史東瑞,楊根發(fā),張紅周,何喜剛

(華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 東峽煤礦,甘肅 華亭市 744100)

0 引言

近年來(lái),隨著中東部煤炭資源的枯竭,西部煤炭能源迎來(lái)了長(zhǎng)久發(fā)展契機(jī)。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(chǔ)量較多,區(qū)域儲(chǔ)量多變,且礦區(qū)瓦斯賦存量大。針對(duì)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(shí),避免煤礦安全事故的發(fā)生,順應(yīng)當(dāng)前“綠色開采”的理念。

隨著開采工作面的不斷推進(jìn),周圍巖體不斷受到開采擾動(dòng),導(dǎo)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(duì)于采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔的布置具有重要指導(dǎo)意義[2-3]?；趪?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)“三帶”高度的研究,目前測(cè)定技術(shù)有理論分析、模擬分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定等[4-6]。通過(guò)理論計(jì)算,針對(duì)不同實(shí)際工況和地質(zhì)條件對(duì)采空區(qū)覆巖規(guī)律進(jìn)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(duì)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(chǎng)測(cè)定3種方法對(duì)甘肅某礦深部煤層開采過(guò)程中采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)變化規(guī)律進(jìn)行研究,以期得到此類地質(zhì)構(gòu)造下的覆巖移動(dòng)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(hào)煤層,位于煤層南部,F2斷層位于礦區(qū)北部,3條斷層?xùn)|西向貫穿整個(gè)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(jiǎn)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(jiān)硬等巖類,穩(wěn)固性中等。15號(hào)煤層直接頂飽和單軸抗壓強(qiáng)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(jì)算

“兩帶”常指冒落帶與導(dǎo)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(yàn)公式(1)和公式(2)分別對(duì)煤層分層開采的垮落帶高度、裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算。

垮落帶高度:

裂隙帶高度:

式中,HK為垮落帶高度;∑M為累計(jì)采厚;HLi為導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(jì)算模型,其模型長(zhǎng)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(duì)模型開挖結(jié)果的影響。待模型建成后,進(jìn)行工作面的推進(jìn),通過(guò)對(duì)不同時(shí)期開挖后的模型圖進(jìn)行分析,觀察“三帶”高度范圍[13-14]。針對(duì)該礦,共模擬了5個(gè)推進(jìn)度,分別為推進(jìn)10 m、20 m、30 m、40 m、80 m,并對(duì)其頂板狀況圖進(jìn)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(jìn)至10 m 時(shí)發(fā)生初次垮落,此時(shí)垮落高度為4.5～5.5 m。隨著工作面的推進(jìn),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(dāng)推進(jìn)度達(dá)到30 m 時(shí),此時(shí)冒落帶的最大高度為8.0 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m 時(shí)采空區(qū)出現(xiàn)壓實(shí)區(qū),此時(shí)裂隙高度達(dá)到33 m 左右。當(dāng)工作面進(jìn)行向前推進(jìn),直至80 m 時(shí),采空區(qū)后方一定區(qū)域逐漸壓實(shí),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(guò)數(shù)值模擬得到垮落帶的高度為6～8 m,導(dǎo)水裂隙帶的最大高度達(dá)33 m 左右。

其實(shí)冥河盜龍并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)腫頭龍群，它們只不過(guò)是在森林中閑逛，但是腫頭龍?zhí)痈Z的動(dòng)靜實(shí)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(guò)來(lái)。

4 示蹤法測(cè)定覆巖“三帶”高度

4.1 示蹤氣體測(cè)定技術(shù)

