深埋特厚煤層綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查分析?

呂廣羅楊 磊田剛軍張 勇呂品田陳永波

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西省西安市,710021; 2.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司,陜西省西安市,710065)

深埋特厚煤層綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查分析?

呂廣羅1,2楊 磊2田剛軍2張 勇2呂品田2陳永波2

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西省西安市,710021; 2.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司,陜西省西安市,710065)

以崔木煤礦為試驗(yàn)基地,采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)及井下窺視,對(duì)深埋特厚煤層綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行探查,并對(duì)9例探查結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析.探查分析表明導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚、工作面寬度、開采深度密切相關(guān),據(jù)此求得了裂高預(yù)測(cè)的多元回歸公式,進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算,并與現(xiàn)行《規(guī)程》、《規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)中相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比分析,表明回歸公式具有更好的適用性.

特厚深埋煤層 綜放開采 導(dǎo)水裂隙帶 高度計(jì)算 多元回歸

關(guān)于綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的探查與研究,高延法等運(yùn)用雙端堵水儀在井下觀測(cè)龍口煤礦海下采煤導(dǎo)水裂縫帶高度,于師健等運(yùn)用視電阻率法進(jìn)行了冒裂帶高度預(yù)測(cè),康永華等對(duì)比了鉆孔沖洗液法、聲速法和超聲成像法在導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測(cè)方面的優(yōu)缺點(diǎn),馬亞杰等提出工作面傾向長(zhǎng)度和埋深對(duì)裂高影響較大,陳凱等運(yùn)用趨勢(shì)面分析對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)測(cè),胡小娟等收集了魯西南及鄰近地區(qū)綜采導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)例,分析影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的幾種常見因素,并研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與多種影響因素之間的關(guān)系式,預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度.以上探查與研究工作,主要基于我國(guó)東部礦區(qū)開采實(shí)踐,且煤層開采深度較淺而采厚不大,對(duì)于廣泛分布于西部地區(qū)的深埋特厚煤層,其頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征,缺乏探查與分析.本文以陜西黃隴侏羅紀(jì)煤田崔木煤礦作為試驗(yàn)基地,采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)及井下窺視對(duì)深埋特厚煤層綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行探查,并對(duì)井田內(nèi)及鄰近相似開采技術(shù)條件下9例工作面探查結(jié)果進(jìn)行了多元回歸統(tǒng)計(jì).分析導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚、工作面寬度、開采深度之間的相關(guān)關(guān)系,據(jù)此求得了裂高計(jì)算的多元回歸式,進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算,并與現(xiàn)行《規(guī)程》、《規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)中相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比,表明回歸式具有更好的適用性.

1 礦井地質(zhì)及開采技術(shù)條件

1.1 礦井地質(zhì)

崔木煤礦屬于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)麟游區(qū)東北端,為掩蓋式煤田,地表溝谷中零星出露有白堊系下統(tǒng)洛河組,其上被新近系及第四系廣泛覆蓋.礦井地層按照由老到新的順序依次為三疊系中統(tǒng)銅川組,侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組和安定組,白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組,新近系中新統(tǒng),第四系中上更新統(tǒng)和全新統(tǒng).礦井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,煤層底板構(gòu)造形態(tài)總體為一東南高西北低的波狀單斜構(gòu)造,呈EW向展布.主要地層及含(隔)水層水文地質(zhì)特征如表1所示.

表1 煤層頂板覆巖水文地質(zhì)特征簡(jiǎn)表

侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖含水層、延安組煤層及其頂板砂巖含水層為煤層開采頂板直接充水含水層,但其埋藏深、裂隙不甚發(fā)育、補(bǔ)給條件差、富水性弱,井巷充水易于疏排,對(duì)煤層開采影響不大.白堊系下統(tǒng)洛河組和宜君組砂礫巖,雖為煤層頂板間接充水含水層,但其厚度大、分布廣、富水性較好,且與區(qū)域強(qiáng)含水層相聯(lián),嚴(yán)重威脅礦井安全開采.

1.2 開采技術(shù)條件

礦井采用立井開拓,產(chǎn)能4.00 Mt/a,服務(wù)年限66 a.主采3＃煤層,屬深埋特厚煤層.采用井下單一水平、走向長(zhǎng)壁后退式采煤法,綜采放頂煤工藝,全部垮落法管理頂板.

