巨厚古近系含水層下工作面導水裂隙帶高度探查

2023-05-30 09:13:44余志彪趙寶峰李德彬張澤源

煤炭與化工 2023年4期

余志彪，趙寶峰，李德彬，張澤源

（1.寧夏寶豐能源集團股份有限公司，寧夏銀川 750000；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西西安 710177）

0 引言

導水裂隙帶發育高度是確定工作面開采上限、預測涌水量及制定防治水方案等工作的重要依據，也是工作面受頂板水害威脅程度評價的關鍵因素。目前大多學者認為厚煤層、巨厚煤層開采條件下頂板導水裂隙帶發育較高，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的經驗公式僅適用于單層采厚1～3 m、累計采厚不超過15 m 的綜采條件下導水裂隙帶發育高度預計[1]。由于地層巖性的差異性、采煤厚度、回采方式及經驗公式的局限性等，導水裂隙帶實際高度往往與經驗公式計算結果存在較大偏差，對此我國學者針對開采覆巖導水裂隙帶高度進行了大量的研究。許延春[2-3]等基于回歸分析法得到了綜放開采覆巖“兩帶”高度與采厚之間的經驗公式；許家林[4-5]等提出了一種基于關鍵層位置預計覆巖“兩帶”高度的方法；翟志偉等[6]基于FLAC3D 對工作面頂板導水裂隙帶進行了數值模擬；孫慶先等[7]運用地表鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和井下瞬變電磁法物探3 種技術手段對工作面“兩帶”高度進行了探查；楊玉亮[8]等利用理論分析、相似材料模擬和數值模擬對大采高工作面導水裂隙帶進行了探查；盛奉天[9]等采用數據分析的方法研究了彬長礦區內工作面導水裂隙帶高度；康國彪[10]等采用經驗公式、數值模擬和工程類比法分析了大采高工作面導水裂隙帶高度及其影響因素；王振榮[11]等提出了多煤層重復采動條件下導水裂隙帶高度觀測方法；柴華彬[12]等、婁高中[13]等、徐樹媛[14]等分別利用GA-SVR、PSO-BP 神經網絡、RBF 核ε-SVR 分析了導水裂隙帶高度；張建民[15]等提出了采動-爆裂模型的導水裂隙帶高度計算方法；吳鐵衛[16]等采用鉆井液漏失量觀測法、井下鉆孔電視、超聲成像對導水裂隙帶高度進行了探查；姜偉[17]采用數值模擬對工作面導水裂隙帶高度進行了研究。上述研究對于工作面頂板導水裂隙帶高度及發育規律探查具有重要意義，有效指導了頂板水害防控工作。

紅四煤礦是寧夏寶豐能源的主力生產礦井，也是寧東煤化工基地的供煤產地，含煤地層頂板賦存巨厚古近系含水層，厚度為288.50～386.34 m，鉆孔單位涌水量0.072 8～0.153 7 L/（s·m），富水性弱—中等，為了確定巨厚古近系含水層是否為主采煤層5 煤的直接充水水源，需要分析5 煤工作面回采后產生的導水裂隙帶是否能夠波及至古近系含水層。以往紅四煤礦未開展過導水裂隙帶實測工作，由于5 煤工作面采厚超過了3 m，無法采用傳統經驗公式計算導水裂隙帶，故亟需進行導水裂隙帶實測，為后續5 煤工作面開采上限確定、涌水量預測及防治水工程設計提高科學合理的依據。

1 研究區及工作面概況

1.1 研究區概況

寧東煤田紅墩子礦區紅四煤礦位于寧夏回族自治區銀川市東北部，井田南北長約4.8 km，東西寬約5.3 km，井田面積約22.300 5 km2。設計可采儲量194.07 Mt，建設規模為2.4 Mt/a，服務年限為50.5 a。井田可采煤層以薄—中厚煤層為主，共有8 層可采煤層，根據煤層間距可劃分為2 個煤組，2、4、5-1、5-2 煤為上組，8、9-1、9-2、10 煤為下組，其中5-2、9-1、9-2 煤為井田的主采煤層。

