覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的確定方法與實踐

陳道志,楊素改，楊 松

(1.滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司 錦丘煤礦， 山東 滕州市 277500;2.山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司， 山東 曲阜市 273155)

煤層的開采必然會引起采場周圍巖層的變形、破斷和移動等現(xiàn)象，如果存在含水層，并形成導(dǎo)水通道，將會引發(fā)水災(zāi)害。因此，在進(jìn)行水體下壓煤開采時，就必須對煤層采動形成的裂隙是否相互連通以及相互連通的裂隙是否波及到水體等關(guān)鍵問題進(jìn)行深入探討，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障[1-4]。

導(dǎo)水裂隙帶高度受到開采方法、覆巖巖性、時間等諸多因素的綜合影響[5]，其值的確定便是一個復(fù)雜的問題。本文通過數(shù)值模擬計算得出導(dǎo)水裂隙帶高度，并通過現(xiàn)場實測進(jìn)行對比分析，為煤礦安全生產(chǎn)提供一定的保障。

1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的測定方法

1.1 物理模擬和數(shù)值模擬方法

在實驗室內(nèi)，將研究區(qū)域范圍內(nèi)的煤系巖層根據(jù)相似原理用相似材料制成模型，或利用數(shù)值分析軟件建立數(shù)值模型。在滿足相似的初始條件、邊界條件等前提下，“開采”模型中的“煤層”，在相應(yīng)的時間里模擬出相似的礦山壓力和礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象，推斷實際巖層發(fā)生的相應(yīng)情況。

由于物理模擬需要大量相似的物質(zhì)材料及繁瑣的工序，所以數(shù)值模擬顯得更為簡捷實用。通常使用的有離散元法、有限元法、三維快速拉格朗日法等。其中，三維快速拉格朗日法即FLAC3D法是一種基于三維顯示有限差分法的數(shù)值分析方法，它可以模擬巖土的三維力學(xué)特性，分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)等，可以用來模擬采場大變形[6-7]，為受采動影響圍巖變形破壞分析提供了便利。

1.2 理論計算和經(jīng)驗公式法

理論計算法主要是解析法和數(shù)值法，兩者都以固體力學(xué)為基礎(chǔ)；經(jīng)驗公式法是在分析確定了礦區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上，根據(jù)《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》中給出的經(jīng)驗公式來計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

1.3 現(xiàn)場實測法

1.3.1 鉆孔分段注(放)水法

在采煤工作面周圍選擇合適的觀測場所，向采空區(qū)上方打仰斜鉆孔。鉆孔避開冒落帶、斜穿裂縫帶，達(dá)到預(yù)計的裂縫帶頂界后向上延伸一定高度。使用“鉆孔雙端封堵測漏裝置”系統(tǒng)，沿鉆孔分段封堵注水，由注水控制臺控制水壓、風(fēng)壓，讀取注水流量。逐段觀測，直到測出整個鉆孔內(nèi)各段的漏失量。根據(jù)漏失量變化情況確定裂縫帶的上界高度。

該方法具有精度高、工程量少、觀測效果明顯等優(yōu)點，且觀測設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，易于現(xiàn)場應(yīng)用。

1.3.2 鉆孔超聲成像探測法

不同的巖層具有不同的波阻抗，對聲波的反射能力也不同。通過向鉆孔孔壁發(fā)射超聲波脈沖并接收反射波，測量回波幅度和傳播時間，并由計算機處理成聲波幅度、時差圖像。聲波幅度圖像反映孔壁巖性硬度、巖石的結(jié)構(gòu)，聲波時差圖像反映孔徑的大小。圖像顏色由深到淺分為16等級色，代表不同的硬度和孔徑。綜合分析圖像，可以看出裂縫的產(chǎn)狀及被充填的情況，即裂縫的開度或充填物性質(zhì)[8]。

這種方法所獲得的資料比較直觀，同鉆孔沖洗液法相配合，可以很好地揭示巖層破壞特征，判定導(dǎo)水裂縫帶高度。

此外，還有鉆孔沖洗液耗量法[9]、三維地震技術(shù)[10]等實測方法。

2 工程實踐

某礦2702工作面位于-415 m水平，工作面按傾斜長壁布置，該面構(gòu)造形態(tài)整體為一單斜構(gòu)造，工作面煤層走向60°～90°，傾向北西，真傾角3°～10°。煤層平均煤厚1.25 m，厚度穩(wěn)定，煤層可采指數(shù)為1.0，變異系數(shù)為10%。直接頂為泥巖，厚度5～7 m，硬度系數(shù)f=3；直接底為粉砂巖，厚度為1.1～1.2 m，硬度系數(shù)f=3。采用傾斜長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。采用綜合機械化采煤,工作面平均長度為160 m，傾斜長度為788 m,平均采高為1.2 m，循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m。

