綜合探測9105工作面導(dǎo)水裂隙帶高度

張 罡

（山西煤炭運銷集團蓋州煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

工作面回采過程中，可能會受覆巖含水層的威脅，影響工作面的安全回采[1-2]。因此，需對工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行實測。 若在導(dǎo)水裂隙帶高度范圍內(nèi)受含水層或老空區(qū)積水影響，為了避免工作面發(fā)生突水事故，應(yīng)超前探放水或者注漿加固含水層，確保無威脅后再進行回采[3-5]。蓋州煤礦9105 工作面受頂板K5灰?guī)r水和回采后殘留3 號老空水影響。 雖然工作面回采前進行了超前探放水，但仍有殘余老空積水沿裂隙導(dǎo)入工作面。 為了避免工作面發(fā)生突水事故，確保工作面安全回采，應(yīng)對工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進行探測。

1 工作面概況

9105 工作面北部為9 號煤層三條大巷，東部為未開采9107 工作面，西部為已回采的9103 綜采工作面，南部為井田邊界。 工作面主采9 號煤層，煤厚1.6～1.92 m，平均厚1.7 m，傾角小于5°。工作面受K5灰?guī)r水和回采后殘留3 號老空水影響，需對導(dǎo)水裂隙帶進行實測。 9 號煤頂板主要為泥巖、砂巖，其上方有多層較為穩(wěn)定的石灰?guī)r層，需按中硬巖層來估算導(dǎo)水裂隙帶高度。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

采用FLAC3D模擬9105 工作面回采后覆巖變形破壞規(guī)律，確定覆巖頂板裂隙帶發(fā)育高度[6]。 根據(jù)工作面地質(zhì)條件和覆巖性質(zhì)，建立400 m×100 m×225.7 m 的力學(xué)模型， 劃分為22 800 個單元和27 577 個節(jié)點，其中材料參數(shù)見表1。

表1 9105 工作面圍巖力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

（1）應(yīng)力分布

通過數(shù)值模擬9105 工作面覆巖破壞規(guī)律，得到工作面應(yīng)力分布，見圖1。

圖1 9105 工作面覆巖應(yīng)力分布

由圖1 可知，9105 工作面回采后， 上覆巖層受拉應(yīng)力影響較大區(qū)域， 即垮落帶最大高度為10 m左右；上覆巖層受拉應(yīng)力影響較小區(qū)域，即裂隙帶最大高度為19.3 m； 裂隙帶以上為上覆巖層彎曲下沉帶。 由于導(dǎo)水裂隙帶高度為垮落帶和裂隙帶之和。 因此，9105 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度為29.3 m。

（2）塑性區(qū)分布

通過數(shù)值模擬9105 工作面覆巖破壞規(guī)律，得到工作面塑性區(qū)分布，見圖2。

圖2 9105工作面覆巖塑性區(qū)分布

9105 工作面回采后，覆巖彎曲下沉造成工作面頂板巖層發(fā)生塑性破壞，破壞形式主要為剪切屈服破壞。 由圖2 可知，工作面塑性區(qū)的范圍在上覆巖層29.3 m 范圍以內(nèi)， 其中連續(xù)塑性區(qū)最大高度為29.3 m。

（3）導(dǎo)水裂隙帶分布

通過數(shù)值模擬9105 工作面覆巖破壞規(guī)律，得到工作面導(dǎo)水裂隙帶分布，見圖3。

圖3 9105 工作面導(dǎo)水裂隙帶分布

9105 工作面覆巖受拉應(yīng)力影響，部分巖層垮落下沉形成“三帶”，導(dǎo)水裂隙帶最大高度不應(yīng)大于拉應(yīng)力區(qū)和塑性變形區(qū)最大高度。 由圖3 可知，9105工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度為29.3 m。

3 導(dǎo)水裂隙帶高度實測

3.1 探測方案

在9105 工作面運輸順槽的5J15 標(biāo)志點處向9105 工作面采空區(qū)方向施工2 個頂板探測鉆孔和1 個對比鉆孔。 1#鉆孔施工至44 m 處，2#鉆孔施工至45 m 處，3#鉆孔施工至46 m 處， 終孔處煤層厚度約為1.7 m 左右，鉆孔施工參數(shù)見表2。

