鄒莊煤礦32煤導(dǎo)水裂縫帶動(dòng)態(tài)觀測(cè)與模擬聯(lián)合分析

【摘要】以鄒莊煤礦3111工作面所在區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，本文采用井下仰斜鉆孔采動(dòng)應(yīng)力動(dòng)態(tài)觀測(cè)、數(shù)值模擬采動(dòng)破壞分析、同一監(jiān)測(cè)位置應(yīng)力和破壞發(fā)育趨勢(shì)對(duì)比識(shí)別方法確定開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂縫帶范圍。觀測(cè)和計(jì)算分有斷層和無(wú)斷層兩種條件。經(jīng)過(guò)測(cè)試和研究得出，3111工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育受開(kāi)采推進(jìn)位置控制，在超前推進(jìn)位置60m測(cè)孔內(nèi)即可監(jiān)測(cè)到覆巖內(nèi)應(yīng)力變化，在超前推進(jìn)位置40m測(cè)孔內(nèi)可監(jiān)測(cè)到覆巖內(nèi)應(yīng)力變化達(dá)到最大值。無(wú)斷層條件下測(cè)得導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測(cè)點(diǎn)33m，導(dǎo)水裂縫帶高度是采厚的13.90倍，在落差3m斷層影響下測(cè)得導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測(cè)點(diǎn)25m，導(dǎo)水裂縫帶高度是采厚的16.60倍。覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)水裂縫帶有控制作用，軟硬分界面往往是破壞發(fā)育的邊界。以上分析成果可為礦區(qū)地下水資源保護(hù)和減少水患提供決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)水裂縫帶；數(shù)值模擬；動(dòng)態(tài)觀測(cè)；聯(lián)合分析

1、引言

煤層的開(kāi)采引起的上覆巖層移動(dòng)與破壞必然影響隔水層的穩(wěn)定，增加地下水滲漏和突涌水威脅。覆巖移動(dòng)和破壞一般可劃分出三個(gè)不同性質(zhì)的破壞和變形影響帶，由下至上依次分為垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲下沉帶。導(dǎo)水裂縫帶的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)方法主要有根據(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》計(jì)算、數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等。原位實(shí)測(cè)是獲得采動(dòng)破壞高度、范圍等分布規(guī)律的最直接手段，主要方法有沖洗液漏失量觀測(cè)、壓水試驗(yàn)、聲波成像或鉆孔攝像等。其中沖洗液漏失量觀測(cè)、壓水試驗(yàn)、聲波成像或鉆孔攝像等為靜態(tài)方法，只能代表某一時(shí)間狀態(tài)即開(kāi)采階段的變形破壞。沖洗液漏失量觀測(cè)大多需要在地面鉆孔內(nèi)實(shí)施，壓水試驗(yàn)原理可靠但測(cè)試裝備的可靠性往往不高。總體而言，行之有效和充分可靠的測(cè)試還需要克服很多現(xiàn)實(shí)的困難。

本文以鄒莊煤礦3111工作面所在區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用仰斜鉆孔實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算方法綜合分析采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度和范圍。其特點(diǎn)是根據(jù)仰斜鉆孔內(nèi)軸力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模型中相同位置軸力與破壞范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系聯(lián)合分析獲得導(dǎo)水裂縫帶高度和動(dòng)態(tài)發(fā)育特征，可為同類動(dòng)態(tài)觀測(cè)提供借鑒。

2、鄒莊煤礦地質(zhì)及開(kāi)采條件

鄒莊煤礦地處安徽省淮北市濉溪縣南坪集附近，其中心東北距宿州市約25km，位于淮北煤田南部，地處宿北斷裂、光武-固鎮(zhèn)斷裂、豐縣-口孜集斷裂與固鎮(zhèn)-長(zhǎng)豐斷裂組成的斷塊內(nèi)，童亭背斜東翼的中段。鄒莊煤礦及其鄰近煤礦均未見(jiàn)基巖裸露。經(jīng)鉆探揭露，新生界松散層下伏地層自下而上分別為奧陶系的馬家溝組、老虎山組，石炭系的本溪組、太原組，二疊系的山西組、下石盒子組、上石盒子組。石炭系、二疊系皆為含煤地層。3111工作面32煤層煤厚1.80m～3.08m，平均2.59m，煤厚變化較小，煤層穩(wěn)定，直接頂板以泥巖，粉細(xì)砂巖為主，厚度一般6.43～10.5m。老頂以粉細(xì)砂巖、泥巖為主，厚度6.62～16.3m，通過(guò)巖性判斷3111工作面頂板為中硬頂板，3111工作面靠近停采線處有逆沖斷層，落差3m，風(fēng)巷在逆沖斷層下。

3、井下采動(dòng)破壞實(shí)測(cè)

