煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度綜合分析技術(shù)研究

翟志偉，張傳達(dá)，孟秀峰，武志高，陳鳳杰，徐書恩

(1.山西能源學(xué)院 地質(zhì)與測(cè)繪工程系，山西 太原 030006；2.山西省煤炭運(yùn)銷集團(tuán)，山西 太原 030006)

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是煤礦頂板水害防治的最重要參數(shù)，是評(píng)價(jià)煤礦生產(chǎn)安全的重要依據(jù)[1-11]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析總結(jié)、數(shù)值與理論模擬和實(shí)驗(yàn)室模擬等手段，研究覆巖破壞規(guī)律與機(jī)理并取得了大量能夠指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的研究成果。近年來，以采動(dòng)覆巖破壞“三帶”理論[1，2]、砌體梁理論和關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[3]等覆巖破壞及采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律研究為基礎(chǔ)，諸多學(xué)者對(duì)煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了研究。許家林等提出了基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法[4]；康永華等對(duì)覆巖破壞的鉆孔觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了研究[5]；劉偉韜、劉增輝等采用FlAC3D、RFPA2D、UDEC軟件模擬了導(dǎo)水裂隙帶高度[6，7]；施龍青等考慮開采厚度、深度、巖石力學(xué)性質(zhì)等因素推導(dǎo)導(dǎo)水裂隙帶高度理論計(jì)算公式[8]；胡小娟等采用綜采導(dǎo)水裂隙帶多因素影響指標(biāo)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度[9]；汪華君等應(yīng)用微地震技術(shù)監(jiān)測(cè)、探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度[10]；程學(xué)豐等采用聲波CT探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度[11]。這些預(yù)測(cè)、探測(cè)、監(jiān)測(cè)的理論、技術(shù)、方法為煤礦安全生產(chǎn)提供了極大的幫助和指導(dǎo)，但是由于導(dǎo)水裂隙帶的最大發(fā)育高度受工作面開采高度、采煤工藝與頂板管理方法、覆巖巖性、頂板復(fù)合類型、工作面尺寸及開采深度等采礦和地質(zhì)條件多因素影響[12-16]，因此，在煤礦開采過程中，導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測(cè)高度與實(shí)際發(fā)育高度仍然存在一定的偏差，導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性備受學(xué)界、企業(yè)界關(guān)注。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.1 工作面概況

蓋州煤礦位于沁水煤田，試驗(yàn)區(qū)9105工作面巷道長(zhǎng)1820m，切眼長(zhǎng)180m，可回采長(zhǎng)度接近1700m。工作面采用長(zhǎng)壁一次采全高綜合機(jī)械化開采方法，進(jìn)風(fēng)(運(yùn)輸)巷位于工作面下山方向，采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，巷道凈斷面為2.5m×4.5m，回采后做未開采的9107工作面回風(fēng)巷。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)9#煤為主采煤層，屬單斜構(gòu)造，傾角小于5°，局部發(fā)育寬緩褶曲，層厚1.6～1.92m，平均為1.7m。直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板為粉砂巖，上覆3#煤層已經(jīng)采空，下伏15#煤層未開采，9#煤層上距3#煤層平均55m，開采3#煤層時(shí)底板采動(dòng)破壞深度約10～15m。

受3#煤層回采后老空水和上覆可能的K5灰?guī)r水的影響，雖然回采前對(duì)上部積水進(jìn)行了疏放，但隨著9105工作面的推進(jìn)，回采過程中仍發(fā)現(xiàn)有殘余老空積水沿裂隙導(dǎo)入工作面，導(dǎo)致生產(chǎn)受到影響。因此對(duì)9105工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和判定，是避免發(fā)生透水事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2 覆巖結(jié)構(gòu)

根據(jù)井田范圍內(nèi)地層綜合柱狀圖，試驗(yàn)區(qū)9#煤層覆巖由砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r等軟硬相間的巖層組成，且大多數(shù)巖層單軸抗壓強(qiáng)度在30MPa以上，巖性以中硬巖層為主，直接頂為淺黑色砂質(zhì)泥巖，厚度為3.8m，節(jié)理相對(duì)發(fā)育，覆巖結(jié)構(gòu)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)

2 綜采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)

導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)是進(jìn)行三帶觀測(cè)設(shè)計(jì)的依據(jù)，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度主要取決于地層結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)和開采方法。9105工作面頂板巖層總體屬于中等堅(jiān)硬巖層，9#煤層厚度平均為1.7m，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》中分層開采導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式[17]，計(jì)算得出覆巖導(dǎo)水裂隙帶最大高度分別為32.5m和36m，選取36m作為預(yù)測(cè)的最大導(dǎo)水裂隙帶高度。

式中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為累計(jì)采厚，m。

考慮3#煤層開采導(dǎo)致的底板破壞，根據(jù)規(guī)范中工作面底板破壞深度的計(jì)算公式，在不考慮斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響條件下，得到3#煤層底板破壞深度最大為16.33m。

h=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(3)

