深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂隙帶發育高度探查分析?

呂廣羅楊 磊田剛軍張 勇呂品田陳永波

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西省西安市,710021; 2.陜西省一八六煤田地質有限公司,陜西省西安市,710065)

深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂隙帶發育高度探查分析?

呂廣羅1,2楊 磊2田剛軍2張 勇2呂品田2陳永波2

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西省西安市,710021; 2.陜西省一八六煤田地質有限公司,陜西省西安市,710065)

以崔木煤礦為試驗基地,采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測及井下窺視,對深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂隙帶發育高度進行探查,并對9例探查結果進行多元回歸分析.探查分析表明導水裂隙帶高度與煤層采厚、工作面寬度、開采深度密切相關,據此求得了裂高預測的多元回歸公式,進行導水裂隙帶發育高度計算,并與現行《規程》、《規范》及相關文獻中相應經驗公式進行對比分析,表明回歸公式具有更好的適用性.

特厚深埋煤層 綜放開采 導水裂隙帶 高度計算 多元回歸

關于綜放開采條件下導水裂隙帶發育高度的探查與研究,高延法等運用雙端堵水儀在井下觀測龍口煤礦海下采煤導水裂縫帶高度,于師健等運用視電阻率法進行了冒裂帶高度預測,康永華等對比了鉆孔沖洗液法、聲速法和超聲成像法在導水裂縫帶高度預測方面的優缺點,馬亞杰等提出工作面傾向長度和埋深對裂高影響較大,陳凱等運用趨勢面分析對導水裂隙帶高度進行預測,胡小娟等收集了魯西南及鄰近地區綜采導水裂隙帶高度實例,分析影響導水裂隙帶發育高度的幾種常見因素,并研究導水裂隙帶發育高度與多種影響因素之間的關系式,預計導水裂隙帶高度.以上探查與研究工作,主要基于我國東部礦區開采實踐,且煤層開采深度較淺而采厚不大,對于廣泛分布于西部地區的深埋特厚煤層,其頂板導水裂隙帶發育特征,缺乏探查與分析.本文以陜西黃隴侏羅紀煤田崔木煤礦作為試驗基地,采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測及井下窺視對深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂隙帶發育高度進行探查,并對井田內及鄰近相似開采技術條件下9例工作面探查結果進行了多元回歸統計.分析導水裂隙帶高度與煤層采厚、工作面寬度、開采深度之間的相關關系,據此求得了裂高計算的多元回歸式,進行導水裂隙帶發育高度計算,并與現行《規程》、《規范》及相關文獻中相應經驗公式進行對比,表明回歸式具有更好的適用性.

1 礦井地質及開采技術條件

1.1 礦井地質

崔木煤礦屬于陜西省黃隴侏羅紀煤田永隴礦區麟游區東北端,為掩蓋式煤田,地表溝谷中零星出露有白堊系下統洛河組,其上被新近系及第四系廣泛覆蓋.礦井地層按照由老到新的順序依次為三疊系中統銅川組,侏羅系下統富縣組、中統延安組、直羅組和安定組,白堊系下統宜君組、洛河組,新近系中新統,第四系中上更新統和全新統.礦井地質構造簡單,煤層底板構造形態總體為一東南高西北低的波狀單斜構造,呈EW向展布.主要地層及含(隔)水層水文地質特征如表1所示.

表1 煤層頂板覆巖水文地質特征簡表

侏羅系中統直羅組砂巖含水層、延安組煤層及其頂板砂巖含水層為煤層開采頂板直接充水含水層,但其埋藏深、裂隙不甚發育、補給條件差、富水性弱,井巷充水易于疏排,對煤層開采影響不大.白堊系下統洛河組和宜君組砂礫巖,雖為煤層頂板間接充水含水層,但其厚度大、分布廣、富水性較好,且與區域強含水層相聯,嚴重威脅礦井安全開采.

1.2 開采技術條件

礦井采用立井開拓,產能4.00 Mt/a,服務年限66 a.主采3＃煤層,屬深埋特厚煤層.采用井下單一水平、走向長壁后退式采煤法,綜采放頂煤工藝,全部垮落法管理頂板.

首采21301工作面,走向長度968 m,傾向寬度196 m.煤層底板標高+710～+730 m,埋深540～600 m,傾角為3°～6°,厚度14.75～17.3 m,平均15.86 m.井巷掘進過程中,未揭露明顯斷裂構造;工作面上部無大型地表水體分布.煤層偽頂呈孤立島狀零星分布,厚度0.22～1.04 m,一般0.5 m,為炭質泥巖、泥巖,局部地段煤層直接與砂巖老頂接觸,直接頂砂泥巖則普遍發育.偽頂厚度薄,穩定性差,隨著煤層開采而冒落,屬不穩定巖體;直接頂砂泥巖呈互層狀產出,屬穩定性較差的巖體;老頂砂巖一般為中等穩定巖體.頂板覆巖總體中等堅硬.

