麻家梁礦首采面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

劉宇晶 劉永芳 姜海峰

麻家梁礦位于朔南井田，井田面積104.29 km2，礦井主采4號(hào)和9號(hào)煤層，現(xiàn)開(kāi)采+665水平4號(hào)煤層。4號(hào)煤層首采區(qū)埋深523 m，蓋山厚度整體較厚，煤層回采正常情況下一般不受松散層含水層和地表水的影響。但由于麻家梁井田為朔南礦區(qū)首個(gè)開(kāi)采礦井，開(kāi)采后的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及其對(duì)上覆含水層影響程度不詳，且井田局部構(gòu)造發(fā)育，井田發(fā)育數(shù)條較大斷層，導(dǎo)致4號(hào)煤層頂板強(qiáng)度較低，較為破碎，因此，當(dāng)煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂隙帶可能導(dǎo)通上覆含水層，并與松散層含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，威脅礦井正常安全生產(chǎn)。本文針對(duì)朔南地區(qū)首個(gè)采動(dòng)工作面開(kāi)展導(dǎo)水裂隙帶的高度研究，指導(dǎo)本地區(qū)的安全開(kāi)采。

1 探查工程實(shí)施情況

麻家梁礦首采面14101工作面開(kāi)采4號(hào)煤層，煤層厚度4.00 m～11.00 m，平均煤厚9.15 m，全區(qū)穩(wěn)定可采。為分析礦首采面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，在14101工作面回采前實(shí)施探查工程，主要開(kāi)展4號(hào)煤層頂板水文地質(zhì)條件探查、監(jiān)測(cè)及4煤頂板覆巖破壞高度探查。完成3個(gè)地面探查鉆孔(如圖1-1)，D1、D2、D3孔合計(jì)進(jìn)尺1 697.68 m，水文測(cè)井1 174.95 m，采取巖樣14組，水樣9個(gè)，共進(jìn)行3次抽水試驗(yàn)，按照設(shè)計(jì)對(duì)D1、D2號(hào)孔進(jìn)行水位、漏失量觀測(cè)，安裝地面水位遙測(cè)系統(tǒng)2套。

圖1 首采面探查鉆孔布置

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)

頂板導(dǎo)水裂隙帶探查觀測(cè)內(nèi)容及技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 頂板導(dǎo)水裂隙帶探查觀測(cè)內(nèi)容一覽表

2.1 鉆液消耗量法探查

地面鉆孔鉆液漏失量觀測(cè)法是通過(guò)測(cè)定回采工作面采空區(qū)上方地面鉆孔施工過(guò)程中的鉆孔水位、鉆孔沖洗液漏失量、巖芯破碎等資料來(lái)綜合確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的方法[1～2]。

本次地面探查D3鉆孔作為采后探查鉆孔，用以研究覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，結(jié)合首采面開(kāi)采進(jìn)度、工作面涌水量變化等實(shí)際情況布孔。D3鉆孔距離D1孔458 m，距離首采面切巷約644 m，距離回風(fēng)巷道20 m。

自進(jìn)入基巖段施工，自孔深275 m～400 m時(shí)，鉆液消耗量一直保持在0.000 03～0.000 07 L∕m.s,鉆液消耗量總體保持穩(wěn)定，孔內(nèi)水位約保持在30 m左右。

當(dāng)鉆孔施工至煤層頂板以上206.65 m（孔深至421 m)時(shí)，出現(xiàn)不返漿鉆液漏失情況，鉆液漏失量明顯增大，經(jīng)注水后恢復(fù)正常，后續(xù)施工過(guò)程中，孔內(nèi)水位呈明顯加深變化趨勢(shì)，且相對(duì)集中，在460 m深處孔內(nèi)水位達(dá)61 m，這說(shuō)明了4號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度已發(fā)育至該層段。根據(jù)此鉆液漏失異常情況觀測(cè)分析，以及與其他鉆孔觀測(cè)資料對(duì)比分析，煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度應(yīng)該達(dá)到煤層頂板206.65 m，而此處的實(shí)測(cè)煤層厚度為10.0 m，經(jīng)計(jì)算得出裂高采厚比可達(dá)20.67。

