巨厚古近系含水层下工作面导水裂隙带高度探查

2023-05-30余志彪赵宝峰李德彬张泽源

煤炭与化工 2023年4期

余志彪，赵宝峰，李德彬，张泽源

（1.宁夏宝丰能源集团股份有限公司，宁夏银川 750000；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710177）

0 引言

导水裂隙带发育高度是确定工作面开采上限、预测涌水量及制定防治水方案等工作的重要依据，也是工作面受顶板水害威胁程度评价的关键因素。目前大多学者认为厚煤层、巨厚煤层开采条件下顶板导水裂隙带发育较高，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的经验公式仅适用于单层采厚1～3 m、累计采厚不超过15 m 的综采条件下导水裂隙带发育高度预计[1]。由于地层岩性的差异性、采煤厚度、回采方式及经验公式的局限性等，导水裂隙带实际高度往往与经验公式计算结果存在较大偏差，对此我国学者针对开采覆岩导水裂隙带高度进行了大量的研究。许延春[2-3]等基于回归分析法得到了综放开采覆岩“两带”高度与采厚之间的经验公式；许家林[4-5]等提出了一种基于关键层位置预计覆岩“两带”高度的方法；翟志伟等[6]基于FLAC3D 对工作面顶板导水裂隙带进行了数值模拟；孙庆先等[7]运用地表钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔彩色电视观测和井下瞬变电磁法物探3 种技术手段对工作面“两带”高度进行了探查；杨玉亮[8]等利用理论分析、相似材料模拟和数值模拟对大采高工作面导水裂隙带进行了探查；盛奉天[9]等采用数据分析的方法研究了彬长矿区内工作面导水裂隙带高度；康国彪[10]等采用经验公式、数值模拟和工程类比法分析了大采高工作面导水裂隙带高度及其影响因素；王振荣[11]等提出了多煤层重复采动条件下导水裂隙带高度观测方法；柴华彬[12]等、娄高中[13]等、徐树媛[14]等分别利用GA-SVR、PSO-BP 神经网络、RBF 核ε-SVR 分析了导水裂隙带高度；张建民[15]等提出了采动-爆裂模型的导水裂隙带高度计算方法；吴铁卫[16]等采用钻井液漏失量观测法、井下钻孔电视、超声成像对导水裂隙带高度进行了探查；姜伟[17]采用数值模拟对工作面导水裂隙带高度进行了研究。上述研究对于工作面顶板导水裂隙带高度及发育规律探查具有重要意义，有效指导了顶板水害防控工作。

红四煤矿是宁夏宝丰能源的主力生产矿井，也是宁东煤化工基地的供煤产地，含煤地层顶板赋存巨厚古近系含水层，厚度为288.50～386.34 m，钻孔单位涌水量0.072 8～0.153 7 L/（s·m），富水性弱—中等，为了确定巨厚古近系含水层是否为主采煤层5 煤的直接充水水源，需要分析5 煤工作面回采后产生的导水裂隙带是否能够波及至古近系含水层。以往红四煤矿未开展过导水裂隙带实测工作，由于5 煤工作面采厚超过了3 m，无法采用传统经验公式计算导水裂隙带，故亟需进行导水裂隙带实测，为后续5 煤工作面开采上限确定、涌水量预测及防治水工程设计提高科学合理的依据。

1 研究区及工作面概况

1.1 研究区概况

宁东煤田红墩子矿区红四煤矿位于宁夏回族自治区银川市东北部，井田南北长约4.8 km，东西宽约5.3 km，井田面积约22.300 5 km2。设计可采储量194.07 Mt，建设规模为2.4 Mt/a，服务年限为50.5 a。井田可采煤层以薄—中厚煤层为主，共有8 层可采煤层，根据煤层间距可划分为2 个煤组，2、4、5-1、5-2 煤为上组，8、9-1、9-2、10 煤为下组，其中5-2、9-1、9-2 煤为井田的主采煤层。