本文采用仰斜鉆孔埋入傳感器和數(shù)值計(jì)算方法綜合分析采動(dòng)覆巖破壞高度和范圍。在測(cè)試前為了指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)分析計(jì)算，采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)開(kāi)采破壞高度進(jìn)行初步估算，得到在采厚為2.59m時(shí)上覆巖層垮落帶高度為8.30±2.2m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度約為33.44±5.6m。

根據(jù)開(kāi)采實(shí)際，在3111工作面設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)2處，采用鉆孔埋置應(yīng)力測(cè)試傳感器、在開(kāi)采期間動(dòng)態(tài)測(cè)試鉆孔軸向力變化，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，再結(jié)合數(shù)值計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)規(guī)律和模型試驗(yàn)成果共同解釋覆巖破壞特征。兩測(cè)點(diǎn)分別位于兩處鉆窩內(nèi)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。測(cè)點(diǎn)1鉆孔仰角50°，斜長(zhǎng)為51m，控制垂直測(cè)試高度40m，鉆孔朝向采空區(qū)方向，與巷道成5度夾角。該孔布置拉壓力傳感器5個(gè)和壓水測(cè)試點(diǎn)4個(gè)。測(cè)點(diǎn)2布置在回采收作線外側(cè)10m的巷道附近。該鉆孔需穿過(guò)3111F4逆斷層，因此測(cè)點(diǎn)2的鉆孔在平面上與巷道成30°夾角偏向采面內(nèi)部，仰角45°，斜長(zhǎng)67m，控制垂直測(cè)試高度47m。該孔布置拉壓力傳感器。

應(yīng)力測(cè)試使用GGLJ型振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，通過(guò)GSJ-2A電腦檢測(cè)儀采集測(cè)試數(shù)據(jù)。由于鉆孔埋入傳感器時(shí)采用PVC花管作為導(dǎo)向和支架，以及注漿和封孔，傳感器與周圍巖層接觸關(guān)系較為復(fù)雜。本文在監(jiān)測(cè)結(jié)果初步分析的基礎(chǔ)上，僅以各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)作為分析依據(jù)，其數(shù)據(jù)絕對(duì)值與開(kāi)采條件對(duì)應(yīng)關(guān)系尚需進(jìn)一步研究與試驗(yàn)。

根據(jù)測(cè)試，繪制測(cè)試成果曲線如圖2和圖3。根據(jù)曲線動(dòng)態(tài)變化特征，結(jié)合地層性質(zhì)與厚度，將鉆孔軸線上由壓轉(zhuǎn)拉的范圍定為導(dǎo)水裂縫帶的上界，與開(kāi)采推進(jìn)位置對(duì)應(yīng)關(guān)系可根據(jù)圖2和圖3水平坐標(biāo)判定。

4、覆巖破壞高度數(shù)值的模擬分析

為研究3111工作面采后上覆巖層破壞分布規(guī)律，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)測(cè)繪成果和各煤層資料，選取過(guò)兩處測(cè)點(diǎn)的縱向剖面作為試驗(yàn)和計(jì)算研究的基本原型，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示。采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則對(duì)煤層頂板采動(dòng)破壞特征進(jìn)行計(jì)算。得到計(jì)算結(jié)果如圖5。

根據(jù)圖4塑性區(qū)分布特征分析，在沒(méi)有斷層的影響下，采空區(qū)上方頂板為拉張破壞區(qū)，兩側(cè)煤柱上浮為剪切破壞區(qū)；在有逆沖斷層的影響下，導(dǎo)水裂縫帶已經(jīng)影響到斷層，但沒(méi)有向斷層上部巖層發(fā)展，表明斷層對(duì)破壞可以起到屏障作用，抑制破壞帶向上發(fā)育，在水平方向上，由于逆沖斷層的影響，塑性區(qū)已經(jīng)與斷層貫通。

根據(jù)開(kāi)采結(jié)束后塑性區(qū)分布得到，32煤開(kāi)采后的垮落帶高度為12m，導(dǎo)水裂縫帶高度為33m。在逆沖斷層的影響下使得頂板破壞高度有一定的上升，斷層側(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度為45m，遠(yuǎn)離斷層側(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度60m，為不對(duì)稱分布。

5、實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬聯(lián)合分析

由于實(shí)測(cè)鉆孔軸力不能直觀反應(yīng)巖體裂隙發(fā)育的真實(shí)情況，以下鎖定實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)位置，通過(guò)實(shí)測(cè)軸力變化和數(shù)值模擬應(yīng)力變化與覆巖破壞的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析導(dǎo)水裂縫帶的動(dòng)態(tài)發(fā)育特征。

