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        綜采工作面底板采動裂隙破壞深度研究

        2021-01-20 01:19:28李哲豪同煤集團綜采辦公室山西大同037003
        中國礦山工程 2020年6期
        關(guān)鍵詞:巖層裂隙礦井

        李哲豪(同煤集團綜采辦公室, 山西 大同 037003)

        1 前言

        隨著煤炭開采規(guī)模、強度的持續(xù)增加,淺部煤炭資源逐漸枯竭,多數(shù)礦井已經(jīng)開始深部開采[1]。礦井開采時面臨水害影響較為明顯,特別受底板承壓水影響更為突出[2-3]。根據(jù)有關(guān)資料,從2010年以來,我國煤礦累計發(fā)生礦井突水事故在300起以上,造成的財產(chǎn)損失數(shù)以億計,因此強化對礦井水害防治工作,特別是底板突水防治工作[4-5]。眾多的研究學(xué)者采用理論推導(dǎo)、現(xiàn)場實測以及模擬分析等技術(shù)方法對煤炭開采后底板裂隙發(fā)育、破壞范圍進行研究,并取得顯著的研究成果[6-7]。文中以某礦為3506綜采工作面為工程研究對象,采用模擬分析、現(xiàn)場實測方法對工作面開采后引起的底板裂隙發(fā)育、破壞范圍進行分析,以期能為礦井底板水害防治工作高效開展提供一定借鑒。

        2 工程概況

        某礦主采煤層有3#、9#、15#,礦井水文地質(zhì)條件整體較為復(fù)雜。根據(jù)前期勘探資料發(fā)現(xiàn),礦井所采煤層受到底板奧灰灰?guī)r含水層影響,該奧灰灰?guī)r最大水壓為2.8MPa,同時隨著礦井開采增加,開采煤層承壓開采范圍逐漸增加。礦井開采的3#、9#、15#煤層帶壓開采面積分別為25.02km2、35.57km2、45.84km2,占礦井開采井田面積分別為33.63%、47.85%以及61.54%。因此,研究回采工作面開采后底板裂隙擴展情況,對底板承壓水影響情況開展針對性防治技術(shù)具有重要意義。

        3 模擬分析

        文中采用FLAC3D對工作面開采后底板裂隙擴展情況進行模擬分析。

        3.1 模型構(gòu)建

        以3601綜采工作面地質(zhì)資料為背景,構(gòu)建模擬分析模型。工作面設(shè)計走向、傾向長分別為2 540m、245m,開采3號煤層(厚度4.5m),工作面直接底為砂巖、直接底為泥巖,埋深465m;9號煤層厚度2.2m,埋深520m,頂?shù)装鍘r性分別為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖;15#煤層厚4.2m,頂?shù)装鍘r性分別為石灰?guī)r、泥巖。設(shè)計的模型水平、垂向距離分別為300m、400m,底板承壓水壓力取值為2MPa。具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

        表1 頂?shù)装鍘r性參數(shù)

        3.2 工作面開采后底板裂隙發(fā)育情況

        具體模擬得到的3#煤層開采之后頂板裂隙擴展范圍如圖1所示。從圖中可知,隨著3#煤層不斷開采,底板泥開始出現(xiàn)破壞變形,原始裂隙在應(yīng)力作用下開始擴展,次生裂隙也隨之產(chǎn)生。當(dāng)回采工作面開采距離達到45m時,此時頂板開始初次來壓,底板破壞程度加劇,此時底板裂隙發(fā)育距離可達到17.8m,隨著工作面的不斷推薦,底板裂隙發(fā)育速度有所降低,最終穩(wěn)定范圍約為19m,但是在水平方向上底板破壞范圍隨著工作面推進不斷擴展。

        圖1 3#煤層開采后頂板裂隙擴展示意圖

        3.3 9#、15#煤層底板破壞范圍

        9#、15#煤層開采之后的底板裂隙擴展情況如圖2、圖3所示。隨著煤層的不斷開采,9#、15#煤層底板泥巖均不同程度的出現(xiàn)破壞變形,底鼓量開始增加。由于煤層底板為抗壓強度較低的泥巖,本身抵抗變形、破壞能力較差,當(dāng)工作面推進至41~45m時頂板開始出現(xiàn)來壓,此時9#、15#煤層底板內(nèi)裂隙擴展范圍分別達到18.5m、19.3m;隨著工作面的不斷推進,底板破碎范圍增加速度顯著降低,最終分別穩(wěn)定在20.5m、21.8m。