表2 9105 工作面導(dǎo)高觀測鉆孔參數(shù)

3.2 探測結(jié)果分析

（1）1#鉆孔

通過觀測1#鉆孔可知，9105 工作面上覆巖層注水漏失量主要分為兩個區(qū)域， 其中I 區(qū)注水漏失量相對較小， 表明該區(qū)域巖層裂隙由原生裂隙構(gòu)成，裂隙發(fā)育不明顯，巖層滲透率小，導(dǎo)水裂隙帶高度未發(fā)展到I 區(qū)域；II 區(qū)注水漏失量大，表明該區(qū)域巖層次生裂隙發(fā)育明顯，巖層滲透率大，裂隙導(dǎo)水能力強，導(dǎo)水裂隙帶主要為II 區(qū)域。 根據(jù)1#鉆孔探測結(jié)果得到I、II 區(qū)域各項參數(shù)見表3。

表3 1#鉆孔探測結(jié)果

1#鉆孔在探測過程中， 垂高由27.3 m 減小到26.3 m 時， 巖層滲水量由3.8 L/min 增大至9.6 L/min。由此可知，1#孔探測9105 工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度為27.3 m 左右。

（2）2#鉆孔

2#鉆孔同樣觀測到上覆巖層注水量主要分為Ⅲ、Ⅳ兩個區(qū)域，其中Ⅲ區(qū)域巖層滲透率小，Ⅳ區(qū)域注水漏失量大， 上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶主要為Ⅳ區(qū)域。 2#鉆孔探測兩區(qū)域各項參數(shù)見表4。

表4 2#鉆孔探測結(jié)果

2#鉆孔在探測過程中， 垂高由28.8 m 減小到27.87 m 時， 巖層滲水量由3.5 L/min 增大至8.7 L/min。 由此可知，2#孔探測9105 工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度為28.3 m 左右。

采用1#、2#兩個探測孔觀測9105 工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度，探測結(jié)果較為準(zhǔn)確。其中，1#鉆孔探測高度為h1=27.3 m，2#鉆孔探測高度為h2=28.8 m，兩鉆孔探測結(jié)果取平均值為h=28.05 m。

4 導(dǎo)水裂隙帶高度

9105 工作面鉆孔實測導(dǎo)水裂隙帶高度需要與覆巖性質(zhì)結(jié)合進行分析，當(dāng)工作面主采煤層9 煤頂板往上至5.6 m 厚的灰?guī)r時， 巖層距工作面垂高28.9～29.3 m，超出鉆孔探測范圍。 1#、2#鉆孔探測結(jié)果表明， 導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育至9 煤上方灰?guī)r，該巖層往上為覆巖彎曲下沉帶。 根據(jù)探測結(jié)果和覆巖性質(zhì)可知，工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度為29.3 m。

采用FLAC3D模擬可得9105 工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為29.3 m， 通過探測孔觀測和結(jié)合覆巖性質(zhì)分析可知，工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為29.3 m，由此確定，工作面導(dǎo)水裂隙帶高度為29.3 m。

5 結(jié)語

1）以蓋州煤礦9105 工作面為研究對象，采用FLAC3D模擬工作面回采后覆巖變形破壞規(guī)律，根據(jù)應(yīng)力、塑性區(qū)和導(dǎo)水裂隙帶分布圖可知，工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度為29.3 m。

2）通過向9105 工作面運輸巷頂板打2 個鉆孔觀測導(dǎo)水裂隙帶高度，根據(jù)探測結(jié)果，覆巖注水漏失量有大小兩個區(qū)域，導(dǎo)水裂隙帶主要分布在漏失量大的區(qū)域。1#、2#鉆孔探測導(dǎo)水裂隙帶最大高度分別為27.3 m、28.3 m 左右。結(jié)合工作面覆巖性質(zhì)可得，工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度為29.3 m。