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      軟弱覆巖綜放開采導水裂縫帶高度探析

      2022-02-22 05:30:10喬軍好吳俊杰袁瑞甫朱曉峰申河船李曉龍范志杰
      能源與環(huán)保 2022年1期
      關鍵詞:導水覆巖巖層

      喬軍好,吳俊杰,袁瑞甫,3,朱曉峰,申河船,李曉龍,范志杰

      (1.中煤新登鄭州煤業(yè)有限公司,河南 鄭州 452470; 2.河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454003;3.河南理工大學 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

      巖層破斷后,垮落帶和裂縫帶合稱“兩帶”,也稱“導水裂縫帶”,指在“兩帶”范圍內(nèi),覆巖內(nèi)的水會通過巖體破斷裂縫流入采空區(qū)和回采工作面[1]。作為礦井防治水害工作及水資源保護的重要依據(jù),國內(nèi)學者對“兩帶”高度做了大量研究并取得了一系列成果。

      “兩帶”高度的確定方法目前主要有經(jīng)驗公式計算法、實驗室模擬法、鉆孔探測法[2]。其中,實驗室模擬法可以分數(shù)值模擬和物理模擬,鉆孔探測法可以分電鏡成像和雙端堵水測漏失量等。通過對炮采、普采、和綜采長壁工作面“兩帶”高度的研究[3-5],《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》[6](以下簡稱《規(guī)范》)總結了不同巖性和煤厚條件下分層開采導水裂縫帶高度經(jīng)驗公式。許家林等[7-8]在分析經(jīng)驗公式的基礎上,考慮了關鍵層對導水裂隙帶高度的影響,提出了由關鍵層位置確定兩帶高度的判據(jù)。楊達明等[9]研究了厚松散層軟弱覆巖下綜放開采工作面的“兩帶”高度,強調(diào)了電鏡成像在研究“兩帶”高度時的重要作用。王曉振等[10]在研究“兩帶”高度的基礎上,著重分析了主關鍵層結構對上覆巖體內(nèi)導水裂隙發(fā)育的影響。文獻[11-14]研究了西部某些礦井,綜采大采高或綜采放頂煤工作面的導水裂隙帶高度。一些學者通過研究[15-16],提出了針對某一礦區(qū)的“兩帶”高度公式。王文等[17]對采前、采后鉆孔的漏失量數(shù)據(jù)進行了詳細對比,研究了中硬覆巖綜放開采工作面的“兩帶”高度及斷裂帶內(nèi)的滲流特征。高保彬等[18]運用3種方法研究“兩帶”高度,證實了堵水測漏失量的可靠性。尹尚先等[19]應用SAS數(shù)學軟件重新擬合了不同巖性條件下的兩帶高度公式。李超峰等[20]改進了測漏裝置,用于測量導水裂縫帶高度。

      綜上可知,“兩帶”高度研究需采用多種方法綜合分析。文獻中的煤層賦存條件較穩(wěn)定,煤厚無明顯變化且結構較簡單,根據(jù)試驗或?qū)崪y結果,大部分礦井能夠得到適用的“兩帶”高度計算經(jīng)驗公式,誤差在5~10 m內(nèi)。然而,針對覆巖軟弱,煤厚變化明顯的綜放采場,經(jīng)驗公式能否適用,以及關鍵層對兩帶高度的影響仍需進一步研究。

      1 工程概況

      國投新登鄭州煤業(yè)有限公司位于登封市東南17 km,屬登封煤田,二1煤層為全區(qū)可采煤層。二1煤頂板按巖性分為砂巖類(夾薄層偽頂)和泥巖類(含砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖)2大類。礦區(qū)內(nèi)大部分為泥巖類頂板,抗壓強度平均為32.0 MPa,大于20 MPa,小于40 MPa,另一部分區(qū)域為砂巖基本頂,巖性強度較高,抗壓強度平均為73.8 MPa。煤層底板巖性按工程力學性質(zhì)和頂板一樣也可分為2大類,即砂巖類和泥巖類。泥巖抗壓強度平均為41.4 MPa,砂巖抗壓強度平均為109.9 MPa。