示蹤技術(shù)應(yīng)用示蹤劑來(lái)研究氣體流動(dòng)的蹤跡和規(guī)律,將其用于煤礦“豎三帶”的高度測(cè)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(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng),且監(jiān)測(cè)靈敏度較高。此次所用監(jiān)測(cè)設(shè)備為SF6氣體檢測(cè)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(cè)試鉆孔中,隨著工作面的推進(jìn),鉆孔由最初的原巖應(yīng)力區(qū)進(jìn)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(cè)采空區(qū)瓦斯抽采管路中SF6的出現(xiàn)的時(shí)間及濃度變化,通過(guò)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(jìn),高位測(cè)試鉆孔由原巖應(yīng)力區(qū)過(guò)渡到裂隙帶區(qū)域,再由裂隙帶區(qū)域過(guò)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(shí)。當(dāng)高位鉆孔由原巖應(yīng)力區(qū)過(guò)渡到裂隙帶區(qū)域時(shí),測(cè)試鉆孔內(nèi)的氣體SF6開始向采空區(qū)逸散,即SF6氣體檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)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(shí)間內(nèi)會(huì)不斷提高,達(dá)到一個(gè)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(guò)渡到垮落帶區(qū)域時(shí),由于鉆孔漏風(fēng),導(dǎo)致抽采管中氣體SF6的濃度在一定時(shí)間內(nèi)逐漸降低,直至趨于穩(wěn)定。高位測(cè)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(shí)區(qū)過(guò)渡的過(guò)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)A、B、C。其分別對(duì)應(yīng)的是鉆孔進(jìn)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(yàn)方案及結(jié)果分析

基于示蹤氣體測(cè)定技術(shù)的原理,采用多個(gè)鉆孔進(jìn)行對(duì)比測(cè)定分析,避免試驗(yàn)的偶然性。此次在15101工作面回風(fēng)巷施工4 個(gè)不同高度的高位鉆孔,4個(gè)鉆孔的垂高分別為采高的10 倍、15 倍、20倍、25倍。每個(gè)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(duì)鉆孔進(jìn)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(guò)壓力表與流量計(jì)來(lái)保證4個(gè)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(jiàn)表1。

表1 高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖3 鉆孔布置示意

隨著工作面的推進(jìn),高位鉆孔從原巖應(yīng)力區(qū)過(guò)渡到裂隙帶區(qū)域,再由裂隙帶區(qū)域過(guò)渡到垮落帶區(qū)域,隨著裂隙的逐漸發(fā)育,氣體SF6不斷擴(kuò)散。不同高度的高位鉆孔所受采動(dòng)影響不同,且氣體SF6的擴(kuò)散時(shí)間及擴(kuò)散程度也有所區(qū)別。通過(guò)氣體SF6濃度隨時(shí)間變化的曲線圖,記錄每個(gè)鉆孔出現(xiàn)氣體SF6,從濃度開始增加,到達(dá)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(duì)4個(gè)鉆孔相對(duì)應(yīng)的采空區(qū)抽采管中氣體SF6濃度曲線圖進(jìn)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(dòng)影響程度不同,氣體SF6的濃度擴(kuò)散程度也就不同。鉆孔P1、P2對(duì)應(yīng)的濃度曲線未出現(xiàn)“駝峰”狀,說(shuō)明鉆孔垂高相對(duì)較低,受采動(dòng)影響較大,只經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的部分過(guò)程。鉆孔P3、P4 對(duì)應(yīng)的濃度曲線出現(xiàn)“駝峰”狀,說(shuō)明鉆孔經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的全過(guò)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(dá)到最高濃度,最高濃度為70×10-6,根據(jù)此時(shí)工作面與鉆孔的間距,此時(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)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(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)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(cè)時(shí)間的第2天,采空區(qū)出現(xiàn)氣體SF6,此時(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)為30.1 m。隨著工作面的推進(jìn),氣體濃度SF6逐漸增加,最高濃度為73×10-6,此時(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)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(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)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(cè)時(shí)間的第4天,采空區(qū)出現(xiàn)氣體SF6,此時(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)為32.5 m。隨著工作面的推進(jìn),氣體濃度SF6逐漸增加,最高濃度為73×10-6,此時(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)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(shí)鉆孔對(duì)應(yīng)垂高點(diǎn)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(dǎo)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(guò)理論計(jì)算垮落帶高度為4.15～8.55 m,導(dǎo)水裂隙帶高度為21.47～32.68 m。

(2) 通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知,垮落帶的高度為6～8 m,導(dǎo)水裂隙帶的最大高度達(dá)33 m 左右。當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m 時(shí),采空區(qū)后方出現(xiàn)重新壓實(shí)區(qū)。

(3) 通過(guò)示蹤氣體技術(shù)測(cè)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(guò)程,鉆孔P3與P4垂高相對(duì)較高,經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的全過(guò)程。垮落帶的范圍為小于7.4 m,導(dǎo)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(duì)于煤礦來(lái)說(shuō),氣體示蹤技術(shù)相對(duì)經(jīng)濟(jì)、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(duì)較高。