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        綜合探測9105工作面導水裂隙帶高度

        2020-11-16 06:29:36
        江西煤炭科技 2020年4期
        關(guān)鍵詞:導水覆巖巖層

        張 罡

        (山西煤炭運銷集團蓋州煤業(yè)有限公司,山西 高平 048400)

        工作面回采過程中,可能會受覆巖含水層的威脅,影響工作面的安全回采[1-2]。因此,需對工作面覆巖導水裂隙帶高度進行實測。 若在導水裂隙帶高度范圍內(nèi)受含水層或老空區(qū)積水影響,為了避免工作面發(fā)生突水事故,應超前探放水或者注漿加固含水層,確保無威脅后再進行回采[3-5]。蓋州煤礦9105 工作面受頂板K5灰?guī)r水和回采后殘留3 號老空水影響。 雖然工作面回采前進行了超前探放水,但仍有殘余老空積水沿裂隙導入工作面。 為了避免工作面發(fā)生突水事故,確保工作面安全回采,應對工作面導水裂隙帶高度進行探測。

        1 工作面概況

        9105 工作面北部為9 號煤層三條大巷,東部為未開采9107 工作面,西部為已回采的9103 綜采工作面,南部為井田邊界。 工作面主采9 號煤層,煤厚1.6~1.92 m,平均厚1.7 m,傾角小于5°。工作面受K5灰?guī)r水和回采后殘留3 號老空水影響,需對導水裂隙帶進行實測。 9 號煤頂板主要為泥巖、砂巖,其上方有多層較為穩(wěn)定的石灰?guī)r層,需按中硬巖層來估算導水裂隙帶高度。

        2 導水裂隙帶高度數(shù)值模擬

        2.1 模擬方案

        采用FLAC3D模擬9105 工作面回采后覆巖變形破壞規(guī)律,確定覆巖頂板裂隙帶發(fā)育高度[6]。 根據(jù)工作面地質(zhì)條件和覆巖性質(zhì),建立400 m×100 m×225.7 m 的力學模型, 劃分為22 800 個單元和27 577 個節(jié)點,其中材料參數(shù)見表1。

        表1 9105 工作面圍巖力學參數(shù)

        2.2 模擬結(jié)果分析

        (1)應力分布

        通過數(shù)值模擬9105 工作面覆巖破壞規(guī)律,得到工作面應力分布,見圖1。

        圖1 9105 工作面覆巖應力分布

        由圖1 可知,9105 工作面回采后, 上覆巖層受拉應力影響較大區(qū)域, 即垮落帶最大高度為10 m左右;上覆巖層受拉應力影響較小區(qū)域,即裂隙帶最大高度為19.3 m; 裂隙帶以上為上覆巖層彎曲下沉帶。 由于導水裂隙帶高度為垮落帶和裂隙帶之和。 因此,9105 工作面導水裂隙帶高度為29.3 m。

        (2)塑性區(qū)分布

        通過數(shù)值模擬9105 工作面覆巖破壞規(guī)律,得到工作面塑性區(qū)分布,見圖2。

        圖2 9105工作面覆巖塑性區(qū)分布

        9105 工作面回采后,覆巖彎曲下沉造成工作面頂板巖層發(fā)生塑性破壞,破壞形式主要為剪切屈服破壞。 由圖2 可知,工作面塑性區(qū)的范圍在上覆巖層29.3 m 范圍以內(nèi), 其中連續(xù)塑性區(qū)最大高度為29.3 m。

        (3)導水裂隙帶分布

        通過數(shù)值模擬9105 工作面覆巖破壞規(guī)律,得到工作面導水裂隙帶分布,見圖3。

        圖3 9105 工作面導水裂隙帶分布

        9105 工作面覆巖受拉應力影響,部分巖層垮落下沉形成“三帶”,導水裂隙帶最大高度不應大于拉應力區(qū)和塑性變形區(qū)最大高度。 由圖3 可知,9105工作面導水裂隙帶最大高度為29.3 m。

        3 導水裂隙帶高度實測

        3.1 探測方案

        在9105 工作面運輸順槽的5J15 標志點處向9105 工作面采空區(qū)方向施工2 個頂板探測鉆孔和1 個對比鉆孔。 1#鉆孔施工至44 m 處,2#鉆孔施工至45 m 處,3#鉆孔施工至46 m 處, 終孔處煤層厚度約為1.7 m 左右,鉆孔施工參數(shù)見表2。

