覆巖頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模擬與實(shí)測(cè)*

呂文宏

(陜西中能煤田有限公司，陜西榆林719000)

0 引言

陜西省中能煤田榆陽(yáng)煤礦距離榆林市約12 km，建井開(kāi)采面積約13.03 km2，目前規(guī)劃范圍擴(kuò)大至237.32 km2，煤炭總資源量約11億t.井田內(nèi)水資源量相對(duì)較豐富，地下水主要有風(fēng)積沙和上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組成的砂層水，抽水試驗(yàn)顯示單位涌水量為1.375～2.596 L/s·m，屬?gòu)?qiáng)富水，風(fēng)化基巖含水組屬中等富水;另外，煤層的直接充水層“真武洞砂巖”及“七里鎮(zhèn)砂巖”;還有數(shù)個(gè)海子地表水體;礦井東約7 km處為榆林市重要水源地“紅石峽水庫(kù)”。特殊的地理位置和地理?xiàng)l件決定了中能煤田煤炭開(kāi)采必須面臨煤炭開(kāi)采和水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。2005年以前，中能煤田榆陽(yáng)煤礦以房柱式開(kāi)采為主，礦井涌水量較小，2005年后擴(kuò)大年產(chǎn)量，開(kāi)采的方式也逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫C采，伴隨著年產(chǎn)量的大幅提高，礦井涌水量有著顯著的增加，為查明礦井涌水的來(lái)源，做到保水采煤及預(yù)防工作面涌水潰沙事故的發(fā)生，有必要研究綜采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為開(kāi)采設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，一般的方法主要有數(shù)值模擬、相似模擬、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法等［1］。而依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中給出的工作面采后垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的局限性，對(duì)一次采全高的綜采工藝并不完全適用。因此，文中以榆陽(yáng)煤礦2304綜采工作面，首先提出經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)結(jié)果的不足之處，然后采用數(shù)值分析手段對(duì)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行定量模擬研究，并結(jié)合鉆孔沖洗液消耗判定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，以此互相驗(yàn)證來(lái)準(zhǔn)確判斷覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

1 工作面地質(zhì)條件概況

中能煤田榆陽(yáng)煤礦2304工作面東臨保護(hù)煤柱，西靠2308準(zhǔn)備工作面，北邊為井田邊界，南邊為運(yùn)輸大巷，煤層埋深188 m，工作面傾斜長(zhǎng)度為200 m，走向長(zhǎng)度為1 175 m，推進(jìn)速度6.7 m/d，煤層采厚平均3.5 m，覆巖頂板主要由砂巖、中砂巖、泥巖和風(fēng)化巖層等構(gòu)成。

2 按經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度

考慮到榆陽(yáng)煤礦2304綜采工作面覆巖層主要由砂巖和泥巖構(gòu)成，地層屬于中硬巖層，可根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》對(duì)該面采后覆巖冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)計(jì)［5，7］，其公式如下

式中H冒，H導(dǎo)為冒落帶和裂隙帶高度，m;ΣM為累計(jì)采厚，取ΣM=3.5 m.

經(jīng)公式(1)(2)預(yù)計(jì)計(jì)算可得，冒落帶高度7.6～11.9 m，導(dǎo)水裂隙帶高度32.4～43.6 m.

以上計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度未超過(guò)60 m，礦井綜采條件下只會(huì)對(duì)上覆基巖含水層“真武洞砂巖”疏干、甚至無(wú)法疏干基巖含水層(“七里鎮(zhèn)砂巖”)，更無(wú)法直接影響風(fēng)化基巖含水層和松散砂層含水層，故規(guī)程中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值數(shù)值偏小。因此，考慮從數(shù)值分析角度和現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)測(cè)法導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行研究。

3 覆層破壞數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

針對(duì)榆陽(yáng)煤礦2304工作面實(shí)際地層情況，采用基于離散元法的UDEC數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算?？紤]應(yīng)消除位移邊界和應(yīng)力邊界的影響，計(jì)算模型高210 m，長(zhǎng)360 m，沿采煤工作面開(kāi)采，開(kāi)采步距為30 m，數(shù)值模型中將性質(zhì)相似巖層劃分為同一層，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.模型邊界條件為:模型兩端水平方向均設(shè)置為位移邊界，頂部設(shè)置為自由邊界，底部設(shè)置為水平和垂直位移邊界。

表1 2304工作面覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Physical mechanical parameters for overburden of No.2304 mining face

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1 工作面頂板覆巖塑性破壞區(qū)圖Fig.1 Over burden plastic failure zone of mining face roof

