深埋緩傾斜雙煤層開采導水斷裂帶發育規律研究

2022-03-24 15:43:32侯恩科龍天文魏啟明馬進勇

煤礦安全 2022年3期

侯恩科，劉博，龍天文，徐維，魏啟明，馬進勇

（1．西安科技大學地質與環境學院，陜西西安 710054；2．華北科技學院安全工程學院，河北廊坊 065201；3．國家能源集團寧夏煤業公司石槽村煤礦，寧夏靈武 751400）

隨著采煤技術的不斷進步，多煤層開采已逐漸成熟。下伏煤開采導水斷裂帶可能導通上覆煤層采空區，或重復采動導致上覆煤層導水斷裂帶再次發育，進而導通上部含水層，極大地影響礦井生產安全[1]。受煤層間距、采厚和開采方式等多種因素影響，多煤層開采導水斷裂帶發育特征具有不確定性，單一方法確定導水斷裂帶發育高度具有一定的局限性，因此，多種方法綜合確定能夠使其結果更加符合實際情況[2-7]。侯恩科等[8]通過井-地聯合微震監測對深埋煤層導水斷裂帶高度進行了研究，認為斷層降低了覆巖穩定性，增大了導水斷裂帶發育高度；楊玉亮等[9]采用理論分析、相似材料試驗和數值模擬研究了深埋大采高工作面覆巖破斷及裂隙演化規律，認為覆巖裂隙可分為孕育、產生、張開、閉合、壓實5個階段；余學義等[10]采用物理模擬和數值計算模擬方法，分析了不同分層、不同采高和不同開采方式下導水斷裂帶高度發育規律和覆巖移動破壞規律；還有眾多專家學者對深埋煤層開采導水斷裂帶發育規律進行了研究[11-14]，但該類研究都針對于深埋單煤層開采導水斷裂帶研究，未涉及多煤層開采導水斷裂帶發育規律的研究。田成林等[15]通過FLAC3D數值模擬認為多煤層開采導水斷裂帶發育高度影響因素按重要程度依次為采高、間隔層強度和層間距；潘瑞凱等[16]通過建立三維物理相似模型、PFC2D數值模型和理論模型，對雙厚煤層開采后的覆巖裂隙發育規律進行了研究；孫學陽等[17]采用FLAC3D數值模擬手段，討論了多煤層不同開采錯距對覆巖結構關鍵層的影響；還有眾多學者結合不同方法對導水斷裂帶發育規律進行了研究[18-20]，但對深埋多煤層開采導水斷裂帶研究相對較少。基于此，以位于寧東礦區的石槽村煤礦1102211工作面和1102213工作面為研究對象，深埋緩傾斜雙煤層重復采動區，通過井下仰孔導水斷裂帶實測，結合FLAC3D數值模擬和經驗公式法，對研究區導水斷裂帶發育規律進行對比研究，為研究區雙煤層開采條件下礦井水害防治提供參考價值。

1 礦井地質條件及工作面概況

石槽村煤礦位于寧東礦區中部，井田內大部分地區被第四系（Q）風積沙及黃土所覆蓋，僅在井田北部有侏羅系中統安定組（J2a）零星出露，井田南部有侏羅系中統直羅組（J2z）零星出露。地層由老至新依次有：三疊系上統上田組（T3S）、侏羅系中統延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）、新近系（N）和第四系（Q）。1102211工作面鉆孔柱狀如圖1。

圖1 巖層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of strata

以1102211和1102103工作面重復采動區為研究對象，工作面平面布置圖如圖2。

圖2 研究區工作面示意圖Fig.2 Working face sketch map of research area

1102103工作面走向長700 m、傾向長220 m，埋深410~580 m，開采2-1煤層，平均采高1.86 m，采用走向長壁綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。1102211工作面走向長1 528 m，傾向長271 m，埋深430~600 m，開采2-2煤，平均采高3.52 m，開采方法同2-1煤。1102211工作面回采760 m后進入1102103工作面下部。2-2煤層上距2-1煤底板平均11.22 m，2-2煤分布穩定，傾向變化不大，平均傾角14°，直接頂為粉砂巖，局部含炭質泥巖和粗砂巖。