      該礦31101回采工作面位于井田北部,工作面地面標高+287~+370 m,井下標高-12~+55 m。走向長度132 m,傾斜長度605 m,煤厚0.8~13.0 m,平均厚度5.2 m,平均傾角12°,煤質(zhì)比較松軟且厚度變化較大。工作面采用綜合機械化放頂煤采煤工藝,采高2.2 m,循環(huán)進度0.6 m。工作面直接頂為4.1 m厚砂質(zhì)砂巖,基本頂為9.6 m厚細粒砂巖,堅固性系數(shù)f=5~6。直接底和基本底分別為厚6.1、10.7 m的細粒砂巖和石灰?guī)r,f=6(表1)。

      表1 覆巖柱狀信息Tab.1 Overlying rock column information

      2 覆巖“兩帶”經(jīng)驗公式計算

      31101工作面內(nèi)煤層傾角較緩,頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖和部分砂巖,根據(jù)《規(guī)范》[6],厚煤層分層開采軟弱巖性的導水裂隙帶高度可按下式計算:

      (1)

      (2)

      當煤層厚度為5.2 m時,導水裂縫帶高度為28.62~32.80 m;當煤層厚度為9.0 m時,導水裂縫帶高度為31.36~40.00 m。

      3 “三帶”高度模擬試驗研究

      3.1 物理模擬

      (1)相似模型建立及測線布置。相似模擬試驗作為一種重要的研究方法,其結果對確定“兩帶”高度有重要的參考價值。試驗平臺采用2.50×0.25×1.10 m模型架,幾何相似比CL=1/100,強度相似比Cσ=1/167(表2)。模擬試驗采用三維光學攝影測量系統(tǒng)(XJTUDP)進行覆巖破壞觀測,通過多幅二維照片,計算工件表面關鍵點三維坐標,采用編碼點技術實現(xiàn)自動化測量。與傳統(tǒng)測量儀相比,沒有機械行程限制,不受被測物體的大小、體積、外形的限制,能夠有效減少累積誤差,提高整體三維數(shù)據(jù)的測量精度(精度達0.1 mm/4 m)。根據(jù)實驗目的,分別安排不同高度的3條測線觀測覆巖垮落和導水裂隙帶高度變化情況,編號由上至下分別為a、b、c(圖1)。根據(jù)前述確定的幾何相似比及時間相似比,計算每次開挖的長度為50 mm,2次相鄰開挖間隔30 min。對于未模擬到的上覆巖層壓力采用液壓缸進行配重模擬。

      圖1 張貼好編碼點和非編碼點的相似模擬模型Fig.1 Post similar simulation models of coded points and non-coded points

      表2 相似模擬模型分層參數(shù)Tab.2 Hierarchical parameters of similar simulation model

      (2)模型垮落結果分析。分析模型充分采動后,覆巖垮落的特征。在9 m煤厚條件下,連續(xù)開采130 m時,會導致主關鍵層破斷,致使主關鍵層上方巖體發(fā)生同步下沉。亞關鍵層破斷后依然能夠?qū)Ω矌r起到保護作用,亞關鍵層上方巖體破斷較完整、排列較整齊,隨工作面繼續(xù)推進30m后,裂隙有明顯閉合,破斷完整且排列整齊的塊體對上方巖體有良好地支撐作用(圖2)。因此,在主關鍵層破斷后,主關鍵層及其覆巖巖體破斷更加完整,排列更加有序,層間裂隙隨著工作面推進閉合更加明顯,在工作面和開切眼中間區(qū)域不易形成導水通道。根據(jù)圖2(b)所示,在工作面及開切眼附近,上覆巖體因破斷回轉,裂隙不易閉合,可能會形成上下貫通的導水通道。結合鉆孔柱狀圖,模型上方仍有厚硬巖層存在,且裂隙壓實作用明顯,因此筆者認為此處導水通道最高可發(fā)育至主關鍵層處,根據(jù)測量可達88.9 m,其上巖體壓實后導水裂隙并不發(fā)育。