1.2 HI0503 工作面概況

HI0503 綜采工作面作為紅四煤礦5 煤的首采工作面，位于井田西翼的南部，開采5-2 煤，傾向長度220 m，走向長度1 006 m，煤層總厚度為3.4～5.4 m，采厚為3.8 m。工作面標高+512.562—+603.706 m，對應地面標高+1 155.44—+1 203.57 m。由于HI0503 工作面埋深超過600 m，采用地面鉆孔探查導水裂隙帶工程量大、投資費用高、實施周期長，擬采用井下鉆孔對工作面導水裂隙帶進行探查。

2 導水裂隙帶發育高度綜合判別

2.1 經驗公式計算

根據資料，5-2 煤層頂板巖石抗壓強度一般在13～38 MPa，屬中硬巖石。HI0503 工作面采厚為3.8 m，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》推薦的導水裂隙帶高度經驗公式不適用于采厚大于3 m 的條件，因此采用《煤礦防治水手冊》（2013 年6 月版）中提供導水裂隙帶高度的經驗公式（1）對HI0503 工作面開采導水裂隙帶發育高度進行初步預計。

式中：M為采厚，m。帶入數據計算得5-2 煤層采后形成導水裂隙帶最大高度為59.79 m，可作為探查鉆孔設計的依據。

2.2 導水裂隙帶高度觀測方案

在H10503 工作面回風巷布置鉆場施工4 個鉆孔，其中1 號和3 號鉆孔為工作面采前對比孔，主要探查工作面覆巖中的原生裂隙；2 號和4 號孔為煤層采后頂板導水裂隙帶高度探測鉆孔。1 號孔工作面停采線向外側煤柱施工，2、3、4 號向采空區施工。2、3、4 號在水平上終孔間距約15 m 左右，盡可能控制導水裂隙帶發育形態，鉆孔垂高為70 m。鉆孔布置剖面如圖1 所示。

圖1 井下鉆孔布置剖面圖Fig.1 The profile of underground drilling hole layout

2.2.1 井下壓水探測法

自2021 年3 月11 日至4 月5 日陸續施工1號、3 號采前探查鉆孔，自2021 年8 月4 日至8月19 日陸續施工2 號、4 號采后探查鉆孔，分別用0.5、1.0、1.5 MPa 的水壓進行井下壓水試驗。統計現場探測數據資料，采前背景孔1 號、3 號鉆孔中，在裂隙相對發育段，當注水水壓為1.5 MPa時，注水量0.2～0.35 L/min；在原生裂隙一般發育段，注水水壓為1.5 MPa 時，注水量0.15～0.2 L/min；在原生裂隙不發育段，注水水壓為1.5 MPa時鉆孔注水量小于0.15 L/min；總體采前鉆孔注水量較小，在最高壓力條件1.5 MPa 下，平均注水量0.15 L/min 左右。統計現場壓水試驗資料，采后2號孔（如圖2a）在工作面采后覆巖裂隙發育區壓水量為采前3 號孔（如圖2b）的2～6 倍，并且采后鉆孔單位時間壓水量柱狀圖呈現成明顯的“單峰”形態。

圖2 2 號、3 號鉆孔不同水壓條件下試驗孔深與壓水量關系Fig.2 The relationship between test hole depth and water pressure under different water pressure conditions in No.2 and No.3 drilling holes

根據工作面采后2 號和4 號鉆孔的現場壓水測試結果，并對比分析1 號孔和3 號鉆孔測試的原始地層天然狀態下注水量，并結合孔斜和地層傾角，確定HI0503 工作面導水裂隙帶發育高度為65.6～67.4 m，詳見表1。

表1 壓水試驗法探查導水裂隙帶結果Table 1 Result of water conduction fracture zone detection by water pressure test

2.2.2 鉆孔彩色電視法

對采后2 號和4 號鉆孔進行了鉆孔窺視，利用鉆孔窺視儀對裂隙進行觀測，推送過程中觀測到裂隙、塌落巖（泥）塊及較完整層段等較為明顯。其中在2 號鉆孔63.33 m 處開始出現巖層破碎，106.88 m 處巖層破碎程度較高，107.86 m 處破壞程度變小僅剩縱向小裂隙，113.31 m 處孔壁完整。在4 號鉆孔62.78 m 處發現巖層破碎、孔徑變大，96.6 m 處次生裂隙明顯，97.47 m 處孔壁完整，無裂隙發育。