        表2 9105 工作面導高觀測鉆孔參數(shù)

        3.2 探測結(jié)果分析

        (1)1#鉆孔

        通過觀測1#鉆孔可知,9105 工作面上覆巖層注水漏失量主要分為兩個區(qū)域, 其中I 區(qū)注水漏失量相對較小, 表明該區(qū)域巖層裂隙由原生裂隙構(gòu)成,裂隙發(fā)育不明顯,巖層滲透率小,導水裂隙帶高度未發(fā)展到I 區(qū)域;II 區(qū)注水漏失量大,表明該區(qū)域巖層次生裂隙發(fā)育明顯,巖層滲透率大,裂隙導水能力強,導水裂隙帶主要為II 區(qū)域。 根據(jù)1#鉆孔探測結(jié)果得到I、II 區(qū)域各項參數(shù)見表3。

        表3 1#鉆孔探測結(jié)果

        1#鉆孔在探測過程中, 垂高由27.3 m 減小到26.3 m 時, 巖層滲水量由3.8 L/min 增大至9.6 L/min。由此可知,1#孔探測9105 工作面導水裂隙帶最大高度為27.3 m 左右。

        (2)2#鉆孔

        2#鉆孔同樣觀測到上覆巖層注水量主要分為Ⅲ、Ⅳ兩個區(qū)域,其中Ⅲ區(qū)域巖層滲透率小,Ⅳ區(qū)域注水漏失量大, 上覆巖層導水裂隙帶主要為Ⅳ區(qū)域。 2#鉆孔探測兩區(qū)域各項參數(shù)見表4。

        表4 2#鉆孔探測結(jié)果

        2#鉆孔在探測過程中, 垂高由28.8 m 減小到27.87 m 時, 巖層滲水量由3.5 L/min 增大至8.7 L/min。 由此可知,2#孔探測9105 工作面導水裂隙帶最大高度為28.3 m 左右。

        采用1#、2#兩個探測孔觀測9105 工作面上覆巖層導水裂隙帶高度,探測結(jié)果較為準確。其中,1#鉆孔探測高度為h1=27.3 m,2#鉆孔探測高度為h2=28.8 m,兩鉆孔探測結(jié)果取平均值為h=28.05 m。

        4 導水裂隙帶高度

        9105 工作面鉆孔實測導水裂隙帶高度需要與覆巖性質(zhì)結(jié)合進行分析,當工作面主采煤層9 煤頂板往上至5.6 m 厚的灰?guī)r時, 巖層距工作面垂高28.9~29.3 m,超出鉆孔探測范圍。 1#、2#鉆孔探測結(jié)果表明, 導水裂隙帶未發(fā)育至9 煤上方灰?guī)r,該巖層往上為覆巖彎曲下沉帶。 根據(jù)探測結(jié)果和覆巖性質(zhì)可知,工作面導水裂隙帶最大高度為29.3 m。

        采用FLAC3D模擬可得9105 工作面覆巖導水裂隙帶高度為29.3 m, 通過探測孔觀測和結(jié)合覆巖性質(zhì)分析可知,工作面覆巖導水裂隙帶高度為29.3 m,由此確定,工作面導水裂隙帶高度為29.3 m。

        5 結(jié)語

        1)以蓋州煤礦9105 工作面為研究對象,采用FLAC3D模擬工作面回采后覆巖變形破壞規(guī)律,根據(jù)應力、塑性區(qū)和導水裂隙帶分布圖可知,工作面導水裂隙帶最大高度為29.3 m。

        2)通過向9105 工作面運輸巷頂板打2 個鉆孔觀測導水裂隙帶高度,根據(jù)探測結(jié)果,覆巖注水漏失量有大小兩個區(qū)域,導水裂隙帶主要分布在漏失量大的區(qū)域。1#、2#鉆孔探測導水裂隙帶最大高度分別為27.3 m、28.3 m 左右。結(jié)合工作面覆巖性質(zhì)可得,工作面導水裂隙帶最大高度為29.3 m。

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