基于鉆孔成像技術(shù)與數(shù)值模擬的“兩帶”高度研究

于鐘博，劉延欣，武宇亮，王 建

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 鮑店煤礦，山東 鄒城 273500）

為了探究兗州礦區(qū)厚松散層薄基巖地質(zhì)條件下淺部采區(qū)提高開采上限，轉(zhuǎn)換防水煤巖柱為防砂煤巖柱，進(jìn)行了大量的研究[1-3]，并獲得了相應(yīng)的研究成果。確定“兩帶”高度即垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋翘骄刻岣唛_采上限的重要方面，確定“兩帶”高度的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式方法、相似模擬方法、數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場實(shí)測方法等[4-8]。隨著最近幾年鉆孔成像技術(shù)在頂板巖層測試中的普及和不斷推廣，大量研究驗(yàn)證了鉆孔成像完全可以勝任對礦區(qū)地質(zhì)條件的調(diào)查[9-13]，并有王川嬰等通過鉆孔成像技術(shù)，以孔壁巖體的破碎程度為依據(jù)，建立了孔壁巖體完整性指數(shù)RMDI[14]，李衛(wèi)明等基于鉆孔攝像技術(shù)對水平孔節(jié)理裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究[15]。也為鉆孔成像技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用可靠性提供了相應(yīng)的驗(yàn)證。通過鉆孔成像技術(shù)對兗州礦區(qū)某礦井“兩帶”高度進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，并通過數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行模擬，二者得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，對鉆孔成像技術(shù)得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 研究區(qū)概況

測試鉆孔平面位置示意圖如圖1。測試鉆孔L17位于6311-1工作面內(nèi)，該面位于-430水平六采區(qū)南部，是六采區(qū)3煤層第12個區(qū)段工作面。西起工作面切眼，距六采南部軌道巷886 m；東至工作面設(shè)計停采線，距六采南部軌道巷50 m；工作面軌道巷北距六采區(qū)北部回風(fēng)上山50 m，距已回采完畢的6312工作面停采線和正在回采的6305工作面設(shè)計停采線193 m；工作面南部靠近煤層風(fēng)氧化帶及鮑家廠背斜核部。

圖1 測試鉆孔平面位置示意圖

該工作面上覆基巖厚度為39～67 m，為提高開采上限工作面，回采的煤層為3煤，分層開采，一分層采厚3.0 m；3煤，黑色，厚8.28～9.01 m，平均 8.51 m，上部以亮煤為主，下部以暗煤為主，屬半暗半亮型煤，煤層厚度穩(wěn)定，具條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。工作面煤層總體呈一單斜構(gòu)造，面內(nèi)小型次級寬緩褶曲較發(fā)育，煤層走向?yàn)?40°～90°～120°，傾向?yàn)?130°～0°～30°，煤層傾角為 4°～17°，平均 11°。煤層最低點(diǎn)位于工作面軌道巷中部，設(shè)計停采線西407 m處。最高點(diǎn)位于工作面軌道巷設(shè)計停采西66 m處。

工作面煤層總體呈一單斜構(gòu)造，屬鮑家廠背斜的北翼，面內(nèi)小型次級寬緩褶曲較發(fā)育，中、西部發(fā)育一次級寬緩向斜構(gòu)造，軸向60°，向北東方向傾伏。工作面東部發(fā)育一次級寬緩背斜構(gòu)造，軸向23°，向北東方向傾伏。

6311-1工作面3煤頂板基巖以砂巖和泥巖為主，二者交互成層，這種硬巖軟巖交互成層的組合結(jié)構(gòu)對于裂隙發(fā)育起到一定的抑制作用，并且對垂直方向上的充水砂源起到一定的阻隔作用。

6311-1工作面附近第四系下組平均厚度21.9 m，自上而下劃分為上段含水層、上段隔水層和下段含水層（簡稱“底含”）。在6311-1工作面區(qū)域內(nèi)，第四系下組底含厚度發(fā)育變化較大約為17.0～26.8 m，平均約21.9 m。以細(xì)砂、砂礫或含礫粗砂為主，垂向發(fā)育較連續(xù)，是下組地層主要含水層段。通過對研究區(qū)域下組的巖性及組合結(jié)構(gòu)分析和鉆孔抽水資料，認(rèn)為：6311-1工作面附近第四系下組存在1層較穩(wěn)定的含水層（簡稱“底含”），工作面范圍內(nèi)第四系幾乎無底黏分布；工作面區(qū)域第四系下組底含是6311-1工作面開采的主要充水（砂）源。

2 鉆孔成像測試結(jié)果與分析

2.1 基本原理

導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔嬎愎綖椋?/p>

式中：HL為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，m；H為煤層頂板距離地面垂深，m；hL為斷裂帶上限位置距離地面垂深，m。

垮落帶高度計算公式為：

式中：Hm為垮落帶高度，m；H為煤層頂板距離地面垂深，m；hm為垮落帶上限位置距離地面垂深，m。

2.2 測試結(jié)果

初始設(shè)備深度調(diào)整讀數(shù)為0 m，傳感器從鉆孔平臺孔口開始往鉆孔中輸送，平臺高度約0.4 m，根據(jù)鉆孔成像自動記錄深度，接觸套管與基巖時的記錄深度約209.622 m，結(jié)合鉆探套管實(shí)際埋設(shè)深度206 m。然后從209.622 m開始攝像頭基本勻速緩慢向下進(jìn)行錄像，得到了一系列不同深度孔壁的變形和破壞圖像。經(jīng)過現(xiàn)場3次套管下不同深度孔壁圍巖的鉆孔成像，然后在室內(nèi)通過對不同深度視頻的截屏對比分析，可得到不同深度相關(guān)孔壁巖性變形破壞特征，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測示意圖如圖2，垮落帶高度實(shí)測示意圖如圖3。