通過對上述地質(zhì)條件進(jìn)行分析，并考慮到現(xiàn)實情況，決定采用FLAC3D數(shù)值軟件對該面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用鉆孔分段注水法進(jìn)行實測。

2.1 數(shù)值模擬研究

2.1.1 數(shù)值模型的建立

利用FLAC3D軟件對自開切眼至充分采動全過程覆巖隨工作面推進(jìn)時的變形、垮落情況進(jìn)行模擬。模型尺寸為走向方向250 m，鉛直方向100 m，傾向200 m。模型中共有248750個單元，265251個節(jié)點，采空區(qū)部分用空單元模擬。在回采過程中，工作面每推進(jìn)10 m進(jìn)行一次運算，共開挖160 m。計算模型見圖1。

圖1 計算模型

2.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1) 應(yīng)力場分析。工作面推進(jìn)160 m時采場圍巖應(yīng)力云圖見圖2。由圖2可知，受采動影響，重新分布的應(yīng)力場呈拋物線形狀分布，且開切眼和煤壁前方出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 位移分析。由圖3所示的工作面推進(jìn)160 m時上覆巖層垂直位移云圖可見，采空區(qū)覆巖下沉特點表現(xiàn)為：下位巖層比上位巖層下沉值大，越往上，下沉值越小，下位巖層表現(xiàn)為垮落特性，向上依次表現(xiàn)為裂縫帶、彎沉帶；采空區(qū)中部比采空區(qū)邊緣處下沉值大，且下沉量隨與工作面煤柱的距離的減小而減小。

圖2 工作面推進(jìn)160 m時垂直應(yīng)力云圖

圖3 工作面推進(jìn)160 m時垂直位移云圖

用數(shù)值模擬來判斷導(dǎo)水裂隙帶高度的判據(jù)有塑性區(qū)和應(yīng)力兩種。應(yīng)力判據(jù)是通過數(shù)值計算，得出各點的應(yīng)力，根據(jù)該點的應(yīng)力狀態(tài)來判斷其是否破壞[5]。據(jù)此，結(jié)合以上模擬結(jié)果分析，根據(jù)實驗室得出的該礦巖層力學(xué)參數(shù)，以各點應(yīng)力狀態(tài)為判據(jù)，得出該礦覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為18.84 m。

2.2 現(xiàn)場實測

本次現(xiàn)場實測選用鉆孔雙回路注(放)水法來實現(xiàn)?，F(xiàn)場共布置3個孔，其中采前孔一個，傾角70°，采后孔兩個，傾角分別為60°和70°。

2.2.1 鉆孔參數(shù)的確定

根據(jù)2702工作面的圍巖條件及巖石強度分級，確定選用中硬條件下裂隙帶高度的計算公式：

(1)

式中，M為采高，此處為1.2 m，代入(1)式計算得：H=16.1～27.3 m。因此，在考慮富余量的前提下，確定采前孔斜長為37 m，采后孔斜長分別為34 m和37 m。

2.2.2 實測結(jié)果分析

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，得出如圖4、圖5所示的采前孔、采后孔注水漏失量對比結(jié)果。

圖4 采后1#孔與采前孔漏失量對比

圖5 采后2#孔與采前孔漏失量對比

從圖4可以看出：在18.65 m位置處，采后1#孔漏失量曲線與采前孔漏失量曲線相交，當(dāng)垂直深度超過18.65 m時，其漏失量與采前孔的基本一致，說明了采后1#孔的垂直深度18.65 m位置為該處導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。從圖5可以看出：采后2#孔與采前孔漏失量曲線在18.84 m位置處相交，在垂深大于18.84 m時，兩鉆孔漏失量基本吻合，說明了采后2#鉆孔的垂直深度18.84 m位置為該處導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

通過兩個采后孔注水漏失量與采前孔注水漏失量的對比分析，可以確定該礦2702工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為18.84 m。

3 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬，得出某礦2702工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度為18.84 m；通過現(xiàn)場實測，確定該面導(dǎo)水裂隙帶高度為18.84 m，兩者結(jié)果一致,表明數(shù)值模擬結(jié)果可靠，為覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的確定提供了簡單可行的方法。

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