張安斌趙 健張 鵬王立杰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),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(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測試驗探究?

張安斌1趙 健1張 鵬1王立杰2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),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(guī)律及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,選取謝橋礦1202(1)工作面為試驗對象,采用經(jīng)驗公式預(yù)測、物理相似模擬試驗和UDEC數(shù)值模擬分析三種方法進行了綜合探究。研究結(jié)果表明:物理相似模擬和UDEC數(shù)值模擬能夠反演上覆巖層垮落過程,且與“三下”規(guī)程計算公式得到的導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶范圍呈“不對稱梯形”狀;結(jié)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(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞巨厚松散層 導(dǎo)水裂隙帶 經(jīng)驗公式 相似模擬 UDEC數(shù)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(qū)周圍原有應(yīng)力失去平衡而重新分布,繼而上覆巖層會出現(xiàn)變形、移動、破斷的現(xiàn)象,從而生成采動裂隙.根據(jù)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(dǎo)水和儲水通道.垮落帶和裂隙帶合稱“兩帶”,又稱導(dǎo)水裂隙帶,意指位于兩帶范圍內(nèi)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(qū)和回采工作面.研究上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)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(guān)鍵,也是瓦斯抽采利用和防治技術(shù)的基礎(chǔ),對礦井合理設(shè)計、提高開采上限、優(yōu)化經(jīng)濟效益等具有重要意義.

針對導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育及其預(yù)測的方法理論和研究已取得很大的發(fā)展,特別是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱“三下”規(guī)程)結(jié)合大量實例歸結(jié)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(gòu)造二維或三維模型進行數(shù)值模擬預(yù)測,且通過現(xiàn)場探測中電磁法或鉆孔電視技術(shù)的實施得到了較好的驗證,并以此來指導(dǎo)實際生產(chǎn).但導(dǎo)水裂隙帶高度受到上覆巖層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、煤層采高、頂板管理方式、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響,其影響程度因?qū)嶋H開采條件表現(xiàn)出明顯的差異性和復(fù)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(guī)律研究甚少,對現(xiàn)有的經(jīng)驗公式估算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)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(jù)該工作面水文地質(zhì)條件及上覆巖層的結(jié)構(gòu)情況,采用理論分析、相似模擬和數(shù)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(guī)律和導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育情況,以期為實際礦井的安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)與理論支持.

1　工程概況

謝橋礦1202(1)工作面位于西一采區(qū)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(yīng)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(qū)頂板采用全部跨落法管理.根據(jù)工作面附近鉆孔資料統(tǒng)計,1202(1)工作面頂?shù)装迩闆r見圖1,其中煤層老頂局部裂隙發(fā)育區(qū)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(jié)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(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計

2.1“三下”規(guī)程公式

考慮到謝橋礦1202(1)工作面覆巖主要由砂巖和泥質(zhì)砂巖構(gòu)成,屬于中硬巖層,因此根據(jù)“三下”規(guī)程進行工作面開采之后導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計為:

式中:H——導(dǎo)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(jīng)驗公式

淮南謝橋礦自建礦以來,對開采覆巖破壞與導(dǎo)水裂隙帶高度進行了大量的實測和理論研究,結(jié)合大量實例也總結(jié)了適合該礦的計算頂板導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)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(dǎo)水裂隙帶高度相似模擬試驗

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

3.1試驗設(shè)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(nèi)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(chǎn)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(jié)料,云母作為分層材料.根據(jù)實際巖層計算模型材料物理力學(xué)參數(shù),并選定材料的合理配比,詳見表2.

試驗過程通過電子經(jīng)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(shù)碼高清拍照和鋼尺實測觀察上覆巖層運移規(guī)律及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況.位移測點沿煤層上方共布設(shè)了9層,采用10 cm×10 cm的網(wǎng)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(jié)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(shè)計方案設(shè)定標高－400 m處停采,達到充分采動,上覆巖層變形趨于穩(wěn)定.推進過程中實時觀測并記錄上覆巖層垮落及變形規(guī)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(xiàn)大面積冒落,但整齊排列,老頂懸露,老頂之上巖層并未出現(xiàn)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(xiàn)離層;當推進到55 m時,老頂達到垮落極限,出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?shù)诙沃芷诳迓?形成如圖3(c)所示的破壞形態(tài),其中在裂隙帶中,中部出現(xiàn)大面積的垂直于層面的裂縫和斷開,是上下層之間導(dǎo)水的良好通道(圖中的短白線),此時通過鋼尺測得導(dǎo)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(xù)推進的20 m期間,隨著老頂?shù)脑俅沃芷诳迓?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(shù)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(wěn)定后,最終破壞形態(tài)如圖3(d)所示,此時劃分好“兩帶”區(qū)域.其中冒落帶由小塊不規(guī)則冒落轉(zhuǎn)向大塊規(guī)則冒落,但仍具有透水性能;導(dǎo)水裂隙帶范圍逐漸呈現(xiàn)不對稱的梯形狀,再次測量得到導(dǎo)水裂隙帶高度為38.85 m.