圖2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測示意圖

2.3 測試結(jié)果分析

根據(jù)6311-1工作面底板等高線分布及L17孔所在位置，可初步獲得該孔3煤層頂板埋深約243.8 m。通過對圖2和圖3的綜合對比分析，該孔位置上部基巖原生裂隙較發(fā)育，但沒有發(fā)現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象。導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы敳扛叨仍诔上耧@示孔深約225.083 m，垮落帶頂部高度在成像顯示孔深約在237.441 m。考慮鉆機(jī)平臺高度0.4 m，實(shí)際套管長度206 m。以實(shí)際套管長度為基準(zhǔn)經(jīng)過校核與計算，可得該孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨软敳柯裆?21.2 m，垮落帶高度頂部埋深233.4 m。結(jié)合式（1）和式（2）可分別計算出受到采動影響的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃s為22.6 m，垮落帶高度約為10.4 m。

圖3 垮落帶高度實(shí)測示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 工程地質(zhì)模型

根據(jù)6311-1工作面的地質(zhì)條件，選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，以6311-1工作面及其鄰近鉆孔揭露的頂?shù)装迕簬r層為地質(zhì)背景，根據(jù)巖性的不同，將基巖劃分為底含、細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖互層、泥巖和3煤等5個工程地質(zhì)巖組，整體結(jié)構(gòu)劃分為10層，并建立二維工程地質(zhì)層序結(jié)構(gòu)模型（圖4）。

圖4 工程地質(zhì)模型

工程地質(zhì)模型規(guī)格為400 m×300 m，模型高為114 m，煤層厚度為10 m，開采厚度為3 m，煤層頂板高度為68 m，覆巖壓力以補(bǔ)償荷載進(jìn)行等效替代。根據(jù)計算模型的實(shí)際賦存條件，計算模型的邊界條件設(shè)定為：

1）上部頂面邊界條件：與上覆巖層的重力有關(guān)。為了研究的方便，載荷的分布形式簡化為均布載荷，上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，即上覆的巖層重力，約為5.6 MPa。

2）下部底面邊界條件：本模型的下部邊界條件為底板，簡化為位移邊界條件，在y方向可以運(yùn)動，x方向?yàn)楣潭ㄣq支座。

3）前后、左右兩側(cè)面邊界條件：本模型的兩側(cè)邊界條件均為實(shí)體巖體，簡化為位移邊界條件，在y方向可以運(yùn)動，x方向?yàn)楣潭ㄣq支座。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)6311-1工作面的設(shè)計方案，結(jié)合頂?shù)装鍘r層的相關(guān)力學(xué)參數(shù)建立數(shù)值模擬模型，模型僅開采3煤頂部3 m，模型采用任意四邊形單元，共劃分為30 400個單元，32 760個節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模擬模型圖如圖5。

圖5 數(shù)值模擬模型圖

通過FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬3煤上分層開采3 m的過程，觀察煤層頂板的塑性區(qū)變化特征，來確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ш涂迓鋷У母叨劝l(fā)育情況。

6311-1工作面上分層開采后的沿走向和傾向方向上的塑性區(qū)分布示意圖如圖6。根據(jù)礦山壓力理論，煤層開采后自煤層頂板由下而上，依次發(fā)育拉伸破壞區(qū)、拉伸裂隙區(qū)、剪切破壞區(qū)和未破壞區(qū)域。塑性區(qū)主要類型為剪切屈服，出現(xiàn)在采空區(qū)兩端的支撐煤壁處，采空區(qū)中部的煤層頂板出現(xiàn)局部拉張屈服。從工作面3煤采后的頂板變形情況的模擬結(jié)果看，不管沿走向和傾向剖面，工作面中段頂板主要發(fā)生拉張屈服破壞，兩端為剪切破壞，工作面走向、傾向方向頂板的破壞區(qū)均呈馬鞍形，破壞高度最大部位在切眼及停采線附近。上述頂板采動后塑性區(qū)形態(tài)及最大發(fā)育位置的分布特點(diǎn)符合頂板采動應(yīng)力的分布規(guī)律：工作面頂板剪切屈服區(qū)分別出現(xiàn)在開切眼和停采線的斜上方和斜下方，其原因是這些部位是應(yīng)力集中的部位。

圖6 塑性區(qū)分布示意圖

根據(jù)圖6的塑性區(qū)分布圖，可以劃分出數(shù)值模擬得到的垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨?。結(jié)合模型和網(wǎng)格劃分的單元尺寸的大小可知，垮落帶高度約為9.0 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃s為 24.0 m。

4 結(jié)論

1）通過鉆孔成像方法實(shí)測6311-1工作面的垮落帶高度和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确秶玫皆摴ぷ髅鎸?dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃s為22.6 m，垮落帶高度約為10.4 m。

2）通過6311-1工作面的地質(zhì)和鉆孔資料，建立了6311-1工作面的工程地質(zhì)模型和數(shù)值模擬模型，運(yùn)用FLAC3D軟件對該工作面上分層開采進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗M(jìn)行了分析，得到垮落帶高度為9.0 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?24.0 m。

3）對比鉆孔成像和數(shù)值模擬方法，確定了該鉆孔位置3煤上分層開采頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃s為24.0 m，垮落帶高度約為 10.4 m。