      圖2 不同開挖步距的垮落特征Fig.2 Caving characteristics of different excavation steps

      (3)三維光學攝影測量系統(tǒng)結果分析。根據(jù)覆巖垮落特征,在9 m煤厚條件下連續(xù)推進130 m后,會引起主關鍵層破斷,因此,主要分析測線a的特征。測線a反應了主關鍵層破斷后,覆巖最大下沉處位于95 m處,距離切眼45 m,最大下沉值6.3 m。從圖中可以看出,在工作面開挖120~150 m期間,主關鍵層及其覆巖內(nèi)出現(xiàn)了較大裂隙,且最大裂隙均出現(xiàn)在開挖130 m與開挖140 m之間,之后間隙隨開挖出現(xiàn)減少趨勢,在工作面開挖160~170 m,2條曲線基本重合在一起,巖層間隙基本處于閉合狀態(tài)(圖3)。這與覆巖垮落特征一致。

      圖3 測線不同時期的下沉曲線Fig.3 Subsidence curves of survey line in different periods

      3.2 數(shù)值模擬

      3.2.1 模型設計

      為研究不同煤厚條件的“兩帶”高度發(fā)育規(guī)律,以新登礦31101綜放工作面地質(zhì)條件為例,采用3DEC模擬在平均煤厚5.2 m時,工作面開采后覆巖破壞特征及高度。模型尺寸為725 m×252 m×105 m,采用摩爾—庫侖準則為巖體破壞準則(表3)。

      表3 數(shù)值模擬模型巖石力學參數(shù)Tab.3 Numerical simulation model rock mechanical parameters

      3.2.2 結果分析

      在工作面開挖至80 m時,覆巖垮落高度約為34m,根據(jù)鉆孔柱狀圖,此處屬于砂質(zhì)泥巖巖性,厚度約9.2 m,之上是粉砂巖,厚度約4.3 m,單層巖層厚度較厚,相比于周圍其他巖層,巖性較為堅硬,根據(jù)關鍵層理論,該層為亞關鍵層,對上覆巖層起到一定支撐保護作用。在5.2 m煤厚條件下開采,連續(xù)推進工作面,覆巖垮落高度會延伸至主關鍵層處,高度約67 m(圖4)。隨著工作面推進距離增加,會引起主關鍵層的彎曲下沉,但是不會引起主關鍵層的破斷,關鍵層對上覆巖層能夠起到良好地支撐作用,隨著關鍵層的彎曲下沉,關鍵層下垮落巖層會逐漸壓實,間隙會隨之減小。

      圖4 不同開挖步距的覆巖破壞特征Fig.4 Overburden failure characteristics with different excavation steps

      4 “三帶”高度現(xiàn)場實測研究

      4.1 雙端堵水原理及鉆孔設計

      井下兩帶高度實測為仰孔分段注水觀測,采用鉆孔雙端封堵測漏裝置系統(tǒng)。該觀測系統(tǒng)由孔內(nèi)封堵器和孔外測量儀表2部分組成??變?nèi)封堵器是一

      個帶有雙端封堵膠囊的注水探管,膠囊平時呈圓管形態(tài),可在鉆孔內(nèi)自由移動,當通過管路給膠囊充以一定壓力的水或氣時,膠囊即迅速膨脹,將封堵器所在孔段兩端嚴密封堵,通過注水管路探管中部向封堵孔段注水。如果封堵孔段的巖層有裂隙,則注水孔段的水將從裂隙漏失,通過孔外流量測試儀表可測出規(guī)定注水壓力下孔段一米內(nèi)每分鐘內(nèi)的漏失量。漏失量的大小反應了封堵孔段巖石裂隙的發(fā)育程度。探測鉆孔(鉆窩)位置和方位的確定,首先應在工作面未開采區(qū)域布置1個鉆孔以觀測覆巖原始裂隙的發(fā)育情況,在工作面采空區(qū)上方再布置1組鉆孔進行觀測采動裂隙的發(fā)育情況;其次要考慮鉆孔(鉆窩)施工位置處圍巖的完整性和穩(wěn)定性,以便于硐室的維護和保障觀測鉆孔的完整性,同時還應考慮水源、通風、行人及施工空間的方便等(圖5)。

