深埋薄煤層工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律研究

申琳

摘 要：某礦12101工作面開采12下煤層面臨頂板三灰水威脅，三灰含水層涌水量為弱至中等，但裂隙較發(fā)育，可能會(huì)影響到12101工作面的安全開采。為了研究深部薄煤層工作面導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律，采用鉆孔分段注水法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。結(jié)果表明，12101工作面覆巖導(dǎo)水裂縫帶最大高度為20.02 m，裂采比為16.7，為三灰含水層下安全開采提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深埋薄煤層；三灰含水層；導(dǎo)水裂縫帶；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.008

我國(guó)各礦區(qū)都不同程度地存在著水體下壓煤?jiǎn)栴}。當(dāng)前，煤炭資源日益枯竭，為了延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，解決水體下壓煤?jiǎn)栴}顯得越來越重要。對(duì)于沒有開采經(jīng)驗(yàn)的礦區(qū)，一般采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)特定地質(zhì)條件下覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征進(jìn)行研究。

1 工程概況

某礦12101工作面設(shè)計(jì)開采煤層為12下層煤，由地質(zhì)資料分析和12101工作面三巷道掘進(jìn)揭露的情況可知，該工作面范圍內(nèi)，12下層煤賦存穩(wěn)定，平均埋深750 m，均可開采，平均厚度1.2 m。

12下煤頂板影響到的含水層為太原組三灰，為弱至中等含水層，裂隙較發(fā)育，含水量不大，據(jù)勘探資料分析，補(bǔ)給條件不暢。根據(jù)現(xiàn)有資料可知，12下煤距上覆三灰約51 m，三灰含水層段泥巖厚約5 m，能夠?qū)Φ[巖水起到有效的隔離作用，對(duì)12下煤開采相對(duì)有利。

2 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法分析

12下煤層覆巖主要為泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，覆巖抗壓強(qiáng)度屬中硬～軟弱巖石。參照本區(qū)覆巖巖性和鉆孔測(cè)定成果，12下煤覆巖綜合強(qiáng)度為中硬巖石。

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》和《煤礦防治水規(guī)定》，確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計(jì)算公式如下：

式（1）中：M為累計(jì)采高，取值1.2 m。

代入數(shù)據(jù)得：H=16.1～27.3 m。

2.2 鉆孔分段注水法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了保證礦井安全生產(chǎn)，最大限度地提高煤炭回收率，弄清裂隙帶高度成為本次工作的重點(diǎn)之一。據(jù)此，在該礦12103工作面上順槽開展井下觀測(cè)工作。目前，比較成熟、常用的觀測(cè)方法是鉆孔分段注水法。

本次導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)采用井下仰上孔分段注水測(cè)漏技術(shù)方法，根據(jù)鉆孔漏失量變化情況確定圍巖破壞范圍。其中，井下鉆孔法觀測(cè)示意圖如圖1所示。

本次觀測(cè)共布置3個(gè)鉆孔，采前孔傾角為55°，采后孔傾角分別為40°和45°。按預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶最大高度（24.2 m）計(jì)算得采前孔鉆孔長(zhǎng)度為33 m，2個(gè)采后孔鉆孔長(zhǎng)度分別為40 m（傾角為40°的孔）和38 m（傾角為45°的孔）。鉆孔主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

觀測(cè)3個(gè)孔的分段注水情況，得到各個(gè)孔不同位置的注水漏失量?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2至圖6所示。

通過對(duì)比、分析兩個(gè)采后孔與采前孔注水漏失量，并結(jié)合山東部分煤礦最大導(dǎo)水裂縫帶高度的實(shí)測(cè)研究情況，最終確定取兩個(gè)采后孔反映出的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度最大值20.02 m為該礦12101工作面導(dǎo)水裂縫帶最大高度。

由于12101工作面的平均采高為1.2 m，因此裂采比為：20.02/1.2=16.7.

綜上可得，該礦12下 煤層導(dǎo)水裂縫帶高度近似為：H裂 =16.7 m。

3 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬模型的相關(guān)參數(shù)為：煤層厚度1.2 m，模擬中按水平煤層處理；模擬采深為750 m，模擬采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2.

采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究該礦深埋薄煤層開采后覆

巖在走向方向上的破壞演化規(guī)律。覆巖在走向方向上覆巖破斷狀態(tài)如圖7所示。

由圖7可知，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，12下煤層頂板覆巖破斷高度不斷升高。開采230 m后，已屬于超充分采動(dòng)，頂板破斷覆巖呈“馬鞍”形輪廓分布，最大發(fā)育高度達(dá)23 m，易知該地質(zhì)條件下12下煤層裂采比為19.2，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相近，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算以及對(duì)采前、采后鉆孔注水漏失量隨鉆孔深度變化進(jìn)行分析，得到12101工作面覆巖導(dǎo)水裂縫帶最大高度為20.02 m，裂采比為16.7；FLAC3D數(shù)值模擬超充分采動(dòng)條件下，頂板破斷覆巖呈“馬鞍”形輪廓分布，最大發(fā)育高度達(dá)23 m，易知該地質(zhì)條件下12下煤層裂采比為19.2. 但限于目前室內(nèi)方法的完善程度和參數(shù)與數(shù)值取舍的準(zhǔn)確程度，有可能影響待研究區(qū)域推測(cè)結(jié)果的精確性。尤其是當(dāng)工作面內(nèi)存在小斷層時(shí)，千萬(wàn)不可忽視，因?yàn)樵跀鄬痈浇矌r導(dǎo)水裂隙帶高度易產(chǎn)生異常。

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〔編輯：劉曉芳〕