1.2 HI0503 工作面概况

HI0503 综采工作面作为红四煤矿5 煤的首采工作面，位于井田西翼的南部，开采5-2 煤，倾向长度220 m，走向长度1 006 m，煤层总厚度为3.4～5.4 m，采厚为3.8 m。工作面标高+512.562—+603.706 m，对应地面标高+1 155.44—+1 203.57 m。由于HI0503 工作面埋深超过600 m，采用地面钻孔探查导水裂隙带工程量大、投资费用高、实施周期长，拟采用井下钻孔对工作面导水裂隙带进行探查。

2 导水裂隙带发育高度综合判别

2.1 经验公式计算

根据资料，5-2 煤层顶板岩石抗压强度一般在13～38 MPa，属中硬岩石。HI0503 工作面采厚为3.8 m，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》推荐的导水裂隙带高度经验公式不适用于采厚大于3 m 的条件，因此采用《煤矿防治水手册》（2013 年6 月版）中提供导水裂隙带高度的经验公式（1）对HI0503 工作面开采导水裂隙带发育高度进行初步预计。

式中：M为采厚，m。带入数据计算得5-2 煤层采后形成导水裂隙带最大高度为59.79 m，可作为探查钻孔设计的依据。

2.2 导水裂隙带高度观测方案

在H10503 工作面回风巷布置钻场施工4 个钻孔，其中1 号和3 号钻孔为工作面采前对比孔，主要探查工作面覆岩中的原生裂隙；2 号和4 号孔为煤层采后顶板导水裂隙带高度探测钻孔。1 号孔工作面停采线向外侧煤柱施工，2、3、4 号向采空区施工。2、3、4 号在水平上终孔间距约15 m 左右，尽可能控制导水裂隙带发育形态，钻孔垂高为70 m。钻孔布置剖面如图1 所示。

图1 井下钻孔布置剖面图Fig.1 The profile of underground drilling hole layout

2.2.1 井下压水探测法

自2021 年3 月11 日至4 月5 日陆续施工1号、3 号采前探查钻孔，自2021 年8 月4 日至8月19 日陆续施工2 号、4 号采后探查钻孔，分别用0.5、1.0、1.5 MPa 的水压进行井下压水试验。统计现场探测数据资料，采前背景孔1 号、3 号钻孔中，在裂隙相对发育段，当注水水压为1.5 MPa时，注水量0.2～0.35 L/min；在原生裂隙一般发育段，注水水压为1.5 MPa 时，注水量0.15～0.2 L/min；在原生裂隙不发育段，注水水压为1.5 MPa时钻孔注水量小于0.15 L/min；总体采前钻孔注水量较小，在最高压力条件1.5 MPa 下，平均注水量0.15 L/min 左右。统计现场压水试验资料，采后2号孔（如图2a）在工作面采后覆岩裂隙发育区压水量为采前3 号孔（如图2b）的2～6 倍，并且采后钻孔单位时间压水量柱状图呈现成明显的“单峰”形态。

图2 2 号、3 号钻孔不同水压条件下试验孔深与压水量关系Fig.2 The relationship between test hole depth and water pressure under different water pressure conditions in No.2 and No.3 drilling holes

根据工作面采后2 号和4 号钻孔的现场压水测试结果，并对比分析1 号孔和3 号钻孔测试的原始地层天然状态下注水量，并结合孔斜和地层倾角，确定HI0503 工作面导水裂隙带发育高度为65.6～67.4 m，详见表1。

表1 压水试验法探查导水裂隙带结果Table 1 Result of water conduction fracture zone detection by water pressure test

2.2.2 钻孔彩色电视法

对采后2 号和4 号钻孔进行了钻孔窥视，利用钻孔窥视仪对裂隙进行观测，推送过程中观测到裂隙、塌落岩（泥）块及较完整层段等较为明显。其中在2 号钻孔63.33 m 处开始出现岩层破碎，106.88 m 处岩层破碎程度较高，107.86 m 处破坏程度变小仅剩纵向小裂隙，113.31 m 处孔壁完整。在4 号钻孔62.78 m 处发现岩层破碎、孔径变大，96.6 m 处次生裂隙明显，97.47 m 处孔壁完整，无裂隙发育。

