深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征

刘英锋,王世东,王晓蕾

(1．中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054;2．黑龙江煤炭职业技术学院,黑龙江双鸭山 155100)

深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征

刘英锋1,王世东1,王晓蕾2

(1．中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054;2．黑龙江煤炭职业技术学院,黑龙江双鸭山 155100)

以大佛寺煤矿为试验矿井,采用钻孔电视系统和钻孔简易水文观测法,探测深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度,并对导水裂缝带演化特征进行相似模拟和数值模拟试验研究。研究分析表明：大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度为170．80～192．12 m;裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育;钻孔砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大;工作面回采距离与顶板导水缝隙带发育高度曲线呈“台阶”型。

特厚煤层;综放开采;导水裂缝带;发育特征

地下煤炭资源开采过程中上覆岩层将有移动、破断的现象,覆岩破坏所形成的导水裂缝带对煤矿安全生产影响重大。因此,顶板导水裂缝带发育特征的研究,不仅对矿井水害防治和水资源保护具有重要意义,而且对矿井瓦斯防治也具有重要作用[1-5]。

综放开采已成为我国煤层开采的主要采煤方法,综放开采条件下顶板导水裂缝带发育高度的准确确定对于我国煤矿发展具有重要意义,然而综放开采条件下顶板导水裂缝带发育特征十分复杂,不仅与煤层覆岩岩性组合有关,而且与煤层厚度、采煤方法等因素有关[6]。

对于顶板导水裂缝带发育特征的研究,刘天泉等[7]众多学者经过多年的实测与分析,总结出了“两带”发育高度经验公式,并写入了《“三下”采煤规程》;栾元重等[8]采用井下仰孔分段注水法、经验公式法和数值模拟法对近距离煤层单采和双层全采后顶板导水裂缝带发育高度进行了研究,得出了准确的发育高度;孙少平等[9]采用测井法对新安矿区采煤层开采条件下上覆岩层破坏程度和导水裂缝带发育高度进行了研究,证实了开采放顶后上部岩石下沉原有裂隙闭合,得出了新安矿顶板导水裂缝带的发育高度随着推进距离和采厚增大而增大;许家林等[10]采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂缝带高度的影响进行深入研究,研究结果表明：覆岩主关键层位置影响顶板导水裂缝带发育高度,且导水裂缝带发育高度明显大于经验公式预测结果;胡戈等[11]采用简易水文观测法对淮南煤田综放开采条件下导水裂缝带发育高度进行了实测,并进行了实测数据回归分析,得出了软弱顶板导水裂缝带经验公式;施龙青等[12]在分析导水裂缝带高度经验公式来源背景基础上阐明了单考虑煤层采厚的不合理性及应用局限性,针对大采深条件下工作面覆岩运动的特点,推导出考虑采厚、采深、岩层的组合特征等因素的导水裂缝带预测公式,并进行了验证;安泰龙等[13]采用RFPA数值模拟法分析了神东矿区补连塔煤矿31401综采工作面采动过程中覆岩的运动规律和导水裂缝带的发育情况,结果表明：开采过程中形成的复合隔水关键层能够有效保护含水层,防止水资源流失;陈荣华等[14]采用RFPA模拟法对开采过程中覆岩推进时的变形、冒落进行了数值模拟研究,确定了导水裂缝带发育高度;张彬等[15]采用瞬变电磁法对红柳煤矿1121工作面采空区开展了覆岩破坏导水裂缝带超前探测试验研究,表明其具有定位好、距离大精度高的特点。

以上学者对于顶板导水裂缝带发育规律的研究,主要包括公式法、实测法、数值模拟法。而《“三下”采煤规程》中对于顶板导水裂缝带发育高度的预计经验公式仅适用于薄及中厚煤层的开采,不适用于特厚煤层综放开采;且现场实测法其手段单一、数据可靠性较低;数值模拟法只能作为辅助手段,某些特定参数的优化,与现场存在较大差别;对于顶板导水裂缝带的发育特征也存在非可视性问题。

笔者以大佛寺煤矿作为试验矿井,利用钻孔电视结合钻孔简易水文观测法,准确把握顶板导水裂缝带发育规律,对深埋特厚煤层综放条件下顶板导水裂缝带动态发育特征进行了研究;并对顶板导水裂缝带发育特征进行数值模拟与相似模拟研究。

1 工程概况及探测设备

1.1 工程概况

顶板导水裂缝带发育特征的探测以彬长矿区大佛寺煤矿为试验矿井。大佛寺煤矿主采4号煤层,煤厚10．10～13．60 m,平均11．50 m,埋深约500 m,煤层直接充水含水层为侏罗系延安组、直罗组砂岩裂隙含水层,单位涌水量0．012 75～0．150 00 L/(s·m),富水性中等。根据矿井地质特征及40106工作面实际情况,在40106综放工作面上方布置3个观测孔,即T1,T2,T3。T1位于近开切眼偏工作面回风巷位置,T2位于近工作面中心偏工作面回风巷位置,T3位于终采线偏工作面回风巷位置。地面作业,终孔层均为4号煤层顶板,钻孔布置如图1所示,柱状如图2所示。

