神南礦區(qū)采煤導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測*

馬雄德，王蘇健，蔣澤泉，陳　通，李文莉

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；4.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；5.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

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神南礦區(qū)采煤導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測*

馬雄德1，2，王蘇健3，蔣澤泉4，陳通3，李文莉5

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；4.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；5.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

為研究神南礦區(qū)開采中覆巖的破壞上限及其是否會導(dǎo)通上覆含水層，指導(dǎo)礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)劃和采煤方法設(shè)計，采用鉆孔智能全景成像測井，并通過規(guī)范經(jīng)驗公式、相似模擬和數(shù)值模擬及建立的本地區(qū)經(jīng)驗公式等方法分析采動條件下覆巖破壞程度。結(jié)果表明，導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚關(guān)系密切，呈非線性關(guān)系，根據(jù)本地區(qū)實測數(shù)據(jù)建立的統(tǒng)計公式在預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度時更加逼真。為減少礦區(qū)煤層開采對地下水資源的破壞，應(yīng)控制煤層合理采高、推行保水采煤技術(shù)。

神南礦區(qū)；導(dǎo)水裂隙帶；數(shù)值模擬；覆巖破壞

0　引　言

頂板水害是礦井生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生的水文地質(zhì)現(xiàn)象[1]。一般認(rèn)為，開采煤層至松散含水層底板之間距離小于煤層一次采全高形成的裂隙帶高度時即有較大的突水危險性，因此，導(dǎo)水裂隙帶高度對西部干旱半干旱地區(qū)實施“保水采煤”技術(shù)至關(guān)重要[2-5]。由于榆神礦區(qū)地質(zhì)條件特殊[6]，煤層埋藏開采條件優(yōu)越[7]，導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征明顯。當(dāng)前，確定導(dǎo)水裂隙帶的方法有實際探測、理論計算(經(jīng)驗公式)、物理模擬和數(shù)值模擬等，每種方法在生產(chǎn)實踐中都發(fā)揮了重要的作用。胡小娟[8]以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度受控因素分析為前提，將頂板巖層的抗壓強度用硬巖巖性比例系數(shù)來表征，并采用回歸分析建立了導(dǎo)水裂隙帶高度與其它受控因素的線性統(tǒng)計關(guān)系。黃漢富[9]采用UDEC軟件模擬了萬利礦區(qū)煤層采動裂隙發(fā)育規(guī)律，同時分析了群采煤層相互影響，在此基礎(chǔ)上劃分了礦區(qū)“保水采煤”分區(qū)并進(jìn)行了工程實踐。涂敏[10]采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對不同采放比研究了導(dǎo)水裂隙帶高度的變化規(guī)律。呂洪文[11]采用數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式及現(xiàn)場實測等方法分析計算了榆陽煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，并對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了分析對比，認(rèn)為數(shù)值模擬與實際驗證的導(dǎo)水裂隙帶高度基本一致。

文中分析經(jīng)驗公式、物理模擬、數(shù)值模擬及建立統(tǒng)計公式等方法與實測導(dǎo)水裂隙帶高度之間差別，并提出了適合神南礦區(qū)普遍適用的導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式，對該地區(qū)保水采煤技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐。

1　基本概況

神南礦區(qū)位于陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田神木北部礦區(qū)的南部，陜西省榆林市神木縣的中部，行政區(qū)劃隸屬神木縣麻家塔鄉(xiāng)、瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)、孫家岔鄉(xiāng)所管轄，礦區(qū)總面積約373.4 km2，煤炭總資源量約55億t，設(shè)計生產(chǎn)總規(guī)模為34 Mt/a，主采5-2煤層，采高7 m.

2　導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計

2.1經(jīng)驗公式

研究區(qū)煤層頂板巖性主要為中細(xì)粒砂巖、泥巖，抗壓強度為20～40 MPa，屬于中硬巖類。按照《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》(簡稱《規(guī)程》)及《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)中給出的導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式，預(yù)測5-2煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶高度為

(1)

(2)

(3)

式中m為煤層采高，n為常量(m ≤6m時，n=1；m>6m時，n=2)。

張家峁煤礦5-2煤層一次采高6.0 m，則：

根據(jù)《規(guī)程》公式(1)計算導(dǎo)水裂隙帶高度為51.05 m，《規(guī)程》公式(2)計算導(dǎo)水裂隙帶高度為58.99 m，《規(guī)范》公式(3)計算導(dǎo)水裂隙帶高度為89.61 m.