      圖5 堵水測漏系統(tǒng)Fig.5 Water plugging leak detection system

      綜合考慮上述因素,結合新登煤礦二1煤層厚度變化較大的特點,為保證測試結果的可靠性,同時現(xiàn)場測試應盡可能不影響工作面正常生產(chǎn),設計2個鉆場(圖6、表4)。將1號鉆場設在二1煤層31101工作面停采線以外軌道巷中的油脂庫硐室內(nèi),根據(jù)工作面鉆孔資料,探測區(qū)域工作面采厚約為3.2 m。2號鉆場位于31101工作面機巷內(nèi),自工作面停采線向內(nèi)約15 m處的工作面煤璧側硐室內(nèi),參考工作面鉆孔資料,探測區(qū)域工作面采厚約8.7 m。為避免鉆孔垂高小于“兩帶”高度,鉆孔垂高設計采用文獻[3]內(nèi)中硬覆巖“兩帶”高度計算公式,1號鉆場31.1~45.8 m,2號鉆場為44.1~69.0 m。

      表4 鉆孔施工參數(shù)Tab.4 Drilling construction parameters

      圖6 鉆場鉆孔布置平面示意Fig.6 Schematic of drilling layout in drilling field

      (3)

      (4)

      4.2 探測結果分析

      鉆孔漏失量變化如圖7所示。1號孔漏失量折線圖數(shù)據(jù)表明,在停采線以外,鉆孔內(nèi)漏失量波動范圍在0.3~4.5 L/min,平均值為2.0 L/min,全程未見有大幅度波動,表明在停采線之外,巖體本身仍保持較完好的原巖狀態(tài),巖體受采動影響較小,內(nèi)部裂隙不發(fā)育。

      2號孔漏失量較1號孔波動較為明顯,為1~15 L/min,平均漏失量為4.1 L/min,說明2號孔裂隙較1號孔更為發(fā)育。在垂高約16 m處漏失量出現(xiàn)突變,說明此處裂隙發(fā)育,根據(jù)鉆孔設計角度推斷,此時已經(jīng)進入工作面采空區(qū)內(nèi)。垂高25.6~31.3 m處,漏失量開始有整體增高趨勢,波動幅度仍較為平緩,表明此處有較多裂隙,但裂隙發(fā)育并不夠充分,巖層破壞并不嚴重。在垂高46.7~54.4 m處,漏失量出現(xiàn)大幅度波動并且達到峰值,說明此處裂隙發(fā)育充分,縱向裂隙已經(jīng)導通,屬于導水裂隙帶的范疇。3號孔漏失量數(shù)據(jù)波動整體較為劇烈,漏失量平均值為5.2 L/min,在垂高16、25、32、50 m等有明顯波動,峰值最高達到15.7 L/min,說明此處裂隙發(fā)育。同時,漏失量波動距離長,說明孔內(nèi)裂隙整體比較發(fā)育。垂高經(jīng)過54 m以后,漏失量不再出現(xiàn)劇烈變化,呈逐漸穩(wěn)定趨勢,說明此處巖層內(nèi)部結構完整,裂隙不發(fā)育。在工作面推進至6號孔前60 m時,開始堵水測試。圖7中數(shù)據(jù)表明,在進口位置漏失量有較大起伏,最大漏失量達8.8 L/min,之后整體迅速下降至32 m處,平均漏失量為3.2 L/min。主要原因有:①在該處巖體本身裂隙較發(fā)育;②由打孔造成的巖體裂隙。從全孔的漏失量分析,自垂高38.4 m后,漏失量有較明顯上升趨勢,表明在此處,巖體內(nèi)裂隙較為發(fā)育,自垂高46.40~63.36 m內(nèi),漏失量波動劇烈,表明此處屬于兩帶范疇。漏失量自63.6 m之后漏失量雖有起伏,但未見有劇烈突變,整體起伏平穩(wěn),自74.2 m之后漏失量呈下降趨勢,數(shù)值偏低,可以確定兩帶高度。