2.2 首采面涌水及水位觀測(cè)資料綜合分析

在工作面回采前，通過(guò)對(duì)地面D1、D2鉆孔水位進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，D1、D2鉆孔分別觀測(cè)松散含水層和上石盒子組含水層水位變化。

2.2.1 D1鉆孔水位變化

在工作面回采過(guò)程中，D1鉆孔水位變化不大，未出現(xiàn)水位下降現(xiàn)象。松散含水層水位在2012年10月出現(xiàn)小幅上升，因當(dāng)?shù)?、8、9月為雨季，初步分析松散層水位上升為大氣降水補(bǔ)給所導(dǎo)致，見(jiàn)圖2。

圖2 D1孔松散含水層水位變化歷時(shí)曲線

根據(jù)松散層水位觀測(cè)成果，在無(wú)異常下降的情況下，工作面涌水量未出現(xiàn)突變異常，以此證明該首采工作面煤層采動(dòng)后頂板導(dǎo)水裂隙帶未波及松散含水層，松散含水層水在正常情況下不會(huì)成為首采面的直接充水水源，但不排除成為間接充水水源的可能性。

2.2.2 D2鉆孔水位變化

D2孔終孔位于上石盒子組含水層位，距離4號(hào)煤層頂板203.32m，上石盒子組部分為裸孔段，上部松散含水層段采用套管水泥永久固結(jié)護(hù)壁，確保松散層水不會(huì)對(duì)鉆孔水位造成影響。根據(jù)對(duì)D2鉆孔水位監(jiān)測(cè)，在首采面回采推進(jìn)至D2鉆孔前后，鉆孔水位緩慢下降約20 m。對(duì)比前期水位變化，煤層開(kāi)采后頂板導(dǎo)水裂隙帶波及上石盒子組含水層。

在工作面推采過(guò)D2孔后，D2鉆孔水位出現(xiàn)異常上升情況，初期水位上升速度較快，短時(shí)間內(nèi)鉆孔水位超出含水層背景水位，隨后鉆孔水位持續(xù)升高。在10月11日后日均水位上升約15 m，截止14日早，鉆孔水位已升至＋1 145 m，距離松散含水層水位約40 m。結(jié)合首采面地面裂縫發(fā)育、各含水層背景水位、孔內(nèi)水位測(cè)量異常等情況綜合分析，D2鉆孔水位異常原因?yàn)椋菏撞擅骓敯甯矌r采動(dòng)變形導(dǎo)致套管擠壓變形，在地面下100 m深處套管變形受損，松散含水層在該處通過(guò)套管裂縫涌入鉆孔導(dǎo)致水位異常變化，不影響對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的判斷。D2鉆孔水位變化歷時(shí)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 D2孔含水層水位變化歷時(shí)曲線

結(jié)合D2鉆孔附近煤層資料，煤層厚度為9.0 m，D2鉆孔含水層水位變化證明導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到203.32m以上，計(jì)算得出裂高采厚比可達(dá)22.59以上。上石盒子組含水層水可通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶涌入礦井，形成新的導(dǎo)水通道，對(duì)礦井總體涌水量有一定影響。

2.2.3 首采面涌水量動(dòng)態(tài)觀測(cè)分析

在首采面回采過(guò)程中，本工作面涌水量保持在30 m3∕h左右，未發(fā)生涌水量突增異常情況。即使在7、8、9三個(gè)月的雨季及后續(xù)三個(gè)月的持續(xù)涌水量觀測(cè)過(guò)程中，首采面總體涌水量未發(fā)生較大變化，表明采煤活動(dòng)引發(fā)導(dǎo)水裂隙帶未波及到松散含水層，涉及上部含水層總體富水性較弱，對(duì)礦井總體涌水量影響較小。

