銀星一號(hào)井18上1煤層開采覆巖“兩帶”高度綜合探測(cè)研究

史可良,黃浩聰,王天辰

(1.寧夏銀星煤業(yè)有限公司,寧夏 銀川 750408;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024)

“兩帶”高度是礦井進(jìn)行水害防治和上行開采可行性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù),是設(shè)計(jì)瓦斯抽放層位、煤層開采順序、工作面尺寸和巷道布置的重要依據(jù)[1-3]。目前,礦井有效的“兩帶”高度的確定方法主要有理論計(jì)算、地面鉆孔或井下鉆孔統(tǒng)計(jì)沖洗液消耗量法、鉆孔窺視和數(shù)值模擬等[4-5]。劉世奇等[6]對(duì)傳統(tǒng)的“兩帶”高度計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn),提出了“判別煤層組類型—計(jì)算折算采高—確定‘兩帶’高度”三步法的近距離煤層群開采“兩帶”高度預(yù)計(jì)方法及預(yù)計(jì)公式。李超峰等[7]采用井下仰孔側(cè)漏法和微震監(jiān)測(cè)共同確定了采動(dòng)引起的巖層斷裂的上邊界,精準(zhǔn)地測(cè)定了“兩帶”發(fā)育高度。蔚保寧等[8]采用彩色鉆孔電視對(duì)整個(gè)探測(cè)孔進(jìn)行探測(cè),通過分析裂隙的發(fā)育特征確定了淺埋煤層開采的覆巖破壞高度。陳建鵬等[9]采用UDEC數(shù)值模擬軟件分析了爆破切頂沿空留巷和留設(shè)寬煤柱開采工況下的覆巖“兩帶”高度;張宏偉等[10]以大同石炭二疊系15 m特厚煤層開采為背景,考慮關(guān)鍵層的影響計(jì)算了覆巖破壞高度,并采用EH-4大地電磁法測(cè)試裂隙帶內(nèi)的電阻率變化規(guī)律,最終確定了覆巖“兩帶”高度,并采用FLAC數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。現(xiàn)有“兩帶”高度研究方法的綜合使用,極大地提高了覆巖“兩帶”高度探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文以銀星一號(hào)井18上1煤層的1118上104工作面為測(cè)試地點(diǎn),綜合采用理論計(jì)算、鉆孔沖洗液漏失量、彩色鉆孔電視和數(shù)值模擬方法確定18上1煤層開采的“兩帶”發(fā)育高度,為上部13煤開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程背景

銀星一號(hào)井1118上104工作面位于18上1煤層的11采區(qū)南翼,工作面煤層埋深約為172 m,走向推進(jìn)長(zhǎng)度1 066 m,傾向?qū)挾?06 m,煤層厚度2.61～3.42 m,平均采高3.3 m,煤層傾角16°～21°,平均傾角18°.工作面頂板巖層為粗砂巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖,屬于中硬性質(zhì)類型。1118上104工作面已于2014年采空,頂板采用自然垮落法,“兩帶”高度發(fā)育現(xiàn)已達(dá)穩(wěn)定。工作面布置如圖1所示。

圖1 1118上104工作面平面圖

2 18上1煤層“兩帶”高度理論分析

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)程》(2017年版)中規(guī)定的中厚煤層和厚煤層分層開采垮落帶和裂隙帶高度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。銀星一號(hào)井18上1煤與上部13煤之間的頂板巖層以粗砂巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖為主,實(shí)驗(yàn)室測(cè)得抗壓強(qiáng)度均在20～40 MPa,屬于中硬巖層。因此,選取中硬巖層的“兩帶”高度計(jì)算公式。

1) 垮落帶高度:

(1)

2) 裂隙帶高度:

(2)

(3)

式中:Hk為垮落帶高度,m;Hl為裂隙帶高度,m;∑M為煤層累積采高,m.

