綜采工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

王彥敏，蔡先偉，江東海，黃萬(wàn)朋

(1.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司 霄云煤礦，山東 濟(jì)寧 272213；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是確定防水煤巖柱尺寸、提高開(kāi)采上限、制定礦井防治水措施的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，對(duì)水體下安全開(kāi)采、預(yù)防礦井水害具有重要作用[1-2]。王延蒙等[3]為了得出司馬煤礦薄基巖區(qū)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，對(duì)薄基巖分布特征及巖層力學(xué)特性進(jìn)行了分析，進(jìn)而利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，同時(shí)運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)煤層開(kāi)采進(jìn)行了模擬。朱偉[4]為研究厚松散含水層薄基巖下厚煤層綜放開(kāi)采的安全性，從黏土采動(dòng)隔水性和近第四系底部導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征兩個(gè)方面進(jìn)行了討論，實(shí)現(xiàn)了地表水體和第四系松散含水層水體下的綜放安全開(kāi)采。李萬(wàn)陽(yáng)[5]基于興源礦四采區(qū)薄基巖區(qū)，煤層開(kāi)采受上覆第四系底部含水層水害的威脅，制定了采區(qū)綜采面薄基巖區(qū)分段科學(xué)控制采高，防止第四系底部突水的技術(shù)方案。

為準(zhǔn)確獲得綜采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，以霄云煤礦受水害影響的1314工作面為研究背景，通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，對(duì)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行研究，為該礦井相似采礦條件下的工作面導(dǎo)水裂隙帶高度及防治水研究提供一定的參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

1314工作面為山東省濟(jì)寧市霄云煤礦一采區(qū)東翼第6個(gè)工作面，工作面北為1312工作面采空區(qū)，南為村莊保護(hù)煤柱，西至1314膠帶聯(lián)絡(luò)巷(第四系防水保護(hù)煤柱)，東側(cè)為采區(qū)邊界煤柱。工作面回采3號(hào)煤層，底板標(biāo)高-558.7～-654.4 m，工作面長(zhǎng)216 m，推進(jìn)長(zhǎng)度910 m，煤層厚度2.1～4.3 m，平均采高3.5 m.工作面內(nèi)發(fā)育兩條火成巖侵入巖體，在工作面內(nèi)延伸距離較長(zhǎng)，對(duì)工作面回采有一定影響；發(fā)育2條煤層沖刷變薄區(qū)，其中1條沖刷變薄區(qū)范圍較大，煤層較薄，對(duì)工作面回采影響較大。工作面頂板及上覆巖層主要為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，粗砂巖、含礫中砂巖、含礫粗砂巖等。圖1為1314工作面采掘工程平面圖。

圖1 1314工作面采掘工程平面

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度理論分析

1314工作面上覆巖層主要為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粗砂巖、含礫中砂巖、含礫粗砂巖等，采用厚度加權(quán)計(jì)算上覆巖層單軸抗壓強(qiáng)度平均值小于40 MPa，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》要求，1314工作面上覆巖層屬于“中硬”巖層，可用公式(1)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度[6]：

(1)

式中：HIi為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，m；M為工作面采高，取3.5 m.

經(jīng)計(jì)算，1314工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為32.44～43.64 m.

3 數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型建立

根據(jù)霄云煤礦1314工作面地質(zhì)概況和煤層及頂?shù)装逄卣?，運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模擬計(jì)算模型，其中工作面長(zhǎng)度方向?yàn)閄方向，工作面推進(jìn)方向?yàn)閅方向，埋深為Z方向。建立的數(shù)值模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=600 m×300 m×240.5 m，模型共包括145 908個(gè)單元，含有151 668個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。煤層上方(Z方向)共建立巖層厚度150 m，其余巖層(430 m)自重以垂向載荷的形式施加在模型邊界上，施加載荷為10.75 MPa.建立的數(shù)值模擬計(jì)算模型見(jiàn)圖2.建立模型所用的各巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

待模型各巖層參數(shù)賦值后，首先進(jìn)行模型平衡計(jì)算，模型平衡后，初始化模型各個(gè)方向的位移與速度，得到初始平衡模型，平衡后進(jìn)行工作面回采模擬。工作面回采模擬完成后，導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)巖層裂隙的形成發(fā)育是由于巖層的彎曲下沉造成的，因此通過(guò)分析工作面上覆巖層拉應(yīng)力分布特征可較好研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，圖3為不同推進(jìn)距離時(shí)拉應(yīng)力場(chǎng)分布圖。

圖3 不同推進(jìn)距離時(shí)拉應(yīng)力場(chǎng)分布圖(m)

由圖3可以看出：隨著工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層內(nèi)的拉應(yīng)力范圍高度在逐漸增高，且隨著工作面推進(jìn)，拉應(yīng)力高度增長(zhǎng)速率在逐漸減?。寒?dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，拉應(yīng)力高度為11.94 m；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，拉應(yīng)力高度為24.14 m，增加了102.2%；當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時(shí)，拉應(yīng)力高度為33.24 m，增加了37.7%；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，拉應(yīng)力高度為36.47 m，增加了9.7%；當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時(shí)，拉應(yīng)力高度為38.72 m，增加了6.2%；當(dāng)工作面推進(jìn)80 m時(shí)，拉應(yīng)力高度為38.72 m，高度不再增加。工作面上覆巖層拉應(yīng)力分布特征可較好反應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，因此，數(shù)值模擬得出：1314工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為38.72 m.

4 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)

采用井下導(dǎo)高觀測(cè)儀在1314工作面進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)，在軌道巷內(nèi)施工2個(gè)觀測(cè)鉆孔，其中觀測(cè)鉆孔1傾角40°，孔深85 m，觀測(cè)鉆孔2傾角45°，孔深80 m.圖4為觀測(cè)鉆孔布置圖。

圖4 觀測(cè)鉆孔布置示意

由鉆孔孔底起自上而下逐段測(cè)試每段鉆孔的注水漏失量，通過(guò)注水漏失量可得到可靠的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限，表2為兩鉆孔注水漏失量。

表2 兩鉆孔注水漏失量

由表2可以看出：鉆孔1在垂高為39.5 m、鉆孔2垂高為38.4 m時(shí)，兩鉆孔的注水漏失量均突然增大至20 L/min以上，說(shuō)明鉆孔此時(shí)由彎曲下沉帶進(jìn)入了導(dǎo)水裂隙帶，因此鉆孔注水漏失量突然增大。2個(gè)導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)鉆孔，均比較準(zhǔn)確地測(cè)試出了1314工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的上限值，觀測(cè)成果相互印證，可以得到較為可靠的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度結(jié)果。為了保證較高的安全系數(shù)，取最大值作為最終結(jié)果，最終確定1314工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為39.5 m，裂采比為11.29.

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 霄云煤礦1314工作面上覆巖層主要為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粗砂巖、含礫中砂巖、含礫粗砂巖等，屬“中硬”巖層，經(jīng)理論計(jì)算得出回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為32.44～43.64 m.

2) 采用有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算得出：隨著工作面推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶高度逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)至70 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度不再增加，維持在38.72 m.

3) 采用井下導(dǎo)高觀測(cè)儀實(shí)測(cè)工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為保證安全，取最大值作為實(shí)測(cè)最終結(jié)果，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為39.5 m，裂采比為11.29.