      圖7 鉆孔漏失量變化Fig.7 Variation of borehole loss

      8號孔的漏失量數(shù)據(jù)有明顯的數(shù)據(jù)波動,在30 m處達到峰值11.8 L/min,然而從全孔范圍看,漏失量平均值為2.9 L/min,數(shù)值偏低,表明孔內(nèi)的漏失量數(shù)據(jù)升高主要是由巖體內(nèi)自然形成的裂隙造成的,因開采而引起的裂隙并不發(fā)育。

      4.3 頂板導水裂隙帶高度計算模型

      在不同煤厚條件下根據(jù)不同方法所得“兩帶”高度匯總見表5。

      根據(jù)表5所得各個方法下的導水裂隙帶高度最大值可知,理論計算、數(shù)值模擬、相似模擬及堵水試驗所得高度并不統(tǒng)一,且理論值明顯低于實驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)。分析其原因,主要是因為經(jīng)驗公式是平均多個礦井數(shù)據(jù)后所得,受到單層煤厚限制且未考慮覆巖結構影響,針對新登礦地質(zhì)條件,其計算結果不能完全適用;其次是煤層賦存條件多變,不同地點或條件下獲得的試驗數(shù)據(jù)會出現(xiàn)波動;最后是在實驗制備或現(xiàn)場實測中會出現(xiàn)計量誤差。為得到適合新登煤礦地質(zhì)條件的兩帶高度計算模型,擬合頂板導水裂隙帶最大高度,得到式(5):

      表5 不同煤厚下的導水裂隙帶高度Tab.5 Height of water-conducting fracture zone under different coal thickness

      H=4.834 4M+39.381

      (5)

      式中,H為導水裂隙帶高度;M為煤層厚度。

      根據(jù)在文獻[4]提出的“兩帶”高度預計方法,當關鍵層位置超過10倍煤層采厚時,導水裂隙將發(fā)育至10倍采厚上方最近的關鍵層底部。因此,根據(jù)式(5)分別計算3.2、5.2、9 m煤厚下的兩帶高度為54.9、64.5、82.9 m,根據(jù)表1,自煤層向上54.9、64.5、82.9 m處均出現(xiàn)了相對于其他巖層而言,厚度較厚、巖層較為堅硬的巖層,能夠與文獻[4]中的觀點相互印證。因此,筆者認為,公式(5)綜合了覆巖結構、覆巖巖性、煤厚等影響因素,滿足礦井安全生產(chǎn)要求。

      5 結論

      (1)對比分析經(jīng)驗計算、漏失量探測、模擬試驗等方法獲得的“兩帶”高度,得到了新登礦“兩帶”高度計算公式,較常規(guī)計算方法,該公式針對煤厚變化明顯、覆巖軟弱、覆巖存在關鍵層的綜放采場具有更強的適用性。

      (2)因破斷角影響,覆巖垮落、破斷后,在開切眼和工作面邊界部位會形成明顯的導水通道,該通道不會隨工作面推進和巖層壓實發(fā)生明顯的閉合。

      (3)破斷后的關鍵層依然能夠起到保護覆巖的作用,關鍵層上方巖塊破斷較完整,經(jīng)壓實后裂隙基本閉合,不易導水。

      (4)計算不同煤厚條件下的“兩帶”高度,發(fā)現(xiàn)公式(5)能夠較好地印證已有的研究成果,符合工程實際,滿足新登煤礦安全生產(chǎn)要求。

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