立模型，為計(jì)算方便，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，用施加應(yīng)力的方法來代替上覆部分巖層，模型長(zhǎng)700m，寬700m，高330m。根據(jù)高河礦巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告選取了煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

工作面模擬切眼長(zhǎng)206m，推進(jìn)長(zhǎng)度300m，采厚6.8m，模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，工作面推進(jìn)過程中，頂板塑性破壞區(qū)范圍不斷加大，巖體在煤壁附近受剪切力較大，發(fā)生剪切破壞，而在采空區(qū)頂板淺部主要發(fā)生拉張破壞。分析認(rèn)為剪切塑性破壞最大高度為頂板裂隙帶破壞高度，而采空區(qū)頂板拉塑性破壞高度為發(fā)生垮落的巖層。因此根據(jù)W1303工作面推進(jìn)300m數(shù)值模擬結(jié)果，導(dǎo)水裂隙帶最終發(fā)育高度為77.5m，裂采比為11.40;垮落帶高度為20.48m，垮采比為3.01。

3觀測(cè)結(jié)果分析

3.1孔1觀測(cè)結(jié)果分析

圖4為孔1鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量和水位變化曲線?？?鉆孔累計(jì)進(jìn)尺509.51m，在孔深小于435m范圍內(nèi)沖洗液漏失量變化不大，總體趨勢(shì)趨于平緩，自孔深438.71m開始，沖洗液漏失量有明顯增大，至446.84m處沖洗液循環(huán)中斷，全部漏失，在孔深446.74m至448.24m之間連續(xù)進(jìn)行注水實(shí)驗(yàn)，未見返水。對(duì)比鉆孔水位下降速度，其同單位時(shí)間漏失量的變化趨勢(shì)基本一致。

鉆孔窺視探測(cè)自孔口開始至509.51m結(jié)束，實(shí)際探測(cè)深度為509.51m?？咨?35m以上巖層多處出現(xiàn)裂隙，但裂隙細(xì)微、近水平、閉合，且均為橫向裂隙，經(jīng)分析應(yīng)為原生裂隙或受采動(dòng)影響而進(jìn)一步發(fā)育的原生裂隙;在孔深437.87m之后出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙垂向距離為0.27m，裂隙寬度為3.5cm，如圖5（a）所示;在孔深444.84～445.96m之間處有一處長(zhǎng)度1.12m的高角度近垂向裂隙，裂隙發(fā)育形態(tài)較破碎，且在445.96m以下多次出現(xiàn)較發(fā)育裂隙。從496.30m開始，巖層破壞程度較高，發(fā)育開始較為破碎，不僅出現(xiàn)大量發(fā)育連通、裂隙密度較大、橫縱交錯(cuò)的裂隙，而且還出現(xiàn)有壓實(shí)的痕跡的碎塊，破壞狀態(tài)較上覆巖層更為劇烈，如圖5（b）所示。

通過對(duì)孔1沖洗液漏失量、水位、鉆孔窺視觀測(cè)結(jié)果及鉆進(jìn)記錄分析，確定導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)為438.71m，垮落帶頂點(diǎn)為496.30m?？?位置煤層底板距孔口垂距為524.90m，采厚為6.80m。經(jīng)計(jì)算孔1位置3#煤層導(dǎo)水裂縫帶高度為79.39m，為采厚的11.67倍;垮落帶高度為21.8m，為采厚的3.21倍。

3.2孔2觀測(cè)結(jié)果分析

圖6在孔深443.96～446.35m之間孔內(nèi)水位下降速度有明顯升高，說明該層段裂隙較上層發(fā)育;在孔深462.60～467.11m之間水位變化速度有所上升，說明該層段裂隙較為發(fā)育?？?在鉆進(jìn)至孔深443.96m測(cè)得水位84.3m，在孔深446.35m測(cè)得水位110.5m，水位在鉆進(jìn)2.65m之內(nèi)下降了26.2m，說明在443.96～446.35m之間裂隙比較發(fā)育，水位下降幅度大，下降速度較快。

彩色鉆孔窺視探測(cè)自孔口開始至507.28m結(jié)束，實(shí)際探測(cè)深度為507.28m?？咨?30.50m以上巖層多處出現(xiàn)裂隙，但裂隙細(xì)微、近水平、閉合，且均為橫向裂隙，經(jīng)分析應(yīng)為原生裂隙或受采動(dòng)影響而進(jìn)一步發(fā)育的原生裂隙;圖7（a）顯示在孔深443.50～446.10m之間首次出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙垂向距離為0.6m，裂隙寬度為3.5cm。從495.60m開始，巖層破壞程度較高，發(fā)育開始較為破碎，從之前的裂隙發(fā)育發(fā)展成圖7（b）所示的破碎發(fā)育，孔隙連通、裂隙密集，橫縱交錯(cuò)，而且還出現(xiàn)有壓實(shí)的痕跡的碎塊，破壞狀態(tài)較上覆巖層更為劇烈。

通過鉆孔沖洗液漏失量、水位、鉆孔彩色窺視觀測(cè)結(jié)果及鉆進(jìn)記錄分析，導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)為443.96m，垮落帶頂點(diǎn)為495.60m;通過鉆探班報(bào)表記錄及巖芯采取情況得知，孔2位置煤層底板距孔口垂距為523.54m，且該孔位置3#煤層開采厚度為6.84m，經(jīng)計(jì)算孔2位置3#煤層導(dǎo)水裂縫帶高度為72.66m，為采厚的10.62倍;垮落帶高度為21.02m，為采厚的3.07倍。

4結(jié)論

W1303工作面在靠近回采巷道一側(cè)的導(dǎo)水裂縫帶高度最大，最大發(fā)育高度為79.39m，裂采比為11.67;垮落帶高度為21.8m，垮采比為3.21，工作面中央位置導(dǎo)水裂縫帶高度為72.66m，為采厚的10.62倍;垮落帶高度為21.02m，為采厚的3.07倍，相比兩側(cè)略有減小。實(shí)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差較大，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相接近。工作面在正常地質(zhì)條件下開采后形成的裂隙帶不會(huì)導(dǎo)通松散含水層及地表水系。

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