2 導水斷裂帶高度

1102103工作面與1102211工作面層間距11 m，兩工作面上覆巖層為砂巖與泥巖互層，屬中硬巖層。據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》（簡稱“規范”）[21]多煤層重復采動導水斷裂帶的計算有如下規定：下層煤垮落帶接觸或進入上層煤時，上層煤的導水斷裂帶按本層煤的高度計算，下層煤的導水斷裂帶最大高度采用上下煤層的綜合開采厚度計算，取其標高值大者作為2個層煤的導水斷裂帶高度。根據《規范》中硬巖層的公式（1）和公式（2）計算垮落帶高度Hc和斷裂帶高度Hf：

式中：M為采高。

計算結果見表1。

表1《規范》公式預測垮裂帶高度結果Table 1 The results of the formula predicting the height of fracture zone

3 導水斷裂帶發育規律數值模擬

3.1 模型建立

應用FLAC3D軟件，依據石槽村煤礦1102211和1102103工作面地質條件和煤巖層力學參數，建立走向長1 000 m、傾向長470 m、高810 m的數值模擬模型，模型共劃分為30 400個網格，FLAC3D數值模型如圖3。研究區的巖層主要由砂巖、泥巖組成，巖石力學參數見表2。

表2 主要巖層力學參數表Table 2 Mechanical parameters table of main rock stratum for roof and floor

圖3 FLAC3D數值模型Fig.3 FLAC3D numerical model

考慮到邊界效應問題，在模型的走向方向兩側留50 m煤柱，傾向方向兩側分別留100 m煤柱。開挖過程中2個工作面每次開挖50 m，先開挖上組2-1煤，開挖高度1.8 m共開挖8次；再開挖下組2-2煤，開挖高度3.4 m，共開挖16次。計算采用適用于煤礦開采的摩爾－庫侖屈服準則[22]：

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；C為材料的黏聚力；φ為材料的內摩擦角。

3.2 塑性變形結果

根據FLAC3D模擬的巖層塑性變形結果分析覆巖破壞規律。選取2-1煤開采50、200、400 m和2-2煤開采50、450、900 m的塑性變形圖分析，數值模擬結果圖如圖4。圖4結果顯示，隨著工作面的推進，上覆巖層出現下沉、破斷和垮落。

圖4 數值模擬結果圖Fig.4 Numerical simulation result diagram

1）1102103工作面2-1煤推進50 m時，未在模型頂板位置觀察出明顯的破裂現象，由于上覆巖層彈性模量較大，具有較強的支撐作用，頂板巖層主要以彎曲下沉為主，裂隙發育高度較小。

2）隨著推采距離的增加，2-1煤上覆基本頂變形逐漸變大，巖層應力變化超過其彈性極限，彎曲下沉量超過變形極限值，巖體開始發生破斷、垮落。2-1煤推進距離為200 m時，采空區上方的覆巖發生整體性沉降，導水斷裂帶高度迅速增高，覆巖裂隙繼續向上發育，最大裂隙尺寸進一步增大，裂隙主要集中在上覆巖層高度12.5 m處。

3）2-1煤推采至400 m，1102103工作面已回采完畢。此時1102103工作面切眼與煤壁處的破壞高度為最大值，采空區上方的裂隙分布形態表現為兩側高中間低的“馬鞍狀”。2-1煤已達到充分采動，最大裂隙尺寸較大，裂隙主要集中在覆巖高度為34 m處以及工作面正上方。

4）1102103工作面2-1煤層回采完畢后繼續模擬1102211工作面2-2煤層回采，當2-2煤層推采至50 m時，煤層回采范圍相對較小，雖煤層頂板的中粒砂巖彈性模量較大，但巖層變形已超過其最大彈性極限，中粒砂巖層和上部粉砂巖層都被破壞，較2-1煤開采50 m時覆巖破壞情況有所不同的主要原因為2-2煤采厚變大，此時最大裂隙主要集中在覆巖高度5.5 m處。

5）2-2煤推采至400 m時，推采距離已占工作面總長度的一半，還未進入1102103工作面采空區下方，剛好位于1102101工作面停采位置處，但此時已對2-1煤停采線位置處覆巖造成破壞。受2-2煤采動影響，2-1煤停采線下部的巖層逐漸垮落，但2-1煤停采線上部巖層沒有受到影響，此時2-2煤開采導致的裂隙集中發育在覆巖高度37.5 m處。