根據(jù)數(shù)值模擬可獲得對(duì)應(yīng)鉆孔測(cè)點(diǎn)處軸向應(yīng)力的動(dòng)態(tài)演化曲線，如圖6。

根據(jù)測(cè)得的軸向力和計(jì)算獲得的軸向應(yīng)力曲線，測(cè)點(diǎn)1軸向應(yīng)力總體隨開(kāi)采推進(jìn)呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，推進(jìn)至距離測(cè)試鉆窩40m時(shí)，鉆孔內(nèi)軸向力達(dá)到最大值，隨埋深大于38.34m范圍軸向應(yīng)力呈現(xiàn)一致性下降趨勢(shì)，埋深小于25.95m范圍軸力表現(xiàn)為先增長(zhǎng)再下降趨勢(shì)，上下兩段變化趨勢(shì)明顯不同，其間埋深38.34m-25.95m孔段為過(guò)渡帶。根據(jù)測(cè)試，當(dāng)開(kāi)采推進(jìn)到距離測(cè)試鉆窩38m-26m距離時(shí)，以33m處為最顯著，測(cè)試鉆孔埋深為38.34m處明顯為拉應(yīng)力，該點(diǎn)以上處于軸力釋放狀態(tài)，以下軸力呈低幅度增長(zhǎng)或釋放狀態(tài)，與計(jì)算結(jié)果相比存在變化趨勢(shì)和分帶的相似性。通過(guò)應(yīng)力計(jì)算和軸力測(cè)試成果的相似性分析，結(jié)合地層巖性特征，可初步劃定測(cè)點(diǎn)位置1覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度為煤層頂板以上36.0m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于受斷層的影響，測(cè)點(diǎn)2鉆孔內(nèi)軸力在超前推進(jìn)位置60m開(kāi)始分化，超前40m變化達(dá)到極值，其中埋深55-65m段軸力一致性降低，埋深30-45m段軸力增大到極值后下降，埋深15-20m段軸力一致性增長(zhǎng)，呈現(xiàn)為三段兩過(guò)渡帶的特征。根據(jù)塑性區(qū)分布，上部過(guò)渡帶可判斷為導(dǎo)水裂縫帶上界。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在推進(jìn)到距離測(cè)試鉆窩34-16m處，以25m最為顯著，測(cè)試鉆孔內(nèi)各點(diǎn)軸力出現(xiàn)明顯分化，其中孔內(nèi)上段和斷層帶以下測(cè)點(diǎn)均以壓應(yīng)力為主，斷層帶及臨近區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的拉伸應(yīng)力狀態(tài)，表明開(kāi)采造成拉伸已經(jīng)波及斷層帶。根據(jù)塑性區(qū)分析，破壞已達(dá)到斷層帶，由此可確定導(dǎo)水裂縫帶高度為煤層頂板以上43m。

根據(jù)以上分析可知，實(shí)測(cè)軸力與數(shù)值模擬結(jié)合，可以反饋導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征，其中軸力由壓轉(zhuǎn)拉或拉轉(zhuǎn)壓過(guò)渡帶是判別采動(dòng)破壞帶的重要線索之一。

6、結(jié)論

1）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和塑性區(qū)分析，在無(wú)斷層影響下，開(kāi)采32煤，采厚2.59M時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度40m；在有逆沖斷層的影響下，開(kāi)采32煤，采厚2.59m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度60m。

2）通過(guò)實(shí)測(cè)鉆孔內(nèi)的軸力與模擬分析得出，在無(wú)斷層條件下導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測(cè)點(diǎn)33m，導(dǎo)水裂縫帶高度36m，是采厚的13.90倍，在落差3m斷層影響下測(cè)得導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測(cè)點(diǎn)25m，測(cè)試位置導(dǎo)水裂縫帶高度43m，是采厚的16.60倍。

3）通過(guò)觀測(cè)和實(shí)時(shí)決策，可為地下水資源保護(hù)和預(yù)防突水災(zāi)害提供決策依據(jù)。通過(guò)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬聯(lián)合分析軸力與破壞區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在鉆孔內(nèi)植入拉壓傳感器觀測(cè)軸力演化的方法有可能成為全開(kāi)采過(guò)程動(dòng)態(tài)觀測(cè)的重要手段之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.

[2]劉天泉.礦山巖體采動(dòng)影響與控制工程學(xué)及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，1995（01）：1-5.

[3]國(guó)家煤炭工業(yè)局.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[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：

[4]崔安義.基于EH-4大地電磁法探測(cè)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（8）：97-99，102.

[5]張艷，郭亮亮，龍建霖.基于鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶特征研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2015（06）：116-117.

[6]李文生，李文，尹尚先.綜采一次采全高頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（6）：104-107.

作者簡(jiǎn)介：吳發(fā)宏，男，工程師，現(xiàn)任安徽神源煤化工有限公司副總工程師，長(zhǎng)期從事礦井地質(zhì)技術(shù)管理和防治水工作。