巨厚松散層下導水裂隙帶高度預測試驗探究?

張安斌趙 健張 鵬王立杰

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083; 2.唐山三友礦山有限公司,河北省唐山市,063101)

?

巨厚松散層下導水裂隙帶高度預測試驗探究?

張安斌1趙 健1張 鵬1王立杰2

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083; 2.唐山三友礦山有限公司,河北省唐山市,063101)

摘 要為了研究巨厚松散層下開采覆巖運移規律及導水裂隙帶發育高度,選取謝橋礦1202(1)工作面為試驗對象,采用經驗公式預測、物理相似模擬試驗和UDEC數值模擬分析三種方法進行了綜合探究。研究結果表明:物理相似模擬和UDEC數值模擬能夠反演上覆巖層垮落過程,且與“三下”規程計算公式得到的導水裂隙帶高度具有較好的一致性,其范圍為37.75～42.25 m;上覆巨厚松散層下冒落帶和裂隙帶能夠明顯的劃分出來,且導水裂隙帶范圍呈“不對稱梯形”狀;結合巖層水體采動等級的劃分,可適當提高1202(1)工作面的開采上限,提高資源回收率和經濟效益。

關鍵詞巨厚松散層 導水裂隙帶 經驗公式 相似模擬 UDEC數值模擬

Experimental study on height prediction of water conducted zone under extremely thick unconsolidated layer

Zhang Anbin1,Zhao Jian1,Zhang Peng1,Wang Lijie2
(1.College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Tangshan Sanyou Mine Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063101,China)

Abstract In order to study the movement rule of overlying strata and the height of water conducted zone under extremely thick unconsolidated layers,No.1202(1)working face of Xieqiao Mine was chose as test subject,and empirical formula calculation,physical similar simulation test and numerical simulation with UDEC were adopted to conduct comprehensive investigation.The results showed that physical similar simulation and numerical simulation could inverse the overlying strata collapse process,and the two methods had good consistency with formula of＂mining under buildings,railways and water-bodies＂regulation in calculating the height of water conducted zone,which was 37.75～42.25 m.Under extremely thick unconsolidated layers the caving zone and fractured zone divided obviously,and the water conducted zone was an asymmetric trapezoid.According to the grading of rock strata water mining,the upper mining limit of the No.1202(1)working face could be enlarged,which would increase the resources recovery and economic benefits.

Key words extremely thick unconsolidated layer,water conducted zone,empirical formula,similar simulation,UDEC numerical simulation

煤層采出后,采空區周圍原有應力失去平衡而重新分布,繼而上覆巖層會出現變形、移動、破斷的現象,從而生成采動裂隙.根據上覆巖層的移動變形程度,可將其分為“三帶”,即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶.裂隙帶裂隙包括垂直和斜交于巖層的新生張裂隙和沿層面的離層裂隙,是主要的導水和儲水通道.垮落帶和裂隙帶合稱“兩帶”,又稱導水裂隙帶,意指位于兩帶范圍內的上覆巖層含水層巖體水將會通過巖體破斷裂隙流入采空區和回采工作面.研究上覆巖層導水裂隙帶的發育情況并確定其高度值,不僅是礦井防治水工作和水體下采煤的關鍵,也是瓦斯抽采利用和防治技術的基礎,對礦井合理設計、提高開采上限、優化經濟效益等具有重要意義.

針對導水裂隙帶高度發育及其預測的方法理論和研究已取得很大的發展,特別是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱“三下”規程)結合大量實例歸結了各種條件下的高度計算公式,FLAC、UDEC和RFPA等大型軟件被運用于構造二維或三維模型進行數值模擬預測,且通過現場探測中電磁法或鉆孔電視技術的實施得到了較好的驗證,并以此來指導實際生產.但導水裂隙帶高度受到上覆巖層結構和性質、煤層采高、頂板管理方式、地質構造等因素影響,其影響程度因實際開采條件表現出明顯的差異性和復雜性.眾多研究中對上覆巨厚松散層薄基巖開采下的巖層運移規律研究甚少,對現有的經驗公式估算導水裂隙帶發育高度的適用性存在疑問.

本文選取謝橋煤礦1202(1)工作面為試驗研究對象,依據該工作面水文地質條件及上覆巖層的結構情況,采用理論分析、相似模擬和數值分析的實驗方法,研究上覆巨厚松散層在采動影響下的運移規律和導水裂隙帶高度的發育情況,以期為實際礦井的安全高效生產提供技術與理論支持.