21301工作面正常涌水量40 m3/h,充水水源主要為3＃煤層頂板砂巖裂隙水.回采期間,累計出現頂板離層蓄水涌突水11次,最大突水強度1300 m3/h,累計突水量202577.8 m3,對工作面安全生產造成了嚴重危害.為查明頂板充水通道和涌突機理,制定切實可靠的防治水方案,必須開展導水裂隙帶發育高度探查和分析研究.

2 導水裂隙帶高度探查

為查明導水裂隙帶發育特征,在崔木煤礦21301、21303和21305等工作面開展導水裂隙帶發育高度探查.現以21301工作面為例,簡述觀測方法與結果,并結合鄰近工作面實測情況,對觀測結果評價匯總,以便進一步分析研究.

2.1 探查方法

在21301工作面布置觀測孔,于工作面推過后7個月開始施工,對應的孔口標高1238.22 m,煤層底板標高685 m,煤層埋深553.22 m,煤層開采厚度12 m,終孔位置為3＃煤層頂板,孔深431.62 m.采用鉆孔沖洗液漏失量觀測法和井下窺視法對煤層頂板導水裂隙帶發育特征進行探查.

鉆孔沖洗液漏失量觀測法.通過探測鉆孔巖芯完整性、沖洗液消耗量、鉆孔水位等異常情況,綜合判定導水裂隙帶發育特征;實施中嚴格執行《導水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》(MT/T 865-2000).

井下窺視法是把一自帶光源的防水攝像探頭放入地下鉆孔中,探測覆巖受采動影響巖體裂縫發育特征.選用GD3Q-A/B型鉆孔全孔壁成像系統儀器.

2.2 沖洗液漏失量觀測法確定導水裂隙帶高度

鉆孔沖洗液漏失量及水位觀測表明孔深188 m以下,消耗量明顯增大,表征進入覆巖離層發育帶;孔深302 m以后,沖洗液全部漏失.在孔深188～302.75 m段,水位從深86.2 m突降至深124.5 m,在后續施工中,孔內水位持續大幅下降.因此,將孔深302.75 m定為導水裂隙帶頂界,由此確定的導水裂隙帶發育高度238.67 m,約為采厚的19.89倍.

2.3 井下窺視法確定導水裂隙帶高度

井下窺視共觀測到裂隙76組,其中孔深202.65～288.08 m以水平～近水平裂隙為主,對應的位置應為離層帶;301.86 m以深基本以垂直裂隙為主,且從301.86 m開始,裂隙數目逐漸增加,規模不斷增大,并出現部分孔段塌孔現象,可認為301.86 m為導水裂隙帶的頂界.故井下窺視觀測得到的離層帶高度為85.43 m;導水裂隙帶發育高度239.56 m,約為采厚的19.96倍.

2.4 導水裂隙帶高度觀測結果評價與匯總

以上探查結果表明:導水裂隙帶已發育至洛河組含水層,兩種方法觀測的導水裂隙帶高度基本一致,可取其平均值作為21301工作面導水裂隙帶發育高度,其值為239.12 m,裂高采厚比為19.93,裂隙帶之上的離層帶高度為85.43 m.

運用同樣的觀測方法,在崔木煤礦21303、21305工作面及彬長礦區下溝煤礦ZF2801、2802等工作面開展的導水裂隙帶發育高度探查,綜放工作面導水裂隙帶高度實測結果見表2.

表2 綜放工作面導水裂隙帶高度實測結果

3 導水裂隙帶高度探查結果分析

3.1 導水裂隙帶高度主要影響因素

據以往研究成果,影響導水裂縫帶發育高度的因素有許多,其中有的影響程度可定量描述,有些只能定性說明.這些因素主要包括覆巖的巖性、巖體結構及其組合特征、煤層開采條件、采煤方法和頂板管理方法、煤層傾角、開采面積、地質構造、時間因素以及重復采動等.考慮到綜放開采的工藝特征、礦井地質及開采技術條件,本文所確定的導水裂隙帶發育高度主要影響因素為煤層開采厚度、工作面寬度和煤層開采深度.

3.2 導水裂隙帶高度探查結果分析

3.2.1 方法原理

基于前述導水裂隙帶發育高度主要影響因素的認識,為定量分析各因素的影響程度,可采用多元線性回歸分析法,對導水裂隙帶發育高度探查結果進行分析.多元線性回歸分析也稱復線性回歸分析,它是一元線性回歸分析或簡單線性回歸分析的推廣,它研究的是一組自變量如何直接影響一個因變量.本文確定的自變量為采厚、面寬和采深,導水裂隙帶高度為研究的因變量.

3.2.2 數據來源

根據前述導水裂隙帶發育高度主要影響因素,所采集的崔木煤礦及其鄰近礦井工作面實測導水裂隙帶高度、煤層開采厚度、工作面寬度和煤層開采深度等見表2.

3.2.3 分析結果

運用Excel數據分析中的多元回歸分析工具,對表2中實測裂高與采厚、面寬和采深進行分析.

Excel數據分析結果顯示復相關系數R＝0.963714,復測定系數R2＝0.928745,標準誤差為16.86694.復相關系數的取值范圍為0≤R≤1,R越接近1表明回歸模型擬合程度越好,根據Excel輸出的回歸公式的復相關系數達到了0.96以上,表明該預測模型是極顯著的,具有統計學意義.