图1 钻孔布置示意Fig．1 Layout of boreholes

图2 综合地质柱状图Fig．2 Comprehensive geological histogram

1.2 探测设备

探测设备采用的是固德科技公司GD3Q-A/B型钻孔全孔壁成像系统,能够将钻孔内部特征以平面图片的形式展示出来,且具有精度高、操作简单的特点,弥补了工程地质勘探的不足。

钻孔电视系统典型结构框架如图3所示,包含钻孔孔壁三维信息的二维平面图像,经电缆的传送进入图像捕获卡,并完成信号的数字化,将图像信号压缩成标准的MPEG-4格式传送到笔记本电脑中,笔记本电脑中相应的变换软件,将图片截图,将得到的每帧图像进行展现,将全景转换为平面图像,最终得到一张360°钻孔孔壁特征的二维图像。

2 顶板导水裂缝带发育高度实测

2.1 方法介绍

采用钻孔电视系统和简易水文观测法对顶板导水裂缝带动态发育特征进行了研究。钻孔电视系统是把一自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中,探测上覆岩层受采动影响岩体裂缝发育特征。

图3 钻孔电视系统典型框架Fig．3 Framework of panoramic hole imagery system

钻孔简易水文观测法是通过探测钻孔岩芯完整性、冲洗液消耗量、钻孔水位等异常情况,综合判定导水裂缝带发育特征。

2.2 简易水文观测确定导水裂缝带发育高度

钻孔冲洗液消耗量和钻孔水位数据如图4所示。

图4 钻孔探测数据Fig．4 Monitoring data of boreholes

由图4(a)可知,当钻进至孔深200．82 m处时消耗量增大,经分析可能是由于原生较小裂隙发育所致,经过相关处理后继续向下探测,在经过230．44, 255．28,275．66 m处消耗量均有所升高,经分析均为原生较小裂隙发育所致。当钻进到298．54 m时,钻孔消耗量明显增大,消耗量超过水泵供给量,且钻孔水位突然下降至165 m左右,继续钻进消耗量均超过水泵供给量,且水位呈持续下降趋势,因而,确定顶板导水裂缝带发育顶点的孔深为298．54 m。

由图4(b)可知,当钻进至孔深198．52 m处时消耗量增大,经分析是由于原生较小裂隙发育所致,在钻进的过程中遇到漏失量增大的区段,均是由于原生小裂隙影响所致,当钻进299．72 m时,钻孔消耗量突然增大,钻孔不返水,且钻孔水位变化大,继续钻进不再返水,且钻孔水位持续降低,因而,确定顶板导水裂缝带发育顶点的深度为299．72 m。

由图4(c)可知,当钻进至孔深220．37 m处时消耗量增大,经分析是由于原生裂隙发育所致,经过处理后继续钻进,当钻进270．53 m时,钻孔消耗量突然增大,钻孔不返水,且钻孔水位变化大,继续钻进钻孔不再返水,且钻孔水位持续降低,因而,确定顶板导水裂缝带发育顶点的深度为270．53 m。根据3个钻孔深度以及煤层厚度得出顶板导水裂缝带高度(表1)。

表1 导水裂缝带高度Table 1 Height of water flowing fractured zonem

2.3 钻孔电视确定导水裂缝带发育高度

图5是T1,T2,T3钻孔导水裂缝带顶点位置数据。由图5可知,T1钻孔在297．36 m处,T2钻孔在298．13 m处,T3在269．13 m处,岩层出现明显的裂隙,呈群状分布。砂岩抗压强度较大,完整性好,钻孔取出的岩芯在裂缝处破断。综合分析,可以确定此3处深度为导水裂缝带顶部位置,且在钻孔简易水文观测中,此处水位呈突降趋势,可知,岩层进入了断裂带内,与钻孔冲洗液消耗量法观测的顶板导水裂缝带顶部位置基本吻合。

图5 导水裂缝带顶部位置数据Fig．5 Data graph of top of water flowing fractured zone

2.4 综放开采覆岩破坏高度与形态特征

通过钻孔电视和钻孔简易水文观测探测数据可知,大佛寺煤矿覆岩顶板导水裂缝带高度为170．80～192．12 m,综放开采覆岩破坏形态呈马鞍形(图6)。

T1,T2,T3钻孔电视探测数据显示,在裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育,尤其在砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大,如图7所示。

3 顶板导水裂缝带发育高度相似模拟

3.1 相似模拟台及力学性质

图6 覆岩破坏形态Fig．6 Fracture shape of overburden

本次试验依据为大佛寺综放工作面及其地质资料,依据试验目的与条件,选用二维试验台,试验台尺寸3 000 mm×200 mm×2 000 mm(长×宽×高),具体岩石与相似模型物理参数见表2。

