劉葉青，冷 丹，趙海陸，田 蕾

(1.中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100040； 2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030000)

0 引言

新發(fā)煤礦位于黑龍江省雞西市，含煤地層為中生界下白堊統(tǒng)雞西群城子河組和穆棱組。該礦地質(zhì)儲量為11 298.1萬t，可采儲量3 529.5萬t，其中“三下”壓煤5 861.2萬t，占整個地質(zhì)儲量的51.9%。

29#煤層為礦井的主要開采煤層，煤厚0.24～2.33m，煤層傾角15°。穆棱河從井田北部縱貫全區(qū)，河床寬廣，河道迂回曲折，形成眾多牛軛湖，地面水體遍布。穆棱河平均流量32m3/s，歷史最大洪水流量達4 750m3/s。井田北部煤系及其煤層露頭直接與第四系沖積層接觸，因此，地表水體成為礦井的直接充水水源，并威脅礦井安全生產(chǎn)。頂板導(dǎo)水裂隙帶為主要導(dǎo)水通道。如何準確測量和計算裂隙帶和垮落帶發(fā)育高度是合理設(shè)置煤礦開采上限的關(guān)鍵。

1 地面實測法

1.1 裝置及原理

地面實測法，既鉆孔沖洗液消耗觀測法，在采區(qū)地面布置2個鉆孔(圖1)，觀測鉆進過程中的鉆孔沖洗液消耗量、鉆孔水位變化以及在鉆進過程中的各種異?，F(xiàn)象(如掉鉆、卡鉆、吸風、瓦斯涌出等)，同時配合在試驗鉆孔內(nèi)進行彩色鉆孔電視成像觀測，經(jīng)過綜合分析最終獲得煤層頂板垮落帶及裂縫帶發(fā)育高度的實測數(shù)據(jù)。

鉆孔的開孔口徑180mm，下入168mm表層套管。非觀測段口徑145mm，下127mm套管并進行鉆孔封閉。觀測段口徑110mm。S1鉆孔的觀測段為85.02～145.07m，S2鉆孔的觀測段為89.65～147.12m。

圖1 實測鉆孔布置Figure 1 Actual measurement boreholes layout

1.2 鉆孔觀測

以S1鉆孔為例，從85.02m處開始進行沖洗液消耗量觀測，平均漏失速度0.33L/(s·m)。鉆進至117.45m時，鉆孔沖洗液全部漏失。鉆孔初始水位埋深為13.3m左右，鉆進過程中水位降速平均為0.2m/min。自115.45m至117.45m水位降速達到0.1 m/min。鉆進至孔深117.45m后，水位迅速降低(圖2)，鉆探顯示此段巖心較破碎，有明顯縱向裂隙，判斷應(yīng)為采動裂隙所致。

圖2 沖洗液消耗量-水位埋深-孔深曲線Figure 2 Flush fluid loss-water level depth-borehole depth curves

S1鉆孔的井下彩色鉆孔電視影像顯示115.5m以下部分可以看出上部橫向裂隙較為發(fā)育，判斷為裂縫帶的頂點(圖3a)；141.8m處巖石較破碎，裂隙寬度與深度均較大，交錯發(fā)育，符合采動裂隙的特征，可以判斷此處為垮落帶發(fā)育頂點(圖3b)。

圖3 井下鉆孔彩色電視影像Figure 3 Underground borehole color TV image

1.3 觀測成果

依據(jù)《導(dǎo)水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》MT/T865-2000標準，裂隙帶高度計算公式為：

H裂=H-M-h裂-L+w,

(1)

式中：H裂為裂縫帶最大高度，m；H為煤層底板距離孔口垂高，m；M為煤層采厚，m；L為孔口距離地表的垂高，m；h裂為裂隙帶頂點距離地面垂深，m；W為巖層的壓縮值，取0.2m。

經(jīng)計算得S1孔觀測裂縫帶高度為32.84m。

垮落帶高度計算公式為：

H垮=H-M-h垮+W，

(2)

式中：H垮為垮落帶最大高度，m；H為煤層底板距離孔口垂高，m；M為采厚，m；h垮為垮落帶頂點距離孔口垂深，m；W為巖層的壓縮值，取0.2m。

經(jīng)計算得S1孔觀測垮落帶高度為6.54m。

同理，S2孔的裂隙帶高度為30.51m，垮落帶高度為5.78m。最終實測數(shù)據(jù)取2個鉆孔的平均值：裂隙帶高度為31.68m，垮落帶高度為6.16m。

2 工程地質(zhì)模型試驗法

2.1 裝置及原理

工程地質(zhì)模型試驗(相似模擬試驗)是以相似理論、類比分析作為依據(jù)的實驗室研究方法。根據(jù)礦井實際開采的工作面長度和煤層厚度，以及頂板巖石的力學性質(zhì)和發(fā)育結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)利用砂、黏土、重晶石、云母粉、石膏、水泥、石灰、水玻璃、等材料按照不同的配比做成比例模型，并事先在模型中埋入應(yīng)變心片，通過試驗系統(tǒng)進行加壓并模擬采掘活動，從而觀測頂板“巖石”的變形和應(yīng)力分布特征(圖4)。

圖4 冒落帶發(fā)育模擬成果Figure 4 Caving zone development simulated results

2.2 模擬結(jié)果

模型在開挖結(jié)束穩(wěn)定后，測量裂縫帶高度為26.3m(模型比1∶100)，垮落帶高度4.5m。12.78m厚的中粒砂巖和上方巖層出現(xiàn)離層。