2.3 數(shù)值計(jì)算模型

本次數(shù)值計(jì)算選用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件。模型將隔水層底界面設(shè)為模型下邊界。

在考慮采動(dòng)側(cè)的模型邊界位置時(shí)，當(dāng)（超）充分采動(dòng)時(shí)，將采動(dòng)側(cè)的模型邊界置于充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)，以便在模型的采空側(cè)豎向邊界施加滾動(dòng)邊界條件，即在模型邊界上水平方向位移為零(μ=0)，垂直方向可以運(yùn)動(dòng)。雖然這一邊界條件與采動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)的移動(dòng)軌跡有出入，但這一邊界條件基本上反映了充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)移動(dòng)穩(wěn)定后點(diǎn)的位移特征。

本模型以D1、D2、3819孔所揭露地層情況進(jìn)行概化分層，根據(jù)14101工作面實(shí)際開(kāi)采情況，及鉆孔分布情況，沿工作面推進(jìn)方向模擬開(kāi)挖300 m即可達(dá)到模擬效果。為了保證模型計(jì)算穩(wěn)定，在工作面推進(jìn)方向上設(shè)置保護(hù)煤柱100 m，在側(cè)幫設(shè)置保護(hù)煤柱50 m。

本次初始應(yīng)力平衡計(jì)算采用模型自平衡算法，主要顯示垂向應(yīng)力平衡結(jié)果。

14101工作面平均采厚9.15 m，為便于計(jì)算，模型中模擬采厚為10 m。兩帶探查孔距切眼距離150 m，模型中設(shè)置開(kāi)挖距離為300 m，開(kāi)挖范圍為X方向的100 m～400 m，開(kāi)挖步距10 m，計(jì)算步中步200步，延續(xù)計(jì)算1000步以達(dá)到模型平衡。

在做頂板覆巖破壞應(yīng)力場(chǎng)分析過(guò)程中，以觀測(cè)孔所處位置為中點(diǎn)，做傾向剖面，繪制模型垂向應(yīng)力云圖，根據(jù)應(yīng)力云圖判斷，本工作面采空區(qū)前后方的高支撐壓力區(qū)距煤壁的距離大約為60 m～70 m，最大壓應(yīng)力在37 MPa以上。以距切眼150 m處做垂直于回采方向的剖面，如圖4所示，工作面回采300 m后，頂板的塑性破壞區(qū)高度已經(jīng)發(fā)育到頂板上方220 m處，且趨于穩(wěn)定，故本次模擬導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為220 m，裂采比為22倍。

頂板以上60 m范圍內(nèi)為巖層全部破壞，在現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下即表現(xiàn)為頂板巖層的冒落，模擬得出14101工作面頂板垮落帶發(fā)育高度約為60 m，冒采比為6倍。

圖4 回采150m處14101工作面頂板“兩帶”模擬結(jié)果

2.4 導(dǎo)水裂隙帶高度確定

表2 頂板導(dǎo)水裂隙帶確定結(jié)果綜合分析

本次頂板導(dǎo)水裂隙帶探查研究通過(guò)水位長(zhǎng)觀、工作面涌水等方法進(jìn)行研究，結(jié)合數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證，從而確定頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，見(jiàn)表2。根據(jù)表2，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值相吻合。

綜上分析，本礦井4號(hào)煤層在綜放條件下的裂高采厚比為21.75。

3 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)地面施工探查鉆孔驗(yàn)證了麻家梁礦4號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，礦井在綜放開(kāi)采條件下裂高采厚比為21.75，在大部分區(qū)段煤層頂板導(dǎo)水裂隙隙帶在正常情況下不會(huì)出現(xiàn)與松散層溝通而發(fā)生潰水潰沙。

2）本次導(dǎo)水裂隙帶高度測(cè)試成果對(duì)指導(dǎo)朔南礦區(qū)4號(hào)煤層安全開(kāi)采具有重要的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義，為下一步防治水工作提供科學(xué)合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保防治水手段經(jīng)濟(jì)高效。