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        基于鉆孔成像技術(shù)與數(shù)值模擬的“兩帶”高度研究

        2019-08-05 01:45:28于鐘博劉延欣武宇亮
        煤礦安全 2019年6期
        關(guān)鍵詞:模型

        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?jī)贾莸V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?,是探究提高開采上限的重要方面,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(chǎng)實(shí)測(cè)方法等[4-8]。隨著最近幾年鉆孔成像技術(shù)在頂板巖層測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)兗州礦區(qū)某礦井“兩帶”高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),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(duì)比分析,對(duì)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(cè)試鉆孔平面位置示意圖如圖1。測(cè)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(gè)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(jì)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(jì)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(cè)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(jí)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(jì)停采線西407 m處。最高點(diǎn)位于工作面軌道巷設(shè)計(jì)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(jí)寬緩褶曲較發(fā)育,中、西部發(fā)育一次級(jí)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(jí)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(duì)于裂隙發(fā)育起到一定的抑制作用,并且對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(cè)試結(jié)果與分析

        2.1 基本原理

        導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔?jì)算公式為:

        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(jì)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(cè)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(tái)孔口開始往鉆孔中輸送,平臺(tái)高度約0.4 m,根據(jù)鉆孔成像自動(dòng)記錄深度,接觸套管與基巖時(shí)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(chǎng)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(duì)不同深度視頻的截屏對(duì)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(cè)示意圖如圖2,垮落帶高度實(shí)測(cè)示意圖如圖3。

        圖2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)示意圖

        2.3 測(cè)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(duì)圖2和圖3的綜合對(duì)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(tái)高度0.4 m,實(shí)際套管長(zhǎng)度206 m。以實(shí)際套管長(zhǎng)度為基準(zhǔn)經(jīng)過校核與計(jì)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(jì)算出受到采動(dòng)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(cè)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(gè)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(jì)算模型的實(shí)際賦存條件,計(jì)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(jiǎn)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(jiǎn)化為位移邊界條件,在y方向可以運(yùn)動(dòng),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(jiǎn)化為位移邊界條件,在y方向可以運(yùn)動(dòng),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(jì)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(gè)單元,32 760個(gè)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(dòng)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(dòng)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(cè)6311-1工作面的垮落帶高度和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确秶?,得到該工作面?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(duì)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(duì)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(duì)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。

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