回采工作面裂隙带高度的探测研究

2014-10-22张剑飞翟培合任晓芳

山西煤炭 2014年7期

张剑飞，翟培合，王敏，王磊，任晓芳

（1.王坪煤电集团公司，山西怀仁 038300；2.山东科技大学地质科学与工程学院，山东青岛 266510；3.山西轻工职业技术学院，太原 030013）

20世纪60年代前，我国煤炭开采主要集中在开采条件较好地区，但已有了水体下的采煤尝试，对导水裂隙带的研究处于认识阶段[1]。随着经济的发展，煤矿开采深度和广度上日趋扩大，我国很多煤矿水文地质条件复杂，受到多种水体威胁和突水事故。形成其生产和科研的一大课题。

浅部开采时，部分煤矿受到第四系含水层的严重威胁。煤层采出后，上覆岩层要有破坏和位移，并有明显的分带性，覆岩破坏会出现3个带[2]：冒落带、裂隙带和弯曲带。目前，探测导水带高度的方法主要有：数值模拟，经验公式，相似模拟，高密度电法，超声成像法。本文从山西某矿实际出发，结合开采工艺和岩石性质，运用软件FLAC3D,经验公式、注水试验公式的三种方法探讨该工作面的导水裂隙带高度。

1 开采条件

山西某矿煤层赋存浅，主要受第四系含水层的威胁。该矿揭露的二煤平均煤厚3.45 m，平均埋深300 m，工作面倾向140 m，走向1 500 m,基本无夹矸石，煤质较好，煤层走向近东西向，倾向北，煤层倾角7°～11°，属近水平煤层，该煤层的顶板水主要为第四系裂隙水，煤层顶板为泥岩和砂岩，属于中硬岩层。

2 覆岩导水裂隙带高度的计算

2.1 数值模拟

三维连续体快速拉格朗日分析（FLAC3D）是由美国Itasca Consulting Group Inc开发的三维显式有限差分法程序，它可模拟岩土或其他材料的三维力学行为；能较好模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适于模拟大变形。

地质背景及数值模型为工作面煤层顶底板岩石性质为参考，原岩地应力为大地静力场。各岩层之间为整合接触，岩层内部为连续介质；因此模型中不考虑地下水活动的影响。地面为自由边界，模型左、右边界均施加水平约束，底边界均施加水平及垂直约束。模型设置：长2 000 m、宽908 m、高121 m（根据实际钻孔柱状图计算，限于篇幅从略），划分105 600个单元及112 995个节点。煤层顶底板岩层参数和抗拉强度根据本次试验所得到的具体数值进行赋值，如表1所示，工作面的计算厚度为3.45 m。模型相关计算见图1-5。分析格图做出以下结论：随着工作面的推进，上覆岩层的破坏程度逐渐增加，但当工作面推进到一定距离后，上覆岩层破坏程度的增加梯度趋于变缓，该工作面都采完后，其最终导致裂缝带的高度大致为39.7 m。

2.2 注水实验

这是采用钻孔双端封堵测漏装置探测两带高度的较新的一种探测方法，既可在井下采区附近巷道或峒室内向采煤工作面采空区上方小口仰孔中探测,也可在观测煤层上方已掘进的专用巷道内布置的下垂孔中进行探测[4]。该矿工作面布置两个钻孔，钻孔1倾斜60°，钻孔2倾斜45°，每推进1 m注水1次，相关统计数据，如表2所示。

表1 计算岩层组物理力学性质指标

图1 工作面推进距离剖面0 m时塑性破坏范围

图2 工作面推进距离剖面20 m时塑性破坏范围

图4 工作面开采完后最大主应力色谱图

图5 工作面开采完后最小主应力色谱图

由表2相关数据得知：钻孔1导水裂隙带主要集中在29～45 m之间，钻孔2导水裂隙带主要集中在30～57 m之间，根据倾斜角度分别算出垂直导水裂隙带高度为38.97m，40.3m。综合导水裂隙带高度为40.3m。

2.3 经验公式

根据新出版的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式和工作面平均煤厚3.45 m.得出水裂隙带厚度为（37.82±5.6）m。

3 结论

①用FLAC3D模拟覆岩导水裂隙带高度是可行的，与注水试验得出的导水带高出入不是很大，得出该矿导水带高度为40.3 m。②本文在现场特定的地质、开采等条件下，数值模拟方法得到的覆岩导水裂隙带高度要比经验公式所得结果更接近实测结果。③钻孔双端封堵测漏装置探测两带高度的方法经济方便，适应性较强，准确性较高，值得推广。