式中，H為埋深，取123.95m；α為工作面傾角，取4°；L為工作面斜長(zhǎng)，取180m。

9#煤與3#煤垂直間距在56m左右，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶最大預(yù)測(cè)高度和底板破壞最大深度，9#煤層開采后，上覆巖層中有隔水層。但在采厚較大或斷層破碎帶區(qū)域，9#煤層回采后，上部3#煤層采空區(qū)積水有下泄風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

根據(jù)實(shí)際覆巖情況采用FLAC3D軟件建立了9105工作面地層模型，選取模型邊界深度為0m，沿工作面傾向方向取400m，沿工作面走向方向取100m，傾角為5°，煤層賦存情況與巖層結(jié)構(gòu)均按實(shí)際地質(zhì)條件建立。最終數(shù)值模型的大小為X×Y×Z=400m×100m×225.7m，整個(gè)模型劃分為160000個(gè)單元和170690個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足數(shù)值模擬的精度要求。模型的X、Y方向約束邊界水平方向的位移，模型的底部邊界施加垂直(Z方向)位移約束條件，模型上部為自由邊界，模擬上部巖層的自重。在模擬過程中也考慮了不同開挖程度對(duì)應(yīng)力集中和裂隙發(fā)育的影響。

破壞準(zhǔn)則選擇Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，煤層選擇應(yīng)力軟化模型，其它巖層破壞準(zhǔn)則均選擇Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，模型選取的巖石力學(xué)參數(shù)見表2。模擬導(dǎo)水裂隙帶上限應(yīng)處于塑性變形區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)[8]，因此，其導(dǎo)水裂隙帶的最大高度小于拉應(yīng)力區(qū)最大高度和塑性變形區(qū)的最大高度[18]。

表2 頂板巖石力學(xué)參數(shù)

為研究開采過程中工作面覆巖應(yīng)力分布、塑性破壞程度和導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育情況，選取開挖20m、40m、60m、80m和100m進(jìn)行過程模擬。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，工作面開采后處于塑性破壞狀態(tài)的區(qū)域主要集中在上覆巖層30m范圍內(nèi)，其中連續(xù)塑性區(qū)的最大高度在29m左右。9105工作面開采后最大集中應(yīng)力為13.82MPa，掘進(jìn)100m后產(chǎn)生的最大位移量為34.9m，導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為29m左右，如圖1、圖2所示。

圖1 開采后覆巖應(yīng)力分布

圖2 開采后覆巖塑性破壞分布

3 鉆孔窺視探測(cè)試驗(yàn)

在初步預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度基礎(chǔ)上，試驗(yàn)利用ZKXG30礦用鉆孔成像軌跡檢測(cè)裝置進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)[13，14]。

3.1 觀測(cè)孔位置及時(shí)間的確定

觀測(cè)孔位置布置重點(diǎn)考慮能夠探測(cè)到覆巖導(dǎo)水裂隙帶理論形態(tài)——馬鞍形頂部的最大值。根據(jù)采動(dòng)工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律，中硬覆巖一般在回采后1～2個(gè)月時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到最大值[15]。試驗(yàn)區(qū)位置在距運(yùn)輸巷原切眼861m處，按工作面日平均推進(jìn)度10m，當(dāng)工作面已推過試驗(yàn)區(qū)33d左右時(shí)間，即工作面超過試驗(yàn)區(qū)335m時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶的馬鞍形頂部達(dá)到最大值[16]，觀測(cè)時(shí)間最合適，觀測(cè)鉆孔位置如圖3所示。

圖3 9105工作面導(dǎo)高觀測(cè)孔位置

3.2 觀測(cè)鉆孔布置方案

基于預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶觀測(cè)高度，將觀測(cè)鉆孔布置在9105運(yùn)輸巷切頂外側(cè)，設(shè)計(jì)2個(gè)觀測(cè)鉆孔，1個(gè)對(duì)比孔。導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)孔方位角272°，與工作面巷道方向垂直，鉆孔傾角、孔深及開孔位置如圖4所示。

圖4 9105工作面導(dǎo)水裂隙帶觀測(cè)孔剖面圖

3.3 鉆孔窺視成像分析

3.3.1 1#觀測(cè)孔窺視成像分析

1#觀測(cè)孔孔壁成像觀測(cè)結(jié)果如圖5所示，開孔往上即進(jìn)入裂隙區(qū)，裂隙較為發(fā)育，部分段較為破碎，直至29.86m再往上巖層較為完整，裂隙位置與巖芯成像圖一致，距孔口34.87m附近出現(xiàn)破碎段，經(jīng)與巖芯巖層柱狀圖對(duì)比，破碎段為0.91m厚的煤層，受采動(dòng)應(yīng)力壓剪破壞后，煤層強(qiáng)度低，孔壁破碎而其它巖層強(qiáng)度高，孔壁完整，再往上孔壁基本保持完整。