        圖2 9#煤層開采后頂板裂隙擴展示意圖

        圖3 15#煤層開采后頂板裂隙擴展示意圖

        從3#、9#、15#煤層開采后底板裂隙破壞、擴展模擬分析得知,煤層埋深對底板裂隙發(fā)育范圍影響較小,工作面斜長、底板巖性等對底板裂隙擴展范圍有較大影響。

        4 現(xiàn)場實測

        4.1 現(xiàn)場布置

        礦井開采底板水害防治重點是探明底板充水水源、導(dǎo)水通道以及水力補給條件等,而導(dǎo)水通道與煤炭開采密切相關(guān),采動后底板裂隙是良好的導(dǎo)水通道?,F(xiàn)階段關(guān)于導(dǎo)水通道探測的技術(shù)方法主要有聲波成像法、鉆孔窺視法、電線電波透視法、注水試驗法以及雷達探測技術(shù)等,其中注水試驗法具有探測精度高等優(yōu)點。為了精準(zhǔn)掌握煤層開采后底板裂隙發(fā)育、擴展范圍,采用“注水試驗”法對3506綜采工作面開采后的底板變形破壞情況進行探測。具體探測原理是通過對比分析工作面開采前后的注水鉆孔內(nèi)的水壓、漏失量變化來判定底板裂隙破壞程度。

        3506綜采工作面采用沿空留巷方式,將回風(fēng)巷留作下一工作面進風(fēng)巷,根據(jù)開采的3506綜采工作面回采巷道及周邊巷道布置情況,選擇在工作面回風(fēng)巷內(nèi)以不同角度向底板布置3個俯向鉆孔,鉆孔終孔與煤層底板間距分別為18m、19m、20m,具體鉆孔布置情況如圖4所示,鉆孔內(nèi)留設(shè)50cm作為注水試驗段。

        圖4 探測鉆孔布置示意圖

        4.2 結(jié)果分析

        經(jīng)過近60d現(xiàn)場測試,具體監(jiān)測范圍為超前工作面-65m到進入采空區(qū)后方+130m位置,得到的不同鉆孔漏失量監(jiān)測數(shù)據(jù),具體如圖5所示。

        圖5 鉆孔漏失量監(jiān)測結(jié)果

        1)23#鉆孔漏失量分析

        23#鉆孔傾角為-12°、孔深45.69m,終孔位置位于底板下方18m在超前工作面-65~-5m時,由于底板在上覆完整煤層作用下承受較大的垂向應(yīng)力,但是整體較為完整,在此階段Q(鉆孔漏失量)較小,一般為0;在-5~+5m位置段時Q顯著提升,在采空區(qū)后方5m位置時漏失量達到1.8L/h,主要是由于此范圍底板巖層受到采動影響明顯,泥巖在水平應(yīng)力作用下原生裂隙開始擴展并伴隨產(chǎn)生大量的次生裂隙;在+5~+15m時由于上覆巖層垮落暫時抑制底板變形擴展,從而Q呈現(xiàn)小幅降低趨勢;在+15~+30m時Q開始增加,并在+30m位置時Q達到峰值位置,最大為2.03L/h,在此階段內(nèi)底板巖層裂隙破壞范圍達到最大值;在+30~+55m范圍內(nèi)Q顯著降低,在+55m以后Q穩(wěn)定在1.45L/h。

        2)24#、25#鉆孔漏失量分析

        24#鉆孔(傾角為-21°、孔深46.1m)、25#鉆孔(傾角為-24°、孔深46.52m)漏失量Q在回采工作面推進期間幾乎無變化,Q基本穩(wěn)定在0.03~0.11L/h,漏失主要原因是下覆巖層中的原生裂隙。在與煤層底板相距超過19m位置時,巖層未出現(xiàn)采動破壞,由此可以斷定3號煤層開采時底板巖層破壞裂隙發(fā)育范圍在19m以內(nèi)。

        4.3 比對分析

        后續(xù)采用鉆孔窺視法對鉆孔內(nèi)圍巖裂隙擴展情況進行探測,發(fā)現(xiàn)離煤層底板越近裂隙越發(fā)育,在距離底板18~19m時僅有少許的次生裂隙產(chǎn)生,超過19m時巖層裂隙以原生裂隙為主。

        采用現(xiàn)場實測方式確定3#煤層開采后的底板采動裂隙破壞延伸在底板下方18~19m,數(shù)值模擬確定的3#煤層裂隙發(fā)育范圍內(nèi)19m,鉆孔窺視法確定的底板巖層裂隙發(fā)育范圍也為18~19m,模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果較為相近。

        5 結(jié)論

        (1)采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測以及鉆孔窺視方法綜合確定3#煤層開采后的底板裂隙發(fā)育高度為18~19m,同時數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果較為相近,表明具有較高的可信度;9#、15#煤層模擬得到的開采后裂隙擴展范圍為20.5m、21.8m。

        (2)在工作面開采過程中應(yīng)注意底板巖層隱伏構(gòu)造發(fā)育情況,避免由于隱伏構(gòu)造與底板巖層裂隙破壞帶、下覆承壓含水層溝通而造成底板涌水。

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