基于UDEC與示蹤法對某礦覆巖“三帶”高度范圍的研究*

史東瑞,楊根發(fā),張紅周,何喜剛

(華亭煤業(yè)集團有限責任公司 東峽煤礦,甘肅 華亭市 744100)

0 引言

近年來,隨著中東部煤炭資源的枯竭,西部煤炭能源迎來了長久發(fā)展契機。西北礦區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,薄煤層及中厚煤層資源儲量較多,區(qū)域儲量多變,且礦區(qū)瓦斯賦存量大。針對甘肅大部分礦井而言,采空區(qū)瓦斯有效抽采是十分必要的,在保證礦井高效生產(chǎn)的同時,避免煤礦安全事故的發(fā)生,順應(yīng)當前“綠色開采”的理念。

隨著開采工作面的不斷推進,周圍巖體不斷受到開采擾動,導致工作面頂板在豎直方向上出現(xiàn)“三帶”,即垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,“三帶”高度的劃分對于采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔的布置具有重要指導意義[2-3]。基于國內(nèi)外學者對“三帶”高度的研究,目前測定技術(shù)有理論分析、模擬分析、現(xiàn)場測定等[4-6]。通過理論計算,針對不同實際工況和地質(zhì)條件對采空區(qū)覆巖規(guī)律進行了有益的探索和研究,取得了大量的研究成果[7-12]。但不同地層、不同地質(zhì)構(gòu)造所對應(yīng)的覆巖規(guī)律是有差異性的。在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合理論公式、UDEC 模擬、現(xiàn)場測定3種方法對甘肅某礦深部煤層開采過程中采空區(qū)上覆巖層的移動變化規(guī)律進行研究,以期得到此類地質(zhì)構(gòu)造下的覆巖移動規(guī)律,并為此類地質(zhì)條件礦井采空區(qū)高位鉆孔的布置提供借鑒。

1 礦井概況

井田位于甘肅省東部華亭市,整體上為一單斜構(gòu)造,地層走向125°～160°,由北往南略呈“S”形,地層傾向30°～80°,傾角為22°～38°。井田內(nèi)斜交斷層較發(fā)育,區(qū)域性斷層龍昌斷層位于井田北部,F1斷層位于礦區(qū)可采煤層,該煤層為15號煤層,位于煤層南部,F2斷層位于礦區(qū)北部,3條斷層東西向貫穿整個礦區(qū)。區(qū)內(nèi)含1 層全層厚度為1.01～3.18 m、平均厚度1.72 m 的煤層,煤層不含夾矸,屬結(jié)構(gòu)簡單的全區(qū)可采較穩(wěn)定煤層。頂板為薄至中厚炭質(zhì)、粉砂質(zhì)黏土巖,底板為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖,頂板巖石質(zhì)量中等,完整性中等,屬較軟-堅硬等巖類,穩(wěn)固性中等。15號煤層直接頂飽和單軸抗壓強度在20.63～31.79 MPa之間,平均為26.54 MPa,頂板管理采用全部陷落法。

2 “兩帶”高度的理論計算

“兩帶”常指冒落帶與導水裂隙帶,確定“兩帶”的范圍,兩帶以上范圍為彎曲下沉帶。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》,采用經(jīng)驗公式(1)和公式(2)分別對煤層分層開采的垮落帶高度、裂隙帶高度進行計算。

垮落帶高度:

裂隙帶高度:

式中,HK為垮落帶高度;∑M為累計采厚;HLi為導水裂隙帶高度。

將煤層采高1.7 m 代入式(1)、式(2),得出垮落帶高度為4.15～8.55 m,導水裂隙帶高度為21.47～32.68 m。

3 UDEC模擬及結(jié)果分析

為了進一步精確得出覆巖“三帶”的分布狀況,采用UDEC模擬軟件,結(jié)合該礦的地質(zhì)條件建立計算模型,其模型長180 m,高82 m。將模型左右兩側(cè)及底部速率設(shè)為0,頂部施加上覆巖層的載荷,且在距離模型的左右兩側(cè)邊界預(yù)留40 m 的煤柱,消除模型邊界對模型開挖結(jié)果的影響。待模型建成后,進行工作面的推進,通過對不同時期開挖后的模型圖進行分析,觀察“三帶”高度范圍[13-14]。針對該礦,共模擬了5個推進度,分別為推進10 m、20 m、30 m、40 m、80 m,并對其頂板狀況圖進行分析。頂板狀況如圖1所示。