1　工程概況

謝橋礦1202(1)工作面位于西一采區11－2煤層零階段,走向長度為1064.9 m,傾斜長度為112 m,煤厚1.4～3.6 m,平均為2.6 m;煤層傾角為12°～16°,平均為13.7°;該工作面對應地面標高為＋22.6～＋27.2 m,工作面標高為－433.5～－389.7 m.采用綜合機械化開采,采空區頂板采用全部跨落法管理.根據工作面附近鉆孔資料統計,1202(1)工作面頂底板情況見圖1,其中煤層老頂局部裂隙發育區域賦存砂巖裂隙水,但以靜儲量為主,無水源補給.

圖1　工作面綜合柱狀圖

1202(1)工作面上方是第四紀以來所沉積成層、尚未固結硬化成巖的疏散沉積物,有松散性與半流動性、高孔隙度和顆粒相似性,厚度達373.4～388.4 m,平均為380.9 m,屬巨厚松散層.松散層從上向下分為上部含水層、上部隔水層、中部含水層、中部隔水層及底部紅層五個部分,底部紅層不含水,為一隔水層,具體特征如表1所示.其中,對工作面回采可能造成影響的是中部含水層下段.

表1　部分松散層中含、隔水層特征

2　導水裂隙帶高度理論預計

2.1“三下”規程公式

考慮到謝橋礦1202(1)工作面覆巖主要由砂巖和泥質砂巖構成,屬于中硬巖層,因此根據“三下”規程進行工作面開采之后導水裂隙帶高度預計為:

式中:H——導水裂隙帶高度,m;

∑M——煤層累計采厚,m.將1202(1)工作面實際采厚∑M＝2.6 m帶入式(1)、式(2)中分別得H為27.91～39.11 m和42.25 m.

2.2謝橋經驗公式

淮南謝橋礦自建礦以來,對開采覆巖破壞與導水裂隙帶高度進行了大量的實測和理論研究,結合大量實例也總結了適合該礦的計算頂板導水裂隙帶高度的經驗公式:

式中:Y——中硬巖層條件下的裂高采厚比;

x——防水煤巖柱高度.

1202(1)工作面防水煤巖柱高度x＝60.9 m,帶入式(4)和式(3)得到裂高采厚比Y＝7.33,H＝19.07 m.

3　導水裂隙帶高度相似模擬試驗

為進一步驗證“三下”規程和謝橋礦經驗公式對1202(1)工作面頂板導水裂隙帶高度預計的可靠性,本文進行了相似模擬試驗.

3.1試驗設計

本次試驗以謝橋礦11－2煤層賦存條件作為原始條件進行相似模擬.由于存在13.7°的煤層傾角,因此推進方向選擇平行于煤層傾向,采用1800 mm×160 mm×1100 mm的二維模型試驗支架.由相似理論確定各相似比:幾何相似比αL為100∶1,容重相似比αγ為1.6∶1,時間相似比,強度、彈性模量和內聚力相似比αc＝αE＝αγαL＝160∶1.

相似材料模型模擬110 m的頂板巖層,剩余310 m的高度采用模擬加壓來產生壓力,上覆巖層平均容重γ為1.125×103kg/m3,計算得到加載壓力F為6277.5 N.相似實驗的模擬材料主要以細沙為骨料,石灰與石膏作為膠結料,云母作為分層材料.根據實際巖層計算模型材料物理力學參數,并選定材料的合理配比,詳見表2.

試驗過程通過電子經緯儀測量布置在模型上的位移測點的坐標變化,同時采用數碼高清拍照和鋼尺實測觀察上覆巖層運移規律及導水裂隙帶的發育情況.位移測點沿煤層上方共布設了9層,采用10 cm×10 cm的網格式布置,將每列測點歸為一組,依次標號1～15組,其布置情況及開采前的模型試驗臺如圖2所示.

表2　相似模型材料配比計算

圖2　相似模型及位移測點布置

3.2實驗過程與結果

嚴格按照時間和幾何相似比,從運輸巷標高－426 m處沿煤層傾向方向開挖,每步開采5 m,采高為2.6 m,直至原設計方案設定標高－400 m處停采,達到充分采動,上覆巖層變形趨于穩定.推進過程中實時觀測并記錄上覆巖層垮落及變形規律,其移動破壞過程如圖3所示.