圖5 1#觀測(cè)孔現(xiàn)場(chǎng)孔壁成像(部分)

3.3.2 2#觀測(cè)孔窺視成像分析

2#觀測(cè)孔孔壁成像觀測(cè)結(jié)果如圖6所示，從開孔往上就進(jìn)入了裂隙區(qū)，裂隙較為發(fā)育，部分段較為破碎，破碎段直至31.26m，再向上巖層較為完整，裂隙位置與巖芯成像圖一致，距孔口37.82m附近出現(xiàn)的破碎段，也是0.91m厚的煤層，受采動(dòng)應(yīng)力壓剪破壞后，煤層強(qiáng)度低，孔壁破碎，而其它巖層強(qiáng)度高，孔壁完整，再往上孔壁基本保持完整。

圖6 2#觀鉆孔現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)孔壁成像(部分)

4 導(dǎo)水裂隙帶高度換算及綜合分析

根據(jù)1#孔鉆孔軌跡，最大方位角為281.7°，最小方位角為248.4°，平均270°；設(shè)計(jì)傾角為70°，實(shí)際最大仰角76°，平均仰角74°，鉆孔實(shí)際深度為45.19m，鉆孔總體向上彎曲，偏離4°，按平均仰角校正導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算傾角，得到的1#觀測(cè)孔校正導(dǎo)水裂隙帶高度為28.70m。而根據(jù)2#孔鉆孔軌跡，最大方位角為289.5°，最小方位角為272.1°，該孔鉆孔方向大致為正西方向；2#孔設(shè)計(jì)角度為68°，實(shí)際最大傾角78.4°，最小傾角60.9°，實(shí)際平均仰角71°，鉆孔實(shí)際深度44.1m，鉆孔偏離3°向上彎曲，按平均仰角校正導(dǎo)水裂隙帶高度傾角計(jì)算，得到的導(dǎo)水裂隙帶高度為29.31m。

比較1#、2#觀測(cè)孔實(shí)測(cè)參數(shù)，2#孔傾角雖然偏離設(shè)計(jì)3°，但偏離后更接近設(shè)計(jì)傾角，傾角相對(duì)1#觀測(cè)孔偏離僅1°，1#觀測(cè)孔實(shí)際傾角偏離設(shè)計(jì)傾角最小4°。兩孔方位約為正西，均符合終孔位置設(shè)計(jì)要求。但是2#觀測(cè)孔更接近設(shè)計(jì)參數(shù)，其終孔位置更接近馬鞍形最高部位，因此2#觀測(cè)孔確定的導(dǎo)水裂隙帶高度更接近工作面實(shí)際情況。

結(jié)合井下鉆孔雙端封堵注水觀測(cè)漏失量方法，對(duì)9105綜采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了驗(yàn)證，2#觀測(cè)孔漏失量突變位置與基于窺視鉆孔成像技術(shù)確定的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育位置完全一致，如圖7所示。

圖7 2#觀測(cè)孔注水漏失量觀測(cè)成果

另外，在獲得鉆孔窺視實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(4)換算1#、2#觀測(cè)孔導(dǎo)水裂隙帶高度分別為28.06m、28.98m。

Hli=l×sinβ

(4)

式中，l為窺視導(dǎo)水裂隙帶長(zhǎng)度，m；β為觀測(cè)孔傾角，(°)。

通過不同技術(shù)手段，得到不同精度的9105綜采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度：鉆孔窺視導(dǎo)水裂隙帶高度最大28.98m、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度最大36m、數(shù)值模擬高度為29m左右。結(jié)果表明，鉆孔窺視導(dǎo)水裂隙帶高度與數(shù)值模擬結(jié)果接近，而與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值偏差較大，分析其原因可能為施工過程發(fā)生鉆孔傾角變化及方位改變，與設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生偏差，進(jìn)而導(dǎo)致觀測(cè)孔終孔位置偏離馬鞍形位置，達(dá)不到最高部位。

因此，基于鉆孔窺視成像技術(shù)探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度為29.31m，即使考慮覆巖結(jié)構(gòu)在導(dǎo)水裂隙帶垂向上的離散性，本次窺視導(dǎo)水裂隙帶高度29.31m與K5灰?guī)r頂面高度29.25m僅差0.06m，也表明鉆孔窺視確定的導(dǎo)水裂隙帶高度的準(zhǔn)確性更高。

5 結(jié) 論

1)工作面采后覆巖破壞變形的馬鞍形位置最高部位的確定和合理的觀測(cè)時(shí)間，是提高鉆孔窺視方法探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶最大高度準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

2)鉆孔軌跡分析及導(dǎo)高校正是提高鉆孔窺視探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3)影響導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度探測(cè)準(zhǔn)確性的主要因素是鉆孔傾角與方位的變化，實(shí)際方位和傾角越接近設(shè)計(jì)參數(shù)，探測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確。