圖1 頂板狀況

由圖1可知,工作面推進至10 m 時發(fā)生初次垮落,此時垮落高度為4.5～5.5 m。隨著工作面的推進,裂隙不斷向上發(fā)育,受基本頂破斷的影響,直接頂垮落高度增加,當推進度達到30 m 時,此時冒落帶的最大高度為8.0 m。當工作面推進到40 m 時采空區(qū)出現(xiàn)壓實區(qū),此時裂隙高度達到33 m 左右。當工作面進行向前推進,直至80 m 時,采空區(qū)后方一定區(qū)域逐漸壓實,裂隙帶高度幾乎未發(fā)生改變,僅存在一些彎曲下沉造成的少量微裂隙。因此,通過數(shù)值模擬得到垮落帶的高度為6～8 m,導水裂隙帶的最大高度達33 m 左右。

其實冥河盜龍并沒有發(fā)現(xiàn)腫頭龍群，它們只不過是在森林中閑逛，但是腫頭龍?zhí)痈Z的動靜實在是太大了，引起了冥河盜龍的注意，于是它們朝著腫頭龍群跑過來。

4 示蹤法測定覆巖“三帶”高度

4.1 示蹤氣體測定技術(shù)

示蹤技術(shù)應(yīng)用示蹤劑來研究氣體流動的蹤跡和規(guī)律,將其用于煤礦“豎三帶”的高度測定較為方便[15-16]。結(jié)合該礦地質(zhì)條件,此次示蹤劑采用SF6氣體,該氣體為惰性氣體,化學穩(wěn)定性較強,且監(jiān)測靈敏度較高。此次所用監(jiān)測設(shè)備為SF6氣體檢測儀,另外還需SF6氣體注氣管、壓力表、封孔材料等。將氣體SF6注入預(yù)先打好的高位測試鉆孔中,隨著工作面的推進,鉆孔由最初的原巖應(yīng)力區(qū)進入到裂隙帶區(qū)域及垮落帶區(qū)域,高位鉆孔里的示蹤氣體SF6逸散到采空區(qū)內(nèi),觀測采空區(qū)瓦斯抽采管路中SF6的出現(xiàn)的時間及濃度變化,通過高位鉆孔與工作面的距離即可確定工作面覆巖“三帶”的高度。

隨著工作面的推進,高位測試鉆孔由原巖應(yīng)力區(qū)過渡到裂隙帶區(qū)域,再由裂隙帶區(qū)域過渡到垮落帶區(qū)域,最后垮落區(qū)域及裂隙區(qū)域又被重新壓實。當高位鉆孔由原巖應(yīng)力區(qū)過渡到裂隙帶區(qū)域時,測試鉆孔內(nèi)的氣體SF6開始向采空區(qū)逸散,即SF6氣體檢測儀監(jiān)測出采空區(qū)瓦斯抽采管出現(xiàn)氣體SF6,且隨著裂隙帶的發(fā)育,抽采管中氣體SF6的濃度在一定時間內(nèi)會不斷提高,達到一個峰值。隨著覆巖裂隙的不斷發(fā)育,高位鉆孔由裂隙帶區(qū)域過渡到垮落帶區(qū)域時,由于鉆孔漏風,導致抽采管中氣體SF6的濃度在一定時間內(nèi)逐漸降低,直至趨于穩(wěn)定。高位測試鉆孔在由原巖應(yīng)力區(qū)—裂隙帶區(qū)域—垮落帶區(qū)域—重新壓實區(qū)過渡的過程中,采空區(qū)瓦斯抽采管中氣體SF6的濃度曲線呈“駝峰”狀,共出現(xiàn)了3個轉(zhuǎn)折點A、B、C。其分別對應(yīng)的是鉆孔進入裂隙發(fā)育階段(即裂隙帶的上部邊界)、裂隙帶發(fā)育最完全階段、裂隙停止發(fā)育階段(裂隙帶的下部邊界),如圖2所示。裂隙帶高度確定后,即可確定其余“兩帶”高度。

圖2 氣體SF6 濃度變化曲線

4.2 試驗方案及結(jié)果分析

基于示蹤氣體測定技術(shù)的原理,采用多個鉆孔進行對比測定分析,避免試驗的偶然性。此次在15101工作面回風巷施工4 個不同高度的高位鉆孔,4個鉆孔的垂高分別為采高的10 倍、15 倍、20倍、25倍。每個鉆孔之間間距設(shè)為100 m,保證各鉆孔互不影響。待鉆孔完成后,向鉆孔內(nèi)放注氣管,直至鉆孔底部,并對鉆孔進行封孔,且封孔高度不影響氣體SF6的注入。待封孔結(jié)束后,將各鉆孔注氣管與注氣裝置連接,通過壓力表與流量計來保證4個鉆孔中SF6的總量和壓力相同。鉆孔布置示意圖如圖3所示。高位鉆孔參數(shù)詳見表1。