6）2-2煤推采至900 m時，1102211工作面已經回采完畢。1102211工作面切眼與煤壁處覆巖破壞高度最大，2-2煤開采形成的采空區上覆巖層裂隙形態表現為兩側高中間低的“馬鞍狀”，此時2-2煤已達到充分采動。2-2煤在推采至2-1煤層采空區下方時，對2-1煤下部巖層造成破壞，使其整體下沉、垮落，集中發育的裂隙直接導通2-1煤采空區，甚至使采空區上方巖層進一步破壞，使得2-1煤層采空區上覆巖層裂隙進一步發育，最大尺寸裂隙與2-2煤最大裂隙合為一體集中發育。此時復合裂隙集中發育在覆巖高度46 m處。

3.3 導水斷裂帶發育規律

煤層上方斷裂帶隨著工作面推進的發育情況如圖5。

圖5 導水斷裂帶發育高度圖Fig.5 Development height of water flowing fracture zone

從圖5中可以看出，裂隙的發育高度受工作面的推進距離和采厚直接影響，導水斷裂帶的發育隨著煤層的開采以及覆巖的破壞，可以劃分為發生、向上擴展、最大高度、穩定的過程。2-1煤和2-2煤導水斷裂帶發育過程均可分為3個階段：緩增階段、突增階段和穩定階段。采厚較大的2-2煤導水斷裂帶發育速度及高度在3個階段均大于2-1煤導水斷裂帶高度，說明相同地質條件及開采方式下，導水斷裂帶高度受采厚影響較大。

推進距離在50 m時，由于2-1煤1.8 m采厚小于2-2煤3.4 m采厚，在相同開采方式及地質條件下，2-1煤上覆巖層未發生大面積的垮落，導水斷裂帶發育較小，而2-2煤上覆巖層已發生垮落，形成了5.5 m的導水斷裂帶。表明導水斷裂帶在發生過程中受采厚的影響較大；2-1煤與2-2煤回采到200 m之前，導水斷裂帶高度發育緩慢，最大發育高度分別為12.5 m和14 m。說明導水斷裂帶在向上擴展過程中的增大趨勢受采厚影響較小，但導水斷裂帶最大發育高度受采厚影響較大；2-1煤和2-2煤推進距離均大于200 m時，導水斷裂帶高度發生突增。由于覆巖中的厚硬巖層一定程度上支撐著上部巖層，對斷裂帶向上發育具有抑制作用，隨著煤層推進距離增大，厚硬巖層由于懸露跨度過長發生破斷，從而導致導水斷裂帶迅速向上發育。當2-1煤推進到350 m，2-2煤推進至500 m時，斷裂帶高度發育至最大高度并分別逐漸穩定在34 m和41 m處；2-1煤推采至450 m處已完成回采，此時導水斷裂帶繼續穩定在34 m處。2-2煤繼續向前推采，此時2-2煤已進入2-1煤采空區下方，在2-2煤推采完成階段導水斷裂帶發育高度略微增大，最終穩定在46 m處。

4 井下鉆孔實測結果

4.1 井下實測原理與方法

在井下采用仰斜鉆孔導高觀測儀進行導水斷裂帶高度的確定。井下鉆孔導高觀測儀主要由觀測探頭、連接管路與控制臺3部分組成。井下鉆孔實測示意圖如圖6。

圖6 井下仰孔壓水試驗結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of underground uphole water pressure test structure

實測時將探頭送至鉆孔相應位置，通過起脹控制臺使膠囊膨脹到完全封堵鉆孔兩端，通過注水管向探頭注水，并記錄控制臺流量表上的讀數，根據漏失量大小判斷該處裂隙發育程度，判斷導水斷裂帶發育位置[23]。隨推進高度反復探查，得到相應測試層位的漏失量，確定導水斷裂帶頂界之后，計算該處至煤層開采頂面的垂距，即為導水斷裂帶發育高度。

4.2 鉆孔布置

1102103工作面回采時間為2015年11月至2016年8月，1102211工作面回采時間為2018年10月至2019年12月，根據采空區頂板裂隙發育規律，頂板應力已達到穩定狀態，可以進行相關的壓水試驗。為了觀測其頂板“兩帶”發育情況，于2020年6月在該工作面運輸巷距離終采線158 m處設計了D1和D2等孔進行緩傾斜雙煤層開采“兩帶”高度探測，鉆孔施工剖面如圖7。