當推進到35 m時,直接頂開始出現大面積冒落,但整齊排列,老頂懸露,老頂之上巖層并未出現任何變形,如圖3(a)所示.由35 m推進到50 m過程中,直接頂隨采隨冒,老頂開始出現離層;當推進到55 m時,老頂達到垮落極限,出現大面積冒落,破碎紊亂,形成初次來壓,上覆巖層中僅有一層出現離層,如圖3(b)所示;由55 m推進到70 m期間,緊鄰上覆巖層出現離層且有垂直于層面的裂隙,屬于典型的裂隙帶特征.當推進到75 m時,較厚巖層冒落標志著老頂第二次周期垮落,形成如圖3(c)所示的破壞形態,其中在裂隙帶中,中部出現大面積的垂直于層面的裂縫和斷開,是上下層之間導水的良好通道(圖中的短白線),此時通過鋼尺測得導水裂隙帶的高度為18.75 m,并呈不明顯的“梯形”分布.在此后繼續推進的20 m期間,隨著老頂的再次周期垮落,以及上覆巖層的彎曲、下沉和斷裂,裂隙帶逐漸向上擴展,層與層之間的離層趨于明顯且數量增多,和垂直于層面的裂縫能夠較好的貫通.至－400 m標高的開采上限時,停止推進,待巖層變形穩定后,最終破壞形態如圖3(d)所示,此時劃分好“兩帶”區域.其中冒落帶由小塊不規則冒落轉向大塊規則冒落,但仍具有透水性能;導水裂隙帶范圍逐漸呈現不對稱的梯形狀,再次測量得到導水裂隙帶高度為38.85 m.

為進一步探究上覆巖層變形規律,取圖3(d)中導水裂隙帶兩端的3、8組和中部的5、6組測點,繪制最后變形狀態下的豎直位移曲線,如圖4所示.

圖3　相似模擬覆巖垮落破壞過程

圖4　部分測點的豎直位移曲線

從圖4可以看出,在導水裂隙帶內,由于自重導致中部(第5、6組)巖層隨垮落帶巖塊冒落堆積,豎直位移量較大,而兩端(第3、8組)巖層由于采區的邊界煤柱的支撐作用,傳遞水平力,發生豎直位移相對較小,符合“砌體梁”結構.單看第8組測點豎直位移曲線,在－390～－360 m標高之間,巖層位移量均在0.5 mm上下浮動,在－360 m標高之上位移量減到0.2 mm以下,巖層基本保持原有整體性和層狀結構,屬于彎曲下稱帶,但在圖3中表現不明顯.再次表明－360 m處可能是分界線,與上述模型測得38.85 mm保持一致.

4　導水裂隙帶高度數值模擬試驗

為了提高導水裂隙帶高度判斷的準確性,彌補單一方法帶來的局限性,結合實驗目的與數值軟件的特點,選用離散元分析軟件UDEC對1202(1)工作面進行覆巖運移規律的數值模擬研究,實時反演上覆巖層垮落的漸進過程,使其結果更加準確合理.

4.1模型建立

依據1202(1)工作面地質情況,將上覆巖性相似、力學性質接近和厚度較小的巖層合并重組,建立二維的UDEC數值模型,長150 m,高100 m,如圖5所示.其中煤層傾角仍為13.7°,含煤層共簡化為12個不同的巖層,所選巖石力學參數如表3所示.對于模型選用摩爾－庫倫本構關系,左右兩邊及底邊均選為固定邊界條件,即邊界水平位移和垂直位移為零,頂邊為自由邊界條件,且施加剩余上覆松散層的載荷.為消除邊界效應,在工作面開挖時兩端各設置了30 m的邊界.

圖5　1202(1)工作面覆巖運移規律數值分析模型

4.2數值模擬結果及其分析

限于篇幅,選取了幾組典型的覆巖垮落形態,構成覆巖破壞的演化和導水裂隙帶的孕育,如圖6所示.其中,沿傾向開挖15 m時,直接頂開始垮落,老頂隨即出現離層,呈拱形懸露,如圖6(a)所示.隨著推進距離的加大,直接頂完全垮落,在開挖30 m時,老頂首次冒落形成初次來壓,這與相似模擬的初次來壓步距55 m有差別;此時由于重力老頂細砂巖層下層產生沿層離裂開的和斜交于巖層的裂隙,均有利于地下水的導通,并隨著推進長度的增加逐漸向上方擴展,如圖6(b)所示.當開挖長度到65 m時,裂隙帶向上迅速擴展至中砂巖層,見圖6(c),但由于此巖層的厚度、密度和彈性模量等均較其他巖層偏大,可作為一關鍵層,對裂隙帶向上擴展起到阻礙的作用,此時的導水裂隙帶高度約為25.38 m;導水裂隙帶的范圍逐漸由對稱梯形演化為下垮落角稍小的不對稱梯形.繼續開挖至設定的停采標高－400 m,裂隙帶越過關鍵層,其擴展速度顯著降低,并最終形成圖6 (d)所示的形態,由于傾角的存在和巖塊的滑移,不對稱梯形表現得更為明顯,此時檢測到導水裂隙帶的高度擴展到37.75 m.