首采21301工作面,走向長(zhǎng)度968 m,傾向?qū)挾?96 m.煤層底板標(biāo)高+710～+730 m,埋深540～600 m,傾角為3°～6°,厚度14.75～17.3 m,平均15.86 m.井巷掘進(jìn)過程中,未揭露明顯斷裂構(gòu)造;工作面上部無大型地表水體分布.煤層偽頂呈孤立島狀零星分布,厚度0.22～1.04 m,一般0.5 m,為炭質(zhì)泥巖、泥巖,局部地段煤層直接與砂巖老頂接觸,直接頂砂泥巖則普遍發(fā)育.偽頂厚度薄,穩(wěn)定性差,隨著煤層開采而冒落,屬不穩(wěn)定巖體;直接頂砂泥巖呈互層狀產(chǎn)出,屬穩(wěn)定性較差的巖體;老頂砂巖一般為中等穩(wěn)定巖體.頂板覆巖總體中等堅(jiān)硬.

21301工作面正常涌水量40 m3/h,充水水源主要為3＃煤層頂板砂巖裂隙水.回采期間,累計(jì)出現(xiàn)頂板離層蓄水涌突水11次,最大突水強(qiáng)度1300 m3/h,累計(jì)突水量202577.8 m3,對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重危害.為查明頂板充水通道和涌突機(jī)理,制定切實(shí)可靠的防治水方案,必須開展導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查和分析研究.

2 導(dǎo)水裂隙帶高度探查

為查明導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征,在崔木煤礦21301、21303和21305等工作面開展導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查.現(xiàn)以21301工作面為例,簡(jiǎn)述觀測(cè)方法與結(jié)果,并結(jié)合鄰近工作面實(shí)測(cè)情況,對(duì)觀測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)匯總,以便進(jìn)一步分析研究.

2.1 探查方法

在21301工作面布置觀測(cè)孔,于工作面推過后7個(gè)月開始施工,對(duì)應(yīng)的孔口標(biāo)高1238.22 m,煤層底板標(biāo)高685 m,煤層埋深553.22 m,煤層開采厚度12 m,終孔位置為3＃煤層頂板,孔深431.62 m.采用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法和井下窺視法對(duì)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征進(jìn)行探查.

鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法.通過探測(cè)鉆孔巖芯完整性、沖洗液消耗量、鉆孔水位等異常情況,綜合判定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征;實(shí)施中嚴(yán)格執(zhí)行《導(dǎo)水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)方法》(MT/T 865-2000).

井下窺視法是把一自帶光源的防水?dāng)z像探頭放入地下鉆孔中,探測(cè)覆巖受采動(dòng)影響巖體裂縫發(fā)育特征.選用GD3Q-A/B型鉆孔全孔壁成像系統(tǒng)儀器.

2.2 沖洗液漏失量觀測(cè)法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

鉆孔沖洗液漏失量及水位觀測(cè)表明孔深188 m以下,消耗量明顯增大,表征進(jìn)入覆巖離層發(fā)育帶;孔深302 m以后,沖洗液全部漏失.在孔深188～302.75 m段,水位從深86.2 m突降至深124.5 m,在后續(xù)施工中,孔內(nèi)水位持續(xù)大幅下降.因此,將孔深302.75 m定為導(dǎo)水裂隙帶頂界,由此確定的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度238.67 m,約為采厚的19.89倍.

2.3 井下窺視法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

井下窺視共觀測(cè)到裂隙76組,其中孔深202.65～288.08 m以水平～近水平裂隙為主,對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)為離層帶;301.86 m以深基本以垂直裂隙為主,且從301.86 m開始,裂隙數(shù)目逐漸增加,規(guī)模不斷增大,并出現(xiàn)部分孔段塌孔現(xiàn)象,可認(rèn)為301.86 m為導(dǎo)水裂隙帶的頂界.故井下窺視觀測(cè)得到的離層帶高度為85.43 m;導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度239.56 m,約為采厚的19.96倍.

2.4 導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)與匯總

以上探查結(jié)果表明:導(dǎo)水裂隙帶已發(fā)育至洛河組含水層,兩種方法觀測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度基本一致,可取其平均值作為21301工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,其值為239.12 m,裂高采厚比為19.93,裂隙帶之上的離層帶高度為85.43 m.

運(yùn)用同樣的觀測(cè)方法,在崔木煤礦21303、21305工作面及彬長(zhǎng)礦區(qū)下溝煤礦ZF2801、2802等工作面開展的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查,綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果見表2.