钻孔窥视仪在导水裂隙带发育区域观测到的裂隙较为明显（图3），可以作为导水裂隙带高度探查的辅助依据。通过钻孔窥视得到导水裂隙带发育高度为66.5～68.1 m，详见表2。

表2 钻孔窥视探查导水裂隙带成果Table 2 Result of water conduction fracture zone detection by drilling peeping

图3 导水裂隙带的钻孔窥视Fig.3 Water conduction fracture zone detection by drilling peeping

2.3 数值模拟计算

基于FLAC3D 建模原理，根据红四煤矿HI0503 工作面顶底板地质条件，根据402 钻孔建立数值模型。模型边界条件为固定数值模型的底部位移与侧面位移，采用摩尔-库仑屈服准则。模型沿Y 方向760 m，Y 方向两侧各留80 m 煤柱，X方向372 m，X 方向两侧各留80 m 煤柱，Z 方向长240 m。

此次模拟开采方案采用走向长壁式采煤方法，全部垮落法管理顶板。首先运行模拟至稳定状态再开采煤层，推进方向是每次开挖步长20 m，计算循环至岩层稳定，将结果保存；再开挖下一步继续进行循环，依次向下进行，直到工作面推进600 m计算过程结束。

由于FLAC3D 数值模拟采用有限差分法进行计算分析，采空区围岩塑性区的分布与覆岩导水裂隙带的划分高度具有很好的一致性，因此研究煤层覆岩塑性区的分布，可以直观地分析上覆各岩层的破坏情况。图4 是工作面走向开采至600 m 时围岩塑性区的变化情况，其塑性区范围达到了65.29 m。

图4 工作面顶板塑性区分布Fig.4 Distribution of plastic zone on roof of working face

为了深入研究随着煤层开采覆岩移动形变量，通过分析采场位移量的变化来反映导水裂隙带发育过程。图5 为沿工作面走向开采100、200、300、400、500、600 m 垂向位移变化图。工作面推进至100 m 时，覆岩的移动变形量慢慢增加，采空区上方岩层的位移云图类似一个“拱”状，基本上是以采空区中央轴对称分布，直接顶和老顶的位移量较大，垮落带高度为18 m，导水裂隙带发育至为33 m；工作面推进至200 m 时，垮落带高度为22 m，导水裂隙带发育至为44 m，覆岩移动变形范围扩大；工作面推进至300 m 时，随着开采扰动的不断增强，“拱”状范围逐渐向上发展，“拱”的半径随采空区的扩大而增大，垮落带高度为25.2 m，导水裂隙带发育至为65.29 m；工作面推进至400、500、600 m 时，垂直移动变形增加量逐渐减小，水平位移甚至有减小趋势，顶板下沉值达到最大，与采高基本一致，表明达到充分采动状态，采空区被冒落岩块压实，导水裂隙带高度也不再增加，说明这时导水裂隙带己发育稳定。

图5 模型开挖后覆岩垂向位移变化图Fig.5 The variation of overburden vertical displacement after model excavation

2.4 导水裂隙带发育高度综合判别分析

对HI0503 工作面导水裂隙带进行分析（表3）。通过井下钻孔压水试验、钻孔窥视和数值模拟综合确定HI0503 工作面导水裂隙带发育高度为65.29～68.1 m，大于经验公式计算值59.79 m。

表3 HI0503 工作面导水裂隙带高度实测结果Table 3 The measurement results of water conduction fracture zone height of No.HI0503 face

HI0503 工作面距离上覆巨厚古近系含水层平均为95 m，大于工作面开采后导水裂隙带高度，不会作为工作面的直接充水水源。经过对HI0503工作面开采过程中涌水量的观测，其涌水量一直稳定在30 m3/h 左右，说明导水裂隙带未波及至顶板古近系含水层，HI0503 工作面导水裂隙带探查结果可以作为5 煤工作面防治水工作的依据。