郭屯礦2301工作面裂隙發育規律與現場探測

端木令蒙，張沖沖

（臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274700）

1 工程概況

郭屯礦2301工作面位于工業廣場西南約3500m，地表以農田為主，八里河支流從工作面西部穿過。2301工作面位于礦山二采區的西翼，工作面東部為南翼集中進風巷與南翼集中膠帶巷，西部靠近礦層露頭。地面標高為+43.5m～+45.1m，工作面標高為-678m～-763m，工作面的軌道順槽與膠帶順槽分別為1040m、953m。

2301 工作面礦層走向、傾向與傾角分別為12°～142°、102°～232°、5°～24°，礦層的賦存相對穩定，結構較為簡單，在整個工作面的采礦區間內礦層的平均厚度6.35m，頂板主要為粉砂與細砂巖，底板為泥巖與粉砂巖。2301工作面上覆松散地層厚度為616.46m～660.5m，平均厚度642.3m，上覆松散地層厚度沿工作面推進方向逐漸減小。2301工作面開采山西組3礦層，上距新近系底界52m～170m，基巖厚度沿工作面推進方向逐漸增大，在西部開采時，由于工作面位于礦層露頭附近，工作面在西部開采時有可能波及新近系底部含水層。

2 覆巖導水裂隙帶發育高度數值模擬

2.1 數值模擬軟件

在實際的開采作業過程中，為了充分掌握薄基巖厚松散層2301綜放工作面的裂隙發育規律，需要通過數值模擬的方式來獲得相應的規律，數值模擬方法通過工程地質模型的概化，構建了相應的物理力學模型與邊界條件，可以實現對工程破壞、破壞趨勢的模擬與預測。在數值模擬的過程中，模擬軟件極為關鍵，在郭屯礦的裂隙發育規律研究方面，采用的是FLAC3D軟件，此模擬軟件在具體的應用過程中，可以實現土質、巖石、其他材料的三維結構受力特征模擬、塑性流動分析，而通過對多面體單元的調整來進行工程全過程的模擬，有效實現了對采礦覆巖運動的分析與觀測，利用此軟件可以更為準確、高效地獲得塑性流動、破壞的具體情況[1]。

2.2 數值計算模型建立

在數值模型建立時，需以郭屯礦2301工作面的地質、開采技術條件作為基礎，建立FLAC3D三維計算模型，分析深埋薄基巖厚松散層開采時覆巖的運動規律，在具體的模擬過程中，重點需進行開挖全過程的模擬，根據模擬情況來獲得工作面上覆巖破壞的變化過程與趨勢。三維計算模型如圖1所示，模型內包含了礦層、頂底板巖層，三維模型沿走向長800m，沿傾向長400m，模型總體高度為480m，其中，模擬礦層為7m，底板為80m，礦層頂板薄基巖厚度為393m，三維模型共劃分896827個三維單元，157651個節點，沿走向剖面圖如圖2所示。

圖1 三維模型網絡圖

圖2 三維模型網絡走向圖

在模型模擬時，2301工作面推進308m，其中工作面傾斜長度200m，切眼與終采線向外220m礦柱作為固定邊界，傾斜方向前后100m礦柱作為固定邊界。

2.3 數值模擬結果分析

2.3.1 垂直應力分析

根據開采工程實踐，在工作面推進距離不同的條件下，其覆巖運動時所產生的垂直應力變化也存在著較大的差異性。如果在實際的模擬過程中，推進不同的距離，觀察在各種推進距離模擬條件下垂直應力場的變化規律，進而根據此來判定覆巖的運動規律。根據相應的模擬結果，發現在不同的推進距離下，垂直應力分布隨之發生變化，隨著工作面逐步向前推進，采場覆巖垂直應力的分布特征為：工作面兩端高于中間的特征，主要是由于在工作面的推進過程中，中部頂板來壓，上、下端頭來壓，而在工作面穩定的過程中，采場中部頂板逐步垮落下沉，隨著應力的逐步釋放，頂板垂直應力也會逐步減小，在應力重新分布與穩定的過程中，覆巖會形成更為穩定的承載結構[2]。因此，此處的壓力也是最大的，應力相對集中，隨著工作面推進距離的逐步增大，中部頂板的壓力越來越小。

2.3.2 覆巖運動位移分析

在工作面逐步推進時，由于采場上覆巖層會受到礦山壓力的作用，在此作用下，頂板會逐步出現一定的垂直位移。在不同的推進距離下，頂板垂直位移變化明顯。隨著工作面的逐步推進，采場頂板會出現中部凹的現象，具體表現為采場中下沉量遠遠超出了礦壁處的下沉量，而此下沉現象是與工作面的推進距離緊密聯系的，當推進距離逐步增大時，下沉現象也更為明顯。這種現象的主要原因是：隨著礦山開采作業的進行，在開采區域內逐步形成一定的采掘空間，推進距離的變化會引起上覆巖層的變化，尤其是當推進距離逐步增大的過程中，上覆巖層的跨度逐步增大，也就形成了類似簡支梁的結構，當上覆巖層的跨度達到了其極限以后，直接頂發生斷裂的概率相對較高，在斷裂以后，回轉下沉，也就使得采場中間的下沉量要相對大些。