鉆孔窺視儀在導水裂隙帶發育區域觀測到的裂隙較為明顯（圖3），可以作為導水裂隙帶高度探查的輔助依據。通過鉆孔窺視得到導水裂隙帶發育高度為66.5～68.1 m，詳見表2。

表2 鉆孔窺視探查導水裂隙帶成果Table 2 Result of water conduction fracture zone detection by drilling peeping

圖3 導水裂隙帶的鉆孔窺視Fig.3 Water conduction fracture zone detection by drilling peeping

2.3 數值模擬計算

基于FLAC3D 建模原理，根據紅四煤礦HI0503 工作面頂底板地質條件，根據402 鉆孔建立數值模型。模型邊界條件為固定數值模型的底部位移與側面位移，采用摩爾-庫侖屈服準則。模型沿Y 方向760 m，Y 方向兩側各留80 m 煤柱，X方向372 m，X 方向兩側各留80 m 煤柱，Z 方向長240 m。

此次模擬開采方案采用走向長壁式采煤方法，全部垮落法管理頂板。首先運行模擬至穩定狀態再開采煤層，推進方向是每次開挖步長20 m，計算循環至巖層穩定，將結果保存；再開挖下一步繼續進行循環，依次向下進行，直到工作面推進600 m計算過程結束。

由于FLAC3D 數值模擬采用有限差分法進行計算分析，采空區圍巖塑性區的分布與覆巖導水裂隙帶的劃分高度具有很好的一致性，因此研究煤層覆巖塑性區的分布，可以直觀地分析上覆各巖層的破壞情況。圖4 是工作面走向開采至600 m 時圍巖塑性區的變化情況，其塑性區范圍達到了65.29 m。

圖4 工作面頂板塑性區分布Fig.4 Distribution of plastic zone on roof of working face

為了深入研究隨著煤層開采覆巖移動形變量，通過分析采場位移量的變化來反映導水裂隙帶發育過程。圖5 為沿工作面走向開采100、200、300、400、500、600 m 垂向位移變化圖。工作面推進至100 m 時，覆巖的移動變形量慢慢增加，采空區上方巖層的位移云圖類似一個“拱”狀，基本上是以采空區中央軸對稱分布，直接頂和老頂的位移量較大，垮落帶高度為18 m，導水裂隙帶發育至為33 m；工作面推進至200 m 時，垮落帶高度為22 m，導水裂隙帶發育至為44 m，覆巖移動變形范圍擴大；工作面推進至300 m 時，隨著開采擾動的不斷增強，“拱”狀范圍逐漸向上發展，“拱”的半徑隨采空區的擴大而增大，垮落帶高度為25.2 m，導水裂隙帶發育至為65.29 m；工作面推進至400、500、600 m 時，垂直移動變形增加量逐漸減小，水平位移甚至有減小趨勢，頂板下沉值達到最大，與采高基本一致，表明達到充分采動狀態，采空區被冒落巖塊壓實，導水裂隙帶高度也不再增加，說明這時導水裂隙帶己發育穩定。

圖5 模型開挖后覆巖垂向位移變化圖Fig.5 The variation of overburden vertical displacement after model excavation

2.4 導水裂隙帶發育高度綜合判別分析

對HI0503 工作面導水裂隙帶進行分析（表3）。通過井下鉆孔壓水試驗、鉆孔窺視和數值模擬綜合確定HI0503 工作面導水裂隙帶發育高度為65.29～68.1 m，大于經驗公式計算值59.79 m。

表3 HI0503 工作面導水裂隙帶高度實測結果Table 3 The measurement results of water conduction fracture zone height of No.HI0503 face

HI0503 工作面距離上覆巨厚古近系含水層平均為95 m，大于工作面開采后導水裂隙帶高度，不會作為工作面的直接充水水源。經過對HI0503工作面開采過程中涌水量的觀測，其涌水量一直穩定在30 m3/h 左右，說明導水裂隙帶未波及至頂板古近系含水層，HI0503 工作面導水裂隙帶探查結果可以作為5 煤工作面防治水工作的依據。