2.2相似模擬

2.2.1模型建立

以ZK1鉆孔柱狀為實驗原型，煤層埋深124.68 m，采用平面模型架，模型架長210 cm×20 cm×65 cm.模型幾何相似比為1∶200，模型選取的相似材料主要為河沙、石膏、大白粉、黃土等，以云母粉作為分層弱面。在5-2煤層開挖實驗過程中，每天開挖一次，推進(jìn)1 cm，采高3 cm，按照相似比例，每次開挖的長度為2 m，采高為6 m.

2.2.2模擬結(jié)果

工作面推進(jìn)過程中，上覆巖層中出現(xiàn)離層裂隙，隨著工作面開采的推進(jìn)，其位置不斷上移，裂縫長度和寬度也在增加，但增長幅度較緩。工作面推進(jìn)至80m時基本頂初次破斷，之后離層高度、離層裂隙寬度迅速增長。工作面推進(jìn)到280 m時(回采結(jié)束)，工作面兩側(cè)明顯出現(xiàn)發(fā)育至基巖層頂界面的豎向裂縫，地表及紅粘土層進(jìn)一步出現(xiàn)下沉。待工作面開采結(jié)束覆巖穩(wěn)定后，導(dǎo)水裂隙帶高度約為92 m.

圖1　工作面開采結(jié)束后覆巖垮落狀況Fig.1　Overburden rock failure after mining

2.3數(shù)值模擬

2.3.1模型建立

選擇ZK1鉆孔為原型，5-2煤層埋深為124.68 m，其中松散層厚度為33.58，基巖厚度99.1 m，煤層厚度6.0 m.建立長×高為500 m×150 m的走向模型，為保證邊界的影響，在模型左右兩側(cè)邊界煤柱按100 m留設(shè)。

模型的邊界條件：上部邊界條件為自由邊界條件；兩邊為簡支，X方向位移為0；下部邊界為固支，x，y方向的位移都為0.

2.3.2模型計算

模型計算采用UDEC(Universal Distinct Element Code)軟件，以Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則作為其屈服準(zhǔn)則，屈服函數(shù)為

(4)

ft=σt-σ1.

(5)

式中σ1,σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；σt為巖石抗拉強度；Nφ為與內(nèi)摩擦角有關(guān)的參數(shù)，且Nφ=(1-sinφ)/(1+sinφ).fs=0時，剪切破壞發(fā)生；ft=0時，拉伸破壞發(fā)生。

模擬開挖過程中，重點關(guān)注巖層隨工作面推進(jìn)而發(fā)生移動破壞規(guī)律，并以此來確定煤層上覆巖層破壞后導(dǎo)水裂隙帶高度。模擬開采結(jié)束后，工作面上方應(yīng)力分布和塑性區(qū)范圍如圖2和圖3所示。

圖2　采后應(yīng)力分布圖Fig.2　Stress distribution under full mining

圖3　采后塑性區(qū)范圍圖Fig.3　Range of plastic zone under full mining

可以看出，隨著工作面連續(xù)推進(jìn)，覆巖破壞范圍逐漸擴大。工作面分別推進(jìn)到75 m及90 m時，基本頂初次來壓、第一次周期來壓，覆巖破壞范圍迅速擴大。在工作面推進(jìn)300 m時破壞高度達(dá)到最大值93 m.

同時，應(yīng)力集中和支承壓力影響范圍隨著工作面的推進(jìn)有規(guī)律的向前推進(jìn)變化，當(dāng)工作面推進(jìn)300 m時，應(yīng)力集中出現(xiàn)在工作面前方16 m處，工作面支承壓力影響范圍約為39 m，垂直應(yīng)力峰值為原巖應(yīng)力的2.85倍。

3　導(dǎo)水裂隙帶高度觀測

3.1觀測孔平面布置

為了觀測張家峁煤礦實際采動條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度，在15204工作面采空區(qū)布置2個鉆孔，其中01號鉆孔離開切眼35 m，02號鉆孔離開切眼270 m，以勘探時的03號孔作為對照孔，距離切眼150 m.15204綜采工作面采高6.0 m，寬度300 m，煤層埋深小于175.3 m，在工作面回采結(jié)束后3個月施工導(dǎo)水裂隙帶勘探孔，巖層移動已趨于穩(wěn)定。鉆孔施工過程循環(huán)液采用清水，鉆孔實際孔徑108 mm.