本次數(shù)值模擬計(jì)算塑性破壞區(qū)如圖1所示。通過(guò)分析采空區(qū)覆巖頂板塑性破壞區(qū)可看出，當(dāng)工作面不斷開(kāi)采后，采空區(qū)頂部圍巖塑性破壞范圍逐漸增大。當(dāng)工作面開(kāi)采至30 m時(shí)，直接頂已完全垮落，覆巖冒落帶高度達(dá)16 m，采空區(qū)上方出現(xiàn)拉伸屈服破壞區(qū)域;當(dāng)工作面向前推進(jìn)至90 m時(shí)，頂板塑性破壞區(qū)繼續(xù)向上發(fā)展，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到48 m;當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到120 m，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至72 m;當(dāng)工作面推進(jìn)至150 m，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度已達(dá)到86 m;當(dāng)工作面推進(jìn)至180 m，覆巖頂板塑性破壞范圍不再繼續(xù)向上發(fā)展，僅在水平方向隨著工作面開(kāi)采而擴(kuò)大，此時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到最大86 m.因此，由數(shù)值模擬計(jì)算得到覆巖冒落帶高度為16 m，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為86 m.

4 導(dǎo)水裂隙帶高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

本次試驗(yàn)采用一種直觀的觀測(cè)手段，即鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)和注水試驗(yàn)來(lái)探測(cè)導(dǎo)水裂隙臨界面最高部位的分布，以確定導(dǎo)水裂隙帶高度。在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，導(dǎo)水裂隙以內(nèi)的水流必然向采空區(qū)運(yùn)動(dòng)排泄而不可能在臨界面儲(chǔ)存。因此在此位置時(shí)鉆孔沖洗液漏失，水位相應(yīng)下降;鉆孔中斷給水后，水位不斷下降直至孔底［8］。

4.1 鉆孔設(shè)計(jì)與實(shí)施方案

本次工程共布置鉆孔2個(gè)，分別布置在2304綜采面采空區(qū)開(kāi)切眼以內(nèi)350 m(ZP1鉆孔)及距離收作線130 m左右靠近回風(fēng)順槽處(ZP2鉆孔)。該采面至今已回采2 a，采空區(qū)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。ZP1覆巖類型為土基型、ZP2覆巖類型為砂基型。

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔采用清水鉆進(jìn)(圖2)，鉆孔孔徑108 mm，大于要求的鉆孔直徑91 mm，由于鉆孔揭露松散層時(shí)沒(méi)有水位，因此鉆進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有加套管，控制每個(gè)回次長(zhǎng)度小于4 m，裂隙帶小于2 m，鉆進(jìn)穿過(guò)煤層底板后終孔，完成觀測(cè)后利用水泥、碎石及沙進(jìn)行封孔(圖3)。

圖2 鉆塔及鉆機(jī)Fig.2 Rigs and rig

圖3 封孔Fig.3 Sealing

4.2 觀測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 ZP2 鉆孔觀測(cè)結(jié)果分析

1 )巖層裂隙發(fā)育狀況。鉆孔過(guò)程揭露松散砂層(7.52 m)，無(wú)黃土層，安定組強(qiáng)風(fēng)化砂巖，直羅組及含煤的延安組。其中:強(qiáng)風(fēng)化帶為7.52～17.4 m，中等及弱風(fēng)化帶為17.4～44.8 m，風(fēng)化帶巖體如圖4(a);除風(fēng)化裂隙上覆巖層局部裂隙和離層較發(fā)育，在導(dǎo)水裂隙帶以上有多組局部裂隙發(fā)育(圖4(b));104.8 m以下巖層垂向裂隙普遍發(fā)育(圖4(c))，可視為導(dǎo)水裂隙帶的頂界面，173.8 m以下巖體取芯率下降較大，所取巖樣普遍破碎(圖4(d))，可視為冒落帶的頂界面。

圖4 ZP2鉆孔不同深度巖層裂隙發(fā)育情況Fig.4 fractured rock conditions of ZP2 drilling for different depths

2 )鉆孔沖洗液消耗觀測(cè)。ZP2鉆孔進(jìn)入基巖段后開(kāi)始觀測(cè)鉆孔沖洗液消耗量，在34 m以淺，鉆孔沖洗液消耗量保持同一水平，較小為18.8～23.3 L/min，鉆進(jìn)34 m時(shí)泵量150 L/min時(shí)不返水，并出現(xiàn)吸風(fēng)現(xiàn)象，繼續(xù)鉆進(jìn)至孔底的過(guò)程中全泵量不返水，沖洗液消耗與鉆孔孔深關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 ZP1，2鉆孔沖洗液消耗量Fig.5 Fluid consumption for ZP1 and ZP2 drilling