3 數(shù)值模擬法

3.1 方法原理

在建立地質(zhì)體工程地質(zhì)模型及力學性態(tài)本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析的方法，求解地質(zhì)體隨時間的變形(位移)、應(yīng)力及破裂狀態(tài)的變化過程，即為數(shù)值模擬。煤系頂板巖體本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性本構(gòu)模型，考慮巖體的低抗拉特性，采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb屈服準則。

數(shù)值模擬應(yīng)用三維有限差分計算機程序FLAC3D進行計算。FLAC3D程序具有強大的后處理功能，用戶可以直接在屏幕上繪制或以文件形式創(chuàng)建和輸出打印多種形式的圖形(圖5、圖6)。

圖5 導(dǎo)水裂隙帶高度模擬Figure 5 Water conducted zone height simulation

圖6 應(yīng)力場模擬Figure 6 Stress field simulation

3.2 模擬過程

本次數(shù)值模型的長、寬、高尺寸依次為200、50、1.6m，考慮到計算精度與網(wǎng)格疏密的密切關(guān)系將模型共剖分為6 800個單元。在對工作面的回采進行數(shù)值模擬時，采用分步采全高來評價回采過程對頂板覆巖的影響，模擬開挖分六步進行，第一步先開挖10m，第二步即在此基礎(chǔ)上再開挖10m，第三步至第六步依次為30、50、50、50m。

3.3 模擬結(jié)果

模型模擬每次回采后，煤層垂直位移均有不同程度的增加，增加幅度為0.8～1.2m，根據(jù)最后六步累積回采200m后的累計位移，確定頂板垮落帶高度為6.82m，同理確定頂板裂隙帶高度為36.88m。

4 經(jīng)驗公式計算法

依據(jù)《煤礦防治水手冊》中垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗公式，對垮落帶及裂隙帶發(fā)育高度進行計算。裂隙帶高度計算公式為：

(3)

式中：Hli為裂隙帶高度，m；ΣM為累計采厚，m?？迓鋷Ц叨扔嬎愎綖椋?/p>

(4)

式中：Hm為垮落帶高度，m；ΣM為累計采厚，m。

計算可得裂隙帶高度為10.44～33.42m，垮落帶高度為3.33～12.75m。

5 結(jié)論

對4種方法的成果進行對比，其結(jié)果較為接近，其中數(shù)值模擬的值偏大，工程地質(zhì)模型試驗法的值最小(表1)。

表1 成果匯總

(1)地面實測法較為直觀的獲取了煤層頂板垮落帶及裂隙帶發(fā)育高度，不足之處在于施工條件苛刻，施工周期較長，費用較高。

(2)工程地質(zhì)模型試驗法方法較為容易實施，模擬實驗可人為控制和改變試驗條件，從而可確定單因素或多因素對礦山壓力影響的規(guī)律，清楚直觀，試驗周期短。經(jīng)驗公式法和數(shù)值模擬法成本較高，且受試驗條件和人為影響因素較大。

(3)數(shù)值模擬法較其他方法操作簡便，無需實物工作量，人工干預(yù)程度較高，但過于理想化，沒有考慮上下煤層之間的互相影響。

(4)經(jīng)驗公式是通過大量的煤礦生產(chǎn)實際觀測數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析而來，其具有一定的宏觀指導(dǎo)意義，但是對于具體的煤礦和不同的煤層賦存條件有其局限性。

(5)對比4種方法，地面實測法較為真實的反映了頂板垮落帶及裂隙帶的發(fā)育狀況，更切合實際，因此，最終采用了地面實測法的結(jié)果。在不具備地面實測法施工條件的礦區(qū)建議以其它方法為參考。

[1]田秀榮，等.龍煤股份雞西分公司新發(fā)煤礦水文地質(zhì)補充勘探報告[R].北京：北京大地高科煤層氣工程技術(shù)研究院,2015.

[2]劉新河,段文堂,楊本生.水下礦床開采的相似模擬研究[J].黃金, 2001, 22( 5) : 18- 20.

[3]劉紅元,劉建新,唐春安.采動影響下覆巖垮落過程的數(shù)值模擬[J].巖土工程學報,2001, 23(2):201-204.

[4]李煥春,張有朝,王士平.高密度高分辨電阻率法在采空區(qū)“三帶”的探測研究[J].河北煤炭, 1999( 2) :38- 40.

[5]朱國維,王懷秀.利用超聲成像技術(shù)輔助判定覆巖破壞鉆孔的導(dǎo)水裂隙帶高度[J].淮南工業(yè)學院學報, 1999, 19( 3) : 5- 10.

[6]熊曉英.導(dǎo)水裂隙帶高度探測新方法綜述[J].安徽地質(zhì), 2004, 14(2):95-98.

[7]張平松,吳基文,劉盛東.煤層采動底板破壞規(guī)律動態(tài)觀測研究.巖石力學與工程學報[J]，2006，10.

[8]朱術(shù)云,鞠遠江,趙振中.超化煤礦“三軟”煤層采動底板變形破壞的實測研究.巖土工程學報[J]，2008，24.

[9]陳國勝,王心義,翟宇.煤層底板采動破壞深度探查技術(shù)[J].煤礦安全，2014，(04).

[10]武強,趙蘇啟,董書寧,等.煤礦防治水手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.