Excel數據分析輸出結果統計量F＝21.72347、差異性顯著檢驗值Fα＝0.00269,自變量顯著性P值分別為0.001619、0.04631、0.065854.

根據Excel數據分析輸出結果,得到回歸算式:

式中:Hf——導水裂隙帶高度,m;

M——煤層開采厚度,m;L——工作面寬度,m;

H——煤層開采深度,m.回歸統計、方差分析表明回歸公式適當.可以認為導水裂隙帶發育高度和3個影響因素之間有明顯的線性關系.因此,回歸公式可以用于預測導水裂隙帶發育高度的計算.

3.3 結果評價

關于綜放開采條件下導水裂隙帶高度計算,對于中等堅硬覆巖,目前《規程》、《規范》和相關文獻中主要采用的經驗式:

運用式(2)～(6)及本次求得的回歸式(1),對表2中各工作面不同開采狀況下導水裂隙帶高度進行計算,并將計算裂高與實測值對比分析,結果見表3.

表3 導水裂隙帶高度計算結果統計

回歸公式(1)預計的導水裂隙帶高度與實測值的誤差為-11.17%～18.59%,多數情況下誤差小于5%,算式的實際適用性較好.

三下采煤規程推薦的計算公式(2)預計的導水裂隙帶高度與實測值的誤差為-59.52%～-79.12%,預計的裂高均小于實測裂高值,說明規程推薦的公式不適用于預計綜放開采工作面的導水裂隙帶高度.

式(3)預計的導水裂隙帶高度與實測值的誤差為-16.78%～-52.38%,預計的裂高同樣均小于實測裂高值.

式(4)預計的導水裂隙帶高度與實測值的誤差為-38.08%～10.13%,當工作面寬度小于120 m,采深小于480 m時,預算與實測裂高誤差為-10.60%～10.13%,公式具有一定的適用性.

式(5)預測的導水裂隙帶高度與實測值的誤差為-8.66%～65.26%,當工作面寬度為150～200 m,采深大于500 m時,預算與實測裂高誤差為-4.86%～4.32%,公式的適用性較好.

國標規范公式(6)預計的導水裂隙帶高度與實測值的誤差為-39.38%～10.82%,當工作面寬度小于120 m,采深小于480 m時,預算與實測裂高誤差為-6.45%～10.82%,公式具有一定的適用性.

綜上所述,回歸分析計算的導水裂隙帶發育高度值更接近于實測結果.回歸公式計算深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂隙帶發育高度具有更好的適用性.

4 結論

(1)通過地面鉆孔沖洗液漏失量觀測及井下窺視,得到崔木煤礦深埋特厚煤層綜放開采條件下頂板導水裂隙帶發育高度為238.67～239.56 m,平均239.12 m;裂隙帶高度與煤層采厚之比為19.89～19.96,平均19.93.

(2)井下窺視圖像和觀測數據顯示,垂直裂隙主要發育在導水裂隙帶頂點以下區域,裂隙數量自上而下逐漸增多;水平裂隙主要發育在導水裂隙帶定點以上,發育范圍為202.65～288.08 m,導水裂隙帶之上離層帶的高度為85.43 m.

(3)以崔木煤礦及其周圍鄰近礦井實測資料為基礎,運用多元回歸方法分析表明,導水裂隙帶高度與煤層采厚、工作面寬度、開采深度密切相關,并求得裂高的相關方程,可作為導水裂隙帶發育高度計算的多元回歸公式.

(4)對現行規程、規范及文獻中綜放開采導水裂隙帶發育高度計算經驗公式適用性分析表明,多元回歸公式預算深埋特厚煤層綜放開采條件下導水裂隙帶發育高度具有更好的適用性.

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Detection and analysis of height of water flowing fractured zone in roof of fully mechanized caving face in deep and extra thick seam

Lv Guangluo1,2,Yang Lei2,Tian Gangjun2,Zhang Yong2,Lv Pintian2,Chen Yongbo2
(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources,Xi＇an,Shaanxi 710021,China; 2.Team 186 of Shaanxi Coal Geology Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi 710065,China)

The height of water flowing fractured zone in roof of a fully mechanized caving face in deep and extra thick seam was detected by observing the seepage loss of flushing fluid in surface borehole and downhole peep in test site,Cuimu Coal Mine,and the multivariate regression analysis of 9 group detection results was carried out.The results showed that the height of water flowing fractured zone was closely related to mining height,working face length and mining depth,by which the multivariate regression formula for the height detection of water flowing fractured zone was obtained,its better applicability was proved through contrastive analysis with empirical formulas of the Regulation,Standard and pertinent literature.

deep and extra thick seam,fully mechanized caving face,water flowing fractured zone,height calculation,multivariate regression

TD821

A

呂廣羅(1963-),男,陜西省禮泉縣人,高級工程師,從事水文地質與工程地質工作。

(責任編輯 張毅玲)

陜西省工業科技攻關項目(2016GY-172),國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室自主重點項目(ZZ2013-2)