3 )鉆孔內(nèi)水位觀測(cè)。ZP2鉆孔對(duì)不同的含水層均進(jìn)行了水位測(cè)量，松散砂層沒(méi)有觀測(cè)到水位(0～7.52 m)，風(fēng)化基巖帶于13.5 m測(cè)量到穩(wěn)定水位并保持到34 m水位消失(13.5～34 m);七里鎮(zhèn)砂巖(93.45～111.9 m)沒(méi)有觀測(cè)到水位，該層中砂巖中水被疏干;真武洞砂巖(173.8～183.7 m)沒(méi)有觀測(cè)到水位，該層中砂巖中水被疏干，水位與孔深關(guān)系如圖6所示。

4 )冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)結(jié)果。依據(jù)ZP2鉆孔觀測(cè)成果綜合確定鉆孔深度173.8 m和104.8 m分別為冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的頂界面，煤層在此處的底板在188 m，因此冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為14.2和84.8 m，此處煤層采厚為3.5 m，冒采比為4.06，裂采比為24.2.

圖6 ZP1，2鉆孔水位觀測(cè)曲線Fig.6 Level observation curve for ZP1 and ZP2 drilling

4.2.2 ZP1 鉆孔觀測(cè)結(jié)果分析

1 )鉆孔沖洗液消耗觀測(cè)。ZP1鉆孔進(jìn)入基巖段后開(kāi)始觀測(cè)鉆孔沖洗液消耗量，在34 m以淺，鉆孔沖洗液消耗量保持同一水平，較小為18.8～23.3 L/min，鉆進(jìn)34 m時(shí)泵量150 L/min時(shí)不返水，并出現(xiàn)吸風(fēng)現(xiàn)象，繼續(xù)鉆進(jìn)至孔底的過(guò)程中全泵量不返水(圖5)。

2 )鉆孔內(nèi)水位觀測(cè)。ZP1鉆孔對(duì)不同的含水層均進(jìn)行了水位測(cè)量，松散砂層沒(méi)有觀測(cè)到水位(0～7.52 m)，風(fēng)化基巖帶于13.5 m測(cè)量到穩(wěn)定水位并保持到34 m水位消失(13.5～34 m);七里鎮(zhèn)砂巖(93.45～111.9 m)沒(méi)有觀測(cè)到水位，該層中砂巖中水被疏干;真武洞砂巖(173.8～183.7 m)沒(méi)有觀測(cè)到水位，該層中砂巖中水被疏干(圖6)。

3 )冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)結(jié)果。依據(jù)ZP1鉆孔觀測(cè)成果綜合確定鉆孔深度190.8和111.7 m分別為冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的頂界面，煤層在此處的底板在208 m，因此冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為17.2和96.3 m，此處煤層采厚為3.5 m，冒采比為4.91，裂采比為27.5.

4.2.3 鉆孔觀測(cè)結(jié)果綜合分析

本次井田范圍內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的綜采條件下冒落帶高度14.2～17.2 m，為采厚4.06～4.91倍;導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度84.8～96.3 m，為采厚的24.2～27.5倍。

5 各方法結(jié)果比較分析

本次將經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分別列如表2中。通過(guò)3種方法所得結(jié)果對(duì)比分析可知，采用規(guī)程中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度值較其他2種方法相差達(dá)一倍左右，說(shuō)明規(guī)程中有關(guān)導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式在榆陽(yáng)煤礦不能完全照搬經(jīng)驗(yàn)公式。

從表2可以看出，綜合3種方法所得中能煤田榆陽(yáng)煤礦3#煤層2304綜采工作面頂板覆巖冒落帶最大高度為17.2 m，冒采比為4.9，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為96.3 m，裂采比為27.5.

表2 預(yù)測(cè)公式、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Results comparison for prediction formula，numerical simulation and field measurement

6 結(jié)論

文中就榆陽(yáng)煤礦2304綜采工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究，采用了預(yù)測(cè)公式和數(shù)值模擬分析計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔沖洗液消耗判定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下主要結(jié)論

1 )采用經(jīng)驗(yàn)公式所得導(dǎo)水裂隙帶最大高度僅為32.4～43.6 m，較數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相差達(dá)一倍以上，這表明規(guī)程中給出的中硬巖層導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的局限性和區(qū)域性，在榆陽(yáng)煤礦中不能完全適用。

2 )根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔沖洗液消耗判定榆陽(yáng)煤礦2304綜采面冒落帶高度介于14.2～17.2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度介于84.8～96.3 m.

3 )數(shù)值模擬結(jié)果研究表明，由數(shù)值計(jì)算所得冒落帶和裂隙帶高度分別為16和86 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，其結(jié)果相互驗(yàn)證，反映了用數(shù)值計(jì)算手段解決實(shí)際問(wèn)題的可行性及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。

4 )綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果最終確定榆陽(yáng)煤礦2304綜采工作面頂板覆巖冒落帶最大高度為17.2 m，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為96.3 m.本次研究成果將對(duì)礦井保水采煤及附近區(qū)水資源、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

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