3.2 试验设计

图7 裂缝带内裂隙特征Fig．7 Fissure characteristics in crack zone

对综放工作面进行相似模拟试验,因此选择几何相似比200∶1,容重比为1．6∶1,由于模型与实体对应点运动情况相似,因此,时间相似比为14．1∶1,强度、弹性模量、黏聚力相似比均为320∶1。

本次试验以黄河细沙为骨料,石灰与石膏作为胶结材料,云母作为分层材料,在模型铺设中,基岩部分以1 cm作为一层铺设,并做节理与分层处理。

3.3 开采覆岩破坏特征

工作面回采过程中覆岩破坏特征如图8所示。由图8垮落过程可知：工作面推进24 cm(实际回采48 m)时,上部基本顶岩层达到极限垮落,出现较大范围冒落;工作面推进33 cm(实际回采66 m)时,基本顶第1次周期来压,由于基本顶较厚,引起上部岩层较大破坏,来压时工作面支架载荷明显增加;工作面推进42 cm(实际回采84 m)时,基本顶第2次周期来压,采空区顶板出现明显离层裂隙;工作面推进到54 cm(实际回采108 m)时,基本顶第3次周期来压,覆岩发生大范围垮落,此时采空区裂隙由于跨落岩石的压实作用而趋于闭合;工作面推进63 cm(实际回采126 m)时,覆岩破坏高度进一步扩大;工作面推进到78 cm(实际回采156 m)时,由于覆岩的压实,顶板导水裂缝带发育高度回落;工作面推进93 cm(实际回采186 m)时,覆岩破坏进一步向高处发展,顶板导水裂缝带发育高度增加;当工作面回采结束后,顶板导水裂缝带发育到顶部高度为172．3 m。回采过程中顶板导水裂缝带变化规律如图9(a)所示。

表2 实际岩石和相似模型物理力学参数对比Table 2 Comparison of physico-mechanical parameters of rock masses and similar model

图8 覆岩垮落过程Fig．8 Process of overlying strata collapse

图9 顶板导水裂缝带发育高度随回采距离变化曲线Fig．9 Curves of mining distance and the height of water flowing fractured zone

4 顶板导水裂缝带发育高度数值模拟

4.1 模拟软件

根据试验目的以及数值模拟软件特点,采用UDEC对综放开采覆岩破坏特征进行模拟,岩石力学参数见表2,节理参数选取根据UDEC节理模型中的库伦滑动理论,利用正交试验法取值,采用直观分析法分析,得出的覆岩节理参数见表3。

表3 节理力学参数Table 3 Joint mechanical parameters

4.2 覆岩破坏特征

工作面回采过程中覆岩破坏特征如图10所示。通过图10可知,工作面推进到45 m时,基本顶初次破断,上覆岩层离层;当工作面推进到90 m时,顶板周期垮落,其上裂隙发育;当工作面推进到140 m时,覆岩主关键层破断,采空区被逐渐压实,压力回升;当工作面推进到200 m时,采空区中部完全压实,裂隙闭合,地表下沉盆地形成,覆岩发育高度175．4 m,回采过程中顶板导水裂缝带变化规律如图9(b)所示。

图10 覆岩垮落过程Fig．10 Overlying strata collapse process

5 顶板导水裂缝带发育高度分析

通过现场测试、相似模拟、数值模拟得出的导水裂缝带发育高度分别为170．80～192．12,172．30, 175．40 m。

由导水裂缝带发育高度的数据可知：通过钻孔电视和钻孔简易水文观测以及相似模拟和数值模拟试验研究,对大佛寺煤矿综放开采覆岩破坏特征的研究结果具有较好的一致性,为大佛寺煤矿工作面回采顶板水防治及瓦斯治理提供有力的科学依据。

6 结 论

(1)通过钻孔简易水文观测及钻孔电视探测结果,得到大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采条件下顶板导水裂缝带发育高度为170．80～192．12 m。裂高采厚比介于15．09～17．12倍,平均16．02倍。

(2)钻孔电视探测数据显示,在裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育,尤其在砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大。

(3)数值模拟与相似模拟结果表明：大佛寺煤矿工作面回采距离与顶板导水裂缝带发育高度曲线呈“台阶”型。

(4)通过钻孔电视和钻孔简易水文观测以及相似模拟和数值模拟试验研究,对大佛寺煤矿综放开采覆岩破坏特征的研究结果具有较好的一致性,为大佛寺煤矿工作面回采顶板水防治及瓦斯治理提供有力的科学依据。

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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 责任编辑：王婉洁

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAC10B03);国家自然科学基金重点资助项目(51034003,41402220)

刘英锋(1979—),男,山西运城人,助理研究员,硕士研究生。E-mail：liuyingfeng@cctegxian．com

刘英锋,王世东,王晓蕾．深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征[J]．煤炭学报,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