表2 綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果

3 導(dǎo)水裂隙帶高度探查結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)水裂隙帶高度主要影響因素

據(jù)以往研究成果,影響導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的因素有許多,其中有的影響程度可定量描述,有些只能定性說明.這些因素主要包括覆巖的巖性、巖體結(jié)構(gòu)及其組合特征、煤層開采條件、采煤方法和頂板管理方法、煤層傾角、開采面積、地質(zhì)構(gòu)造、時(shí)間因素以及重復(fù)采動(dòng)等.考慮到綜放開采的工藝特征、礦井地質(zhì)及開采技術(shù)條件,本文所確定的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度主要影響因素為煤層開采厚度、工作面寬度和煤層開采深度.

3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度探查結(jié)果分析

3.2.1 方法原理

基于前述導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度主要影響因素的認(rèn)識(shí),為定量分析各因素的影響程度,可采用多元線性回歸分析法,對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查結(jié)果進(jìn)行分析.多元線性回歸分析也稱復(fù)線性回歸分析,它是一元線性回歸分析或簡(jiǎn)單線性回歸分析的推廣,它研究的是一組自變量如何直接影響一個(gè)因變量.本文確定的自變量為采厚、面寬和采深,導(dǎo)水裂隙帶高度為研究的因變量.

3.2.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)前述導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度主要影響因素,所采集的崔木煤礦及其鄰近礦井工作面實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度、煤層開采厚度、工作面寬度和煤層開采深度等見表2.

3.2.3 分析結(jié)果

運(yùn)用Excel數(shù)據(jù)分析中的多元回歸分析工具,對(duì)表2中實(shí)測(cè)裂高與采厚、面寬和采深進(jìn)行分析.

Excel數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示復(fù)相關(guān)系數(shù)R＝0.963714,復(fù)測(cè)定系數(shù)R2＝0.928745,標(biāo)準(zhǔn)誤差為16.86694.復(fù)相關(guān)系數(shù)的取值范圍為0≤R≤1,R越接近1表明回歸模型擬合程度越好,根據(jù)Excel輸出的回歸公式的復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.96以上,表明該預(yù)測(cè)模型是極顯著的,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

Excel數(shù)據(jù)分析輸出結(jié)果統(tǒng)計(jì)量F＝21.72347、差異性顯著檢驗(yàn)值Fα＝0.00269,自變量顯著性P值分別為0.001619、0.04631、0.065854.

根據(jù)Excel數(shù)據(jù)分析輸出結(jié)果,得到回歸算式:

式中:Hf——導(dǎo)水裂隙帶高度,m;

M——煤層開采厚度,m;L——工作面寬度,m;

H——煤層開采深度,m.回歸統(tǒng)計(jì)、方差分析表明回歸公式適當(dāng).可以認(rèn)為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和3個(gè)影響因素之間有明顯的線性關(guān)系.因此,回歸公式可以用于預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的計(jì)算.

3.3 結(jié)果評(píng)價(jià)

關(guān)于綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算,對(duì)于中等堅(jiān)硬覆巖,目前《規(guī)程》、《規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)中主要采用的經(jīng)驗(yàn)式:

運(yùn)用式(2)～(6)及本次求得的回歸式(1),對(duì)表2中各工作面不同開采狀況下導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算裂高與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析,結(jié)果見表3.

表3 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

回歸公式(1)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為-11.17%～18.59%,多數(shù)情況下誤差小于5%,算式的實(shí)際適用性較好.

三下采煤規(guī)程推薦的計(jì)算公式(2)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為-59.52%～-79.12%,預(yù)計(jì)的裂高均小于實(shí)測(cè)裂高值,說明規(guī)程推薦的公式不適用于預(yù)計(jì)綜放開采工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度.

式(3)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為-16.78%～-52.38%,預(yù)計(jì)的裂高同樣均小于實(shí)測(cè)裂高值.

式(4)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為-38.08%～10.13%,當(dāng)工作面寬度小于120 m,采深小于480 m時(shí),預(yù)算與實(shí)測(cè)裂高誤差為-10.60%～10.13%,公式具有一定的適用性.

式(5)預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為-8.66%～65.26%,當(dāng)工作面寬度為150～200 m,采深大于500 m時(shí),預(yù)算與實(shí)測(cè)裂高誤差為-4.86%～4.32%,公式的適用性較好.

國(guó)標(biāo)規(guī)范公式(6)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為-39.38%～10.82%,當(dāng)工作面寬度小于120 m,采深小于480 m時(shí),預(yù)算與實(shí)測(cè)裂高誤差為-6.45%～10.82%,公式具有一定的適用性.

綜上所述,回歸分析計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度值更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果.回歸公式計(jì)算深埋特厚煤層綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度具有更好的適用性.