為進一步探究上覆巖層變形規(guī)律,取圖3(d)中導(dǎo)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(tài)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(dǎo)水裂隙帶內(nèi),由于自重導(dǎo)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(qū)的邊界煤柱的支撐作用,傳遞水平力,發(fā)生豎直位移相對較小,符合“砌體梁”結(jié)構(gòu).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(jié)構(gòu),屬于彎曲下稱帶,但在圖3中表現(xiàn)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(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬試驗

為了提高導(dǎo)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(jié)合實驗?zāi)康呐c數(shù)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(guī)律的數(shù)值模擬研究,實時反演上覆巖層垮落的漸進過程,使其結(jié)果更加準確合理.

4.1模型建立

依據(jù)1202(1)工作面地質(zhì)情況,將上覆巖性相似、力學(xué)性質(zhì)接近和厚度較小的巖層合并重組,建立二維的UDEC數(shù)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(xué)參數(shù)如表3所示.對于模型選用摩爾－庫倫本構(gòu)關(guān)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(yīng),在工作面開挖時兩端各設(shè)置了30 m的邊界.

圖5　1202(1)工作面覆巖運移規(guī)律數(shù)值分析模型

4.2數(shù)值模擬結(jié)果及其分析

限于篇幅,選取了幾組典型的覆巖垮落形態(tài),構(gòu)成覆巖破壞的演化和導(dǎo)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(xiàn)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(chǎn)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(dǎo)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(guān)鍵層,對裂隙帶向上擴展起到阻礙的作用,此時的導(dǎo)水裂隙帶高度約為25.38 m;導(dǎo)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(xù)開挖至設(shè)定的停采標高－400 m,裂隙帶越過關(guān)鍵層,其擴展速度顯著降低,并最終形成圖6 (d)所示的形態(tài),由于傾角的存在和巖塊的滑移,不對稱梯形表現(xiàn)得更為明顯,此時檢測到導(dǎo)水裂隙帶的高度擴展到37.75 m.

表3　煤與巖石的物理力學(xué)參數(shù)

5　結(jié)果分析

根據(jù)謝橋經(jīng)驗公式、“三下”規(guī)程公式一、“三下”規(guī)程公式二、相似模擬和數(shù)值模擬方法計算的導(dǎo)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(guī)程計算公式二取較大值.對比發(fā)現(xiàn),“三下”規(guī)程兩個計算公式、相似模擬和數(shù)值模擬預(yù)測所得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)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(dǎo)水裂隙帶高度范圍為37.75～42.25 m.而謝橋經(jīng)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(jīng)不再適用,需要進一步歸納總結(jié).

依據(jù)上述導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測范圍和表1所列含、隔水層的高度可知,導(dǎo)水裂隙帶可能波及到中部含水層下段,但根據(jù)“三下”規(guī)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(jié)論

(1)針對謝橋礦1201(1)工作面上覆巨厚松散層,“三下”規(guī)程公式、相似模擬和數(shù)值模擬三種方法所預(yù)測的導(dǎo)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(jīng)驗公式已經(jīng)不再適用.

(2)相似模擬和數(shù)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育逐漸由對稱梯形變化為不對稱梯形.

(3)依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測范圍和水體采動等級的劃分,結(jié)合設(shè)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(shù)支持,即可適當提高1202(1)工作面的開采上限,延長服務(wù)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)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(fā)育規(guī)律對瓦斯抽采影響研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2014(5)

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

[4]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000

[5]許家林,朱衛(wèi)兵,王曉陣.基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法[J].煤炭學(xué)報,2013(5)

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

[7]田玉新,孫如華,李帥.導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征[J].煤炭學(xué)報,2014(10)[9]張世青,魏春臣,郁志偉等.近水平煤層綜放開采導(dǎo)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(tài)發(fā)展過程的數(shù)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(dǎo)水裂隙帶高度研究[J].中國煤炭,2010(1)

(責(zé)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(xué)的研究。

基金項目:?教育部高校博士學(xué)科專項科研基金項目(20120023110023),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014QZ03)

中圖分類號TD325 TD74

文獻標識碼A