3.2影像及漿液消耗量

鉆孔施工過程中鉆孔智能全景成像測井圖如圖4所示，漿液的消耗量歷時曲線如圖5所示。

圖4　01號孔內(nèi)巖壁裂隙影像Fig.4　Crack image in hole No.01

圖5　鉆孔漏失量對照圖Fig.5　Drilling fluid loss comparison

3.3導(dǎo)水裂隙帶高度確定

根據(jù)圖4，圖5可知，01號孔在鉆進(jìn)至埋深17.5 m時漿液消耗量大于對照孔03號孔，埋深27.1 m時孔內(nèi)漿液漏失，孔內(nèi)巖壁裂隙影像顯示垂直裂隙發(fā)育至套管端口之上，可以判斷導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入了黃土層，埋深17.5 m(距煤層75.2 m)是導(dǎo)水裂隙帶定界。根據(jù)鉆孔內(nèi)水位觀測成果、漿液消耗量、智能全景成像及鉆孔柱狀圖等資料，綜合確定01號鉆孔和02號鉆孔導(dǎo)水裂隙帶高度分別為75.20 m和75.60 m.

4　導(dǎo)水裂隙帶綜合分析

通過對本次得到的導(dǎo)水裂隙帶高度及周邊礦井相似地質(zhì)條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行擬合，即可得到本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采高之間的統(tǒng)計關(guān)系

H=9.59M+13.55.

(6)

式中H為裂隙發(fā)育高度，m；M為煤層采高，m.

將本次得到的統(tǒng)計公式計算結(jié)果與“規(guī)程”、“規(guī)范”中的經(jīng)驗公式計算結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，采高<3 m時，各個公式計算的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度比較接近，說明在此段內(nèi)擬合公式與其他方法計算得到的導(dǎo)水裂隙帶高度一致；采高3～6 m時，與擬合公式相比，“規(guī)程”中2個公式的計算值均偏小，而“規(guī)范”公式計算值與擬合值接近，在采高大于6 m時，導(dǎo)水裂隙帶高度隨采高呈非線性增長，經(jīng)驗公式計算值均不符合實際情況。

本礦井煤層采厚6 m，采用本次擬合公式(6)進(jìn)行計算，得出本礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為71.09 m，這與實測值誤差為6.0%左右，而《規(guī)程》和《規(guī)范》中的公式計算值誤差均超過18%.說明在神南礦區(qū)特定的條件利用本次經(jīng)驗擬合的公式更貼近實際。

表1　不同公式預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度誤差統(tǒng)計表

5　結(jié)　論

1)采用經(jīng)驗公式法、物理模擬和數(shù)值模擬等方法計算了神南礦區(qū)5-2煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度，各種方法計算結(jié)果差別較大；

2)采用鉆孔內(nèi)水位觀測成果、漿液消耗量、智能全景成像及鉆孔柱狀圖等資料，確定采動條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度的方法是可行的；

3)根據(jù)本次得到的導(dǎo)水裂隙帶高度及周邊礦井相似地質(zhì)條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行擬合，建立了本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采高之間的統(tǒng)計關(guān)系，與實測值對比更為接近，說明該公式適用于神南礦區(qū)同類地質(zhì)條件下導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測任務(wù)。

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Prediction on the height of water-flowing fractured zone in southern Shenmu mine

MA Xiong-de1，2，WANG Su-jian3，JIANG ZE-quan4，CHEN Tong3，LI WEN-li5

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China；2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectsinAridRegion,MinistryofEducation，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China；3.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710065，China；4.No.185ExplorationTeam，ShaanxiBureauofCoalGeologicalExploration，Yulin719000，China；5.ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring，Xi’an710054，China)

In order to determine the upper limit of water flowing fractured zone，intelligent panorama imaging technology is used in ground surface boreholes. Furthermore，empirical formula, physical and numerical simulations are also used to observe the water flowing fractured zone in the mine.The result showed: there is a nonlinear relationship between the height of water flowing fractured zone and coal thickness,and the formula established by the measured data in the region is more realistic for predicting the height of water flowing fractured zone, which provides a strong support for the development of coal mining with water protect techniques in the region.

southern Shenmu mine；water flowing fractured zone；numerical simulation；overburden rock failure

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0509

1672-9315(2016)05-0664-05

2016-05-10責(zé)任編輯：劉潔

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展(973)計劃(2013CB227901)；陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計劃(2011TG-01)

馬雄德(1978-)，男，青?；ブ?，工程師，E-mail:59759423@qq.com

P 627

A