4 結(jié)論

(1)通過地面鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)及井下窺視,得到崔木煤礦深埋特厚煤層綜放開采條件下頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為238.67～239.56 m,平均239.12 m;裂隙帶高度與煤層采厚之比為19.89～19.96,平均19.93.

(2)井下窺視圖像和觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,垂直裂隙主要發(fā)育在導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)以下區(qū)域,裂隙數(shù)量自上而下逐漸增多;水平裂隙主要發(fā)育在導(dǎo)水裂隙帶定點(diǎn)以上,發(fā)育范圍為202.65～288.08 m,導(dǎo)水裂隙帶之上離層帶的高度為85.43 m.

(3)以崔木煤礦及其周圍鄰近礦井實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ),運(yùn)用多元回歸方法分析表明,導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚、工作面寬度、開采深度密切相關(guān),并求得裂高的相關(guān)方程,可作為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算的多元回歸公式.

(4)對(duì)現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范及文獻(xiàn)中綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式適用性分析表明,多元回歸公式預(yù)算深埋特厚煤層綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度具有更好的適用性.

[1] 高延法,曲祖俊等.龍口北皂礦海域下H2106綜放面井下導(dǎo)高觀測(cè)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2009(6)

[2] 于師健,程久龍.覆巖裂隙帶電阻率響應(yīng)特征[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000(3)

[3] 康永華,王濟(jì)忠等.覆巖破壞的鉆孔觀測(cè)方法[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002(12)

[4] 馬亞杰,李建民等.基于ANN的煤層頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2007(9)

[5] 陳凱,嚴(yán)桂風(fēng),文江等.趨勢(shì)面分析法在預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2013(2)

[6] 胡小娟,李文平等.綜采導(dǎo)水裂隙帶多因素影響指標(biāo)研究與高度預(yù)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào),2012(4)

[7] 李正杰,王之永,王利峰等.特厚煤層綜放開采出水壓架預(yù)警機(jī)制及防治體系[J].中國(guó)煤炭,2015 (8)

[8] 路軍,許家林,王露等.斷層采動(dòng)活化對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)煤炭,2012(1)

[9] 國(guó)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[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000

[10] 許延春,李俊成等.綜放開采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式及適用性分析[J].煤礦開采,2011(2)

[11] 康永華.采煤方法變革對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),1998(3)

[12] 滕永海,楊建立等.綜采放頂煤覆巖破壞規(guī)律與機(jī)理研究[J].礦山測(cè)量,2010(2)

[13] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1991

[14] 張安斌,趙健,張鵬等.巨厚松散層下導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)試驗(yàn)探究[J].中國(guó)煤炭,2016(3)

[15] 張宏偉,朱志潔,霍利杰等.特厚煤層綜放開采覆巖破壞高度[J].煤炭學(xué)報(bào),2014(5)

[16] 刁乃勤.巨厚覆蓋層下特厚煤層綜放開采巖移規(guī)律[J].煤礦安全,2015(2)

[17] 高喜才,伍永平.特厚煤層富水覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布特征模擬研究[J].煤礦安全,2011(3)

[18] 伍永平,胡寶峰等.富水覆巖特厚煤層綜放開采相似材料模擬研究[J].煤炭工程,2013(12)

Detection and analysis of height of water flowing fractured zone in roof of fully mechanized caving face in deep and extra thick seam

Lv Guangluo1,2,Yang Lei2,Tian Gangjun2,Zhang Yong2,Lv Pintian2,Chen Yongbo2
(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources,Xi＇an,Shaanxi 710021,China; 2.Team 186 of Shaanxi Coal Geology Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi 710065,China)

The height of water flowing fractured zone in roof of a fully mechanized caving face in deep and extra thick seam was detected by observing the seepage loss of flushing fluid in surface borehole and downhole peep in test site,Cuimu Coal Mine,and the multivariate regression analysis of 9 group detection results was carried out.The results showed that the height of water flowing fractured zone was closely related to mining height,working face length and mining depth,by which the multivariate regression formula for the height detection of water flowing fractured zone was obtained,its better applicability was proved through contrastive analysis with empirical formulas of the Regulation,Standard and pertinent literature.

deep and extra thick seam,fully mechanized caving face,water flowing fractured zone,height calculation,multivariate regression

TD821

A

呂廣羅(1963-),男,陜西省禮泉縣人,高級(jí)工程師,從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2016GY-172),國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主重點(diǎn)項(xiàng)目(ZZ2013-2)