表3　煤與巖石的物理力學參數

5　結果分析

根據謝橋經驗公式、“三下”規程公式一、“三下”規程公式二、相似模擬和數值模擬方法計算的導水裂隙帶高度分別為19.07 m、39.11 m、42.25 m、38.85 m和37.75 m,其中安全“三下”規程計算公式二取較大值.對比發現,“三下”規程兩個計算公式、相似模擬和數值模擬預測所得導水裂隙帶發育高度值一致性較強,可推測謝橋煤礦1202(1)工作面上覆巨厚松散層垮落導水裂隙帶高度范圍為37.75～42.25 m.而謝橋經驗公式所得19.07 m與其他方法差值較大,說明隨著開采深度的增加,已經不再適用,需要進一步歸納總結.

依據上述導水裂隙帶高度的預測范圍和表1所列含、隔水層的高度可知,導水裂隙帶可能波及到中部含水層下段,但根據“三下”規程中劃分的水體采動等級可歸屬為Ⅲ類,即在該類含水層下回采允許導水裂隙帶進入松散弱含水層,同時允許垮落帶波及該弱含水層.因此,－400 m的開采界限設定是安全的,但相對保守.簽于此水體下采動等級的劃分,以及留設的大尺度防水煤柱,充分考慮紅層的隔水性,可適當提高開采上限,解放呆滯煤量,增加效益.

圖6　UDEC模擬覆巖垮落演化過程

6　結論

(1)針對謝橋礦1201(1)工作面上覆巨厚松散層,“三下”規程公式、相似模擬和數值模擬三種方法所預測的導水裂隙帶高度具有較好的一致性,其范圍為37.75～42.25 m.而謝橋礦經驗公式已經不再適用.

(2)相似模擬和數值模擬能夠反演上覆巖層垮落破壞的過程.上覆巨厚松散層下冒落帶和裂隙帶能夠明顯地劃分出來,而彎曲下沉帶卻不明顯;且由于煤層傾角的存在,導水裂隙帶發育逐漸由對稱梯形變化為不對稱梯形.

(3)依據導水裂隙帶高度預測范圍和水體采動等級的劃分,結合設定的保守開采界限以及上部紅層的隔水性,為實際工程提供技術支持,即可適當提高1202(1)工作面的開采上限,延長服務年限,解放呆滯煤量,提高資源回收率,增加效益.

參考文獻:

[1]李猛,吳曉剛,姜海強等.基于充實率控制的導水裂隙帶發育高度研究[J].中國煤炭,2014(1)

[2]張勇,張保,李立等.急傾斜綜放開采頂板裂隙發育規律對瓦斯抽采影響研究[J].采礦與安全工程學報,2014(5)

[3]唐鑫,姜振泉,曹丁濤等.厚煤層分層開采導水斷裂帶發育高度的確定[J].礦業安全與環保,2014 (6)

[4]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].北京:煤炭工業出版社,2000

[5]許家林,朱衛兵,王曉陣.基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度預計方法[J].煤炭學報,2013(5)

[6]欒元重,李靜濤,班訓海等.近距煤層開采覆巖導水裂隙帶高度觀測研究[J].采礦與安全工程學報,2010(1)

[7]田玉新,孫如華,李帥.導水裂隙帶高度確定方法研究[J].中國煤炭,2013(9)

[8]劉英鋒,王世東,王曉蕾.埋深特厚煤層綜放開采覆巖導水裂隙帶發育特征[J].煤炭學報,2014(10)[9]張世青,魏春臣,郁志偉等.近水平煤層綜放開采導水裂隙帶高度研究[J].煤炭工程,2014(11)

[10]李文增,李岐,馬群.采動影響下覆巖破壞動態發展過程的數值模擬[J].金屬礦山,2012(9)

[11]呂霽,孫世國.特厚煤層綜放開采上覆巖層導水裂隙帶高度研究[J].中國煤炭,2010(1)

(責任編輯 郭東芝)

★煤炭科技·開拓與開采★

作者簡介:張安斌(1989－),男,河北邯鄲人,碩士研究生,主要從事采礦工程與巖石力學的研究。

基金項目:?教育部高校博士學科專項科研基金項目(20120023110023),中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2014QZ03)

中圖分類號TD325 TD74

文獻標識碼A