2.3.3 工作面覆巖塑性區分析

在工作面的推進過程中，頂板礦體始終處于大范圍的剪切狀態下，當工作面推進距離逐步增大的過程中，對于頂板的破壞也日益明顯。根據相應的模擬結果，在不同的推進距離下，直接頂的破壞程度、范圍有所不同，當推進距離為50m時，頂板44m范圍內的直接頂巖體出現了剪切與拉伸破壞，基本頂在極小的范圍內發生了剪切破壞；當推進距離為100m時，直接頂全部被破壞，并且與50m的推進距離相比，基本頂的破壞范圍逐步增大，在48m范圍內存在破壞；推進距離為200m時，直接頂同樣全部被破壞，由于推進距離相對較大，基本頂的拉伸破壞與剪切破壞范圍更大。因此，推進距離與直接頂剪切破壞深度有著直接的關系，當工作面在逐步推進的過程中，直接頂會隨之出現明顯的垮落，當推進距離達到一定的長度時，基本頂會發生沉降現象。

3 井下導水裂隙帶觀測高度方法

要獲得薄基巖厚松散層綜放工作面裂隙發育的具體情況，需利用相應的方法來觀測井下導水裂隙帶的高度，在具體的觀測過程中，在井下回采工作面周邊選取一個位置，進行鉆窩的布置，有該鉆窩向工作面采空區上方的覆巖導水裂隙帶內施工仰斜鉆孔，利用井下導高觀測儀來進行導高的測量與獲取，與傳統的地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法下相比，這種觀測方法下的工作量相對較小，不僅操作便捷，還可以獲得更高的觀測精度，具有低成本優勢。

3.1 井下仰斜鉆孔導高觀測儀測試原理

在工作面裂隙規律的分析過程中，主要是由井下仰斜鉆孔導高觀測儀來獲得相應的觀測結果的，在實際的應用過程中，為提高觀測結果的精度，需注意以下要點：①仰斜鉆孔必須要穿過導水裂隙帶，在回采工作面周邊的特定位置，向采空區上方施工仰斜鉆孔，該鉆孔必須要穿透覆巖導水裂隙帶，使得其進入其上方彎曲帶的一定距離，需將其距離控制在10m上，此鉆孔就是導高觀測鉆孔。②觀測對比孔驗證覆巖原生裂隙，在采后孔的觀測過程中，需同步在鉆窩位置增加一個采前對比孔，這一對比孔的設計參數需與采后對比孔的基本參數保持一致，采前對比孔的設置是為了對未受到采動影響前的原生裂隙加以觀測，使得在后期的數據處理過程中，能夠及時排除采后孔原生裂隙孔段，對觀測結果加以校正和檢驗，保障觀測結果的精確性。③由井下導高觀測儀來對各段巖層的透水性加以檢測，在此過程中，為保障檢測結果的準確性，需正確進行井下導高觀測儀的操作，由孔口一定位置開始，從下到上逐段進行巖層導水性能的測試，一般要維持每段為1m～1.5m，逐段測試直到孔底，實際測試所獲得的透水巖層的最大高度，就是該位置采場覆巖的導水裂隙帶高度。

3.2 雙端堵水器的控制與巖層透水性觀測方法

雙端堵水器是井下導高觀測儀的重要構成，其在具體的觀測過程中，主要是由起脹控制臺與注水控制臺來對其進行操作的。從系統構成來看，起脹控制臺的兩端分別與起脹管路、高壓氣源相連接，而注水控制臺的兩端分別與注水管路、高壓水源加以連接，在具體的觀測數據獲取過程中，主要需遵循以下的操作流程：①收縮膠囊，對起脹控制臺加以操作，使得雙端堵水器的兩個膠囊能夠處于無壓收縮的情況下；②推移探頭，利用鉆機鉆桿來將雙端堵水器的探頭推移到觀測段的巖層位置，也就是鉆孔的某一深度條件下；③起脹膠囊，操作起脹控制臺，對雙端堵水器的兩個膠囊加以注氣和加壓，使得這兩個膠囊能夠在主氣和加壓作用下處于承壓膨脹狀態，進而封堵分隔一段鉆孔。

4 開采工作面“兩帶”高度現場觀測方案設計

在實際的觀測過程中，為保障觀測結果的準確性，必須要在觀測開始之前，進行觀測位置的選擇、保障鉆孔布置的合理性。通常情況下，觀測位置與鉆孔布置需符合以下的標準與要求：①測位置與開采邊界之間必須要存在一定的距離，此距離的保持是為了使得導高觀測鉆孔在觀測時能夠有相對合適的仰角或者俯角，降低和減弱開采作業時，采動礦壓對觀測巷道所造成的破壞；②觀測位置必須要符合適當縮小觀測鉆孔長度的要求；③觀測位置必須要能夠觀測到覆巖導水裂隙帶的馬鞍形頂部最大值。

5 結語

一些礦山開采作業中，常常會面臨薄基層厚松散層的工作面情況，由于其工作面條件相對復雜，在實際的開采作業過程中，必須要進行裂隙發育規律的分析與掌握，并做好相應的現場探測工作，全面根據分析與探測結果來制定完善的開采作業方案，提高開采的安全性與高效性。