圖7 鉆孔施工剖面圖Fig.7 Drilling construction profile

4.3 實測結果

1102211工作面頂板觀測孔D1孔和D2孔的注水試驗漏失量曲線如圖8。

圖8 實測壓水流量曲線圖Fig.8 Measured pressure water flow curves

D1孔主要探查導水斷裂帶發育高度。將探頭推進到相對1102211工作面垂距為8.8 m（鉆孔斜長為16.2 m）的完整煤柱段測定膠囊密閉性良好，此時壓水流量為28.3 L/min，則以此壓水流量為判斷導水斷裂帶的標準，壓水流量大于此值為冒裂帶，壓水流量小于或等于此值則為完整巖層。鉆孔斜長在46.2 m（探頭相對1102211工作面垂距為25.6 m）時，壓水流量已增大至122.53 L/min，判斷此處位于2-1煤垮落帶中；鉆孔斜長為52.2 m（探頭相對1102211工作面垂距為28.5 m）時，注水流量開始大幅度減小，說明隨著垂距變大，巖層裂隙發育程度減小，判斷此垂距已超過垮落帶發育高度，確定垮落帶高度應小于28.5 m，則垮落帶發育高度以25.6 m為準。鉆孔斜長為95.7 m（探頭相對1102211工作面垂距為49.6 m）時，壓水流量減小至28.85 L/min，基本恢復巖層完整段測試流量，而下一測試階段注水流量小于標準注水流量，判斷49.6 m已達導水斷裂帶上限。據此D1孔探查結果為：垮落帶最大發育高度25.6 m，導水斷裂帶最大發育高度49.6 m。

D2孔主要探查垮落帶發育高度。將探頭推進到相對工作面垂距為8.71 m的完整煤柱段，確定D2孔壓水流量以30.54 L/min為判斷導水斷裂帶的標準。D2孔斜長在50.7 m（探頭相對1102211工作面垂距為23.5 m）時，壓水流量增至124.8 L/min，判定此階段位于垮落帶中；斜長為61.2 m（探頭相對1102211工作面垂距為25.1 m）時，注水控制臺的壓力突增，但注水流量和孔口流量變化不大，在下一試驗段的壓水流量表現為明顯下降趨勢，判定該處位于垮落帶頂部，則D2孔探查垮落帶最大高度為25.1 m。鉆孔斜長為89.7 m（探頭相對1102211工作面垂距為35．1 m）時，注水流量為68.33 L/min，仍大于標準壓水流量，判斷該處位于導水斷裂帶區域，D2孔已確定垮落帶高度，所以未繼續鉆探，但可以確定導水斷裂帶高度大于35.1 m。據此，D2孔探查結果為：垮落帶最大發育高度為25.1 m，垮采比為導水斷裂帶發育高度大于35.1 m。

D1孔和D2孔綜合探查結果如圖9。基于“就高不就低”的原則，井下仰孔壓水試驗法對導水斷裂帶發育高度的探查結論為：1102103綜采工作面和1102211綜采工作面重復開采垮落帶發育高度為25.6 m，垮采比為4.92（采高為2層煤綜合采高5.2 m）；導水斷裂帶發育高度為49.6 m，裂采比為9.54（采高為2層煤綜合采高5.2 m）。

圖9 導水斷裂帶實測結果Fig.9 Measured results of water-conducting fault zone

4.4 導水斷裂帶發育高度綜合分析

將《規范》計算數據、井下仰孔實測數據及數值模擬數據按“就高不就低”原則列入表3進行對比分析。石槽村煤礦導水斷裂帶高度對比表見表3。

由表3對比分析可知，《規范》計算結果與實測結果較為吻合，說明《規范》中多煤層開采導水斷裂帶計算公式更適用于石槽村煤礦。FLAC3D數值模擬可以分析導水斷裂帶發育規律，井下仰孔注水試驗探查導水斷裂帶數據可靠，能較為準確掌握“兩帶”發育高度。將井下仰孔注水試驗與FLAC3D數值模擬結合，既能準確掌握“兩帶”發育高度，又能了解導水斷裂帶發育特征及規律，從而可為掌握導水斷裂帶發育高度和規律提供依據。