表1 高位鉆孔設(shè)計參數(shù)表

圖3 鉆孔布置示意

隨著工作面的推進,高位鉆孔從原巖應(yīng)力區(qū)過渡到裂隙帶區(qū)域,再由裂隙帶區(qū)域過渡到垮落帶區(qū)域,隨著裂隙的逐漸發(fā)育,氣體SF6不斷擴散。不同高度的高位鉆孔所受采動影響不同,且氣體SF6的擴散時間及擴散程度也有所區(qū)別。通過氣體SF6濃度隨時間變化的曲線圖,記錄每個鉆孔出現(xiàn)氣體SF6,從濃度開始增加,到達峰值,再降低,最后趨于穩(wěn)定。采空區(qū)瓦斯抽采管氣體SF6濃度變化圖,如圖4所示。對4個鉆孔相對應(yīng)的采空區(qū)抽采管中氣體SF6濃度曲線圖進行分析。

圖4 采空區(qū)SF6 濃度變化曲線

由圖4可以看出:

(1) 由于各鉆孔布置的垂高不同,受采動影響程度不同,氣體SF6的濃度擴散程度也就不同。鉆孔P1、P2對應(yīng)的濃度曲線未出現(xiàn)“駝峰”狀,說明鉆孔垂高相對較低,受采動影響較大,只經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的部分過程。鉆孔P3、P4 對應(yīng)的濃度曲線出現(xiàn)“駝峰”狀,說明鉆孔經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的全過程。

(2) 從鉆孔P1的濃度變化曲線可以看出,采空區(qū)SF6濃度在第3 天達到最高濃度,最高濃度為70×10-6,根據(jù)此時工作面與鉆孔的間距,此時鉆孔對應(yīng)垂高點為16.2 m。之后濃度迅速下降,直至穩(wěn)定,最低濃度為5×10-6。此時鉆孔對應(yīng)垂高點為7.4 m,則斷裂帶下邊界為7.4 m。

(4) 從鉆孔P3的濃度變化曲線可以看出,在觀測時間的第2天,采空區(qū)出現(xiàn)氣體SF6,此時鉆孔對應(yīng)垂高點為30.1 m。隨著工作面的推進,氣體濃度SF6逐漸增加,最高濃度為73×10-6,此時鉆孔對應(yīng)垂高點為23.4 m。之后濃度迅速下降,直至穩(wěn)定,最低濃度為7×10-6。此時鉆孔對應(yīng)垂高點為11.2 m,則斷裂帶的上邊界為30.1 m,下邊界為11.2 m。

(5) 從鉆孔P4的濃度變化曲線可以看出,在觀測時間的第4天,采空區(qū)出現(xiàn)氣體SF6,此時鉆孔對應(yīng)垂高點為32.5 m。隨著工作面的推進,氣體濃度SF6逐漸增加,最高濃度為73×10-6,此時鉆孔對應(yīng)垂高點為28.2 m。之后濃度迅速下降,直至穩(wěn)定,最低濃度為8×10-6。此時鉆孔對應(yīng)垂高點為12.3 m,則斷裂帶的上邊界為32.5 m,下邊界為12.3 m。

綜上所述,垮落帶的范圍為小于7.4 m,導水裂隙帶的范圍為7.4～32.5 m,彎曲下沉帶的范圍為大于32.5 m,斷裂帶發(fā)育完全的層位位于23.4～28.2 m。

5 結(jié)論

(1) 通過理論計算垮落帶高度為4.15～8.55 m,導水裂隙帶高度為21.47～32.68 m。

(2) 通過數(shù)值模擬結(jié)果可知,垮落帶的高度為6～8 m,導水裂隙帶的最大高度達33 m 左右。當工作面推進至40 m 時,采空區(qū)后方出現(xiàn)重新壓實區(qū)。

(3) 通過示蹤氣體技術(shù)測得,高位鉆孔P1與P2垂高較低,只經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的部分過程,鉆孔P3與P4垂高相對較高,經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的全過程?？迓鋷У姆秶鸀樾∮?.4 m,導水裂隙帶的范圍為7.4～32.5 m,彎曲下沉帶的范圍為大于32.5 m,斷裂帶發(fā)育完全的層位位于23.4～28.2 m。

(4) 結(jié)合3種方式,該礦垮落帶范圍小于6～8 m,斷裂帶的范圍為8～33 m(斷裂帶發(fā)育完全的層位于23.4～28.2 m),彎曲下沉帶的范圍大于33 m。該礦采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔應(yīng)布置在頂板8～28.2 m處,抽采效果較好。對于煤礦來說,氣體示蹤技術(shù)相對經(jīng)濟、安全、高效,綜合分析理論公式與數(shù)值模擬結(jié)果,精確度也相對較高。