將1118上104工作面煤層采高3.3 m帶入公式(1)計(jì)算得到垮落帶最大高度為11.76 m,為采高的3.56倍。帶入公式(2)和(3)計(jì)算得到垮落帶高度分別為:31.56～42.76 m和46.33 m,為保證上行開采安全,選擇垮落帶高度的最大值為46.33 m,為采高的14.04倍。

3 18上1煤層“兩帶”高度鉆孔實(shí)測(cè)分析

3.1 探測(cè)孔T10-1布置

本次探測(cè)采用地面鉆孔的方式,根據(jù)工作面上方的地形地貌確定T10-1鉆孔的位置,如圖1所示。T10-1鉆孔設(shè)計(jì)深度140 m,實(shí)際鉆進(jìn)138.51 m,終孔位置進(jìn)入1118上104工作面頂裂隙帶位置。鉆進(jìn)過程中統(tǒng)計(jì)洗液漏失量變化規(guī)律,同時(shí)全鉆孔取芯,分析巖性分布,鉆孔完成后,通過彩色鉆孔電視分析裂隙形態(tài),精準(zhǔn)確定1118上104工作面采后頂板裂縫帶發(fā)育高度。T10-1孔坐標(biāo)如表1所示。

表1 T10-1孔鉆孔坐標(biāo)一覽

3.2 鉆進(jìn)巖芯分析

對(duì)全鉆孔取芯分析,如圖2所示,得到如下結(jié)果。

圖2 T10-1鉆孔巖芯照片

1) 0～5.0 m.第四系砂土松散層,表層為風(fēng)積沙。

2) 5.0～70.0 m.強(qiáng)風(fēng)化基巖層,巖性以中粗粒砂巖為主,多呈淺黃色、褐黃色。巖芯雖較完整,但該層大部分因遭受了強(qiáng)烈風(fēng)化致其強(qiáng)度大幅降低,局部裂隙較發(fā)育,見圖2(a)。

3) 70.00～138.51 m.粉細(xì)砂巖、泥巖及煤層互層,呈灰色、深灰色。巖性完整性總體較好,局部發(fā)育垂向斜向裂隙。118.00 m以淺,裂隙充填特征明顯,符合原生裂隙特征。118.00 m以深,地層完整度變差,巖芯采取率降低,開放裂隙增多,裂隙面新鮮,符合后生裂隙特征,巖芯較破碎,多呈碎塊狀,見圖2(b)。

3.3 鉆孔沖洗液漏失量統(tǒng)計(jì)分析

鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)主要測(cè)量鉆孔中水位的變化,沖洗液的消耗和漏失情況。鉆探施工過程中全程進(jìn)行簡(jiǎn)易水文觀測(cè),全孔孔徑為Φ113 mm,重點(diǎn)對(duì)90 m以深進(jìn)行加密觀測(cè)。起鉆后、下鉆前均測(cè)定鉆孔內(nèi)水位。當(dāng)停鉆時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),應(yīng)每隔5～10 min觀測(cè)1次水位。漏失量按照以下公式計(jì)算:

1) 鉆孔單位時(shí)間沖洗液漏失按式(4)計(jì)算:

(4)

式中:Qt為單位時(shí)間漏失量,m3/h;Q1為水箱內(nèi)原有沖洗液量,m3;Q2為鉆探過程中向水箱補(bǔ)充的沖洗液量,m3;Q3為退鉆后水箱內(nèi)剩余的沖洗液量,m3;t為觀測(cè)時(shí)間,min.

2) 單位時(shí)間與單位進(jìn)尺的沖洗液漏失量按式(5)計(jì)算:

(5)

式中:Qm為單位時(shí)間和單位進(jìn)尺的漏失量,m3/h;h為鉆孔的進(jìn)尺(測(cè)試位置的深度),m.

鉆孔沖洗液消耗量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示,沖洗液消耗量統(tǒng)計(jì)曲線如圖3所示。分析數(shù)據(jù)可知,孔深0～10 m,沖洗液消耗量基本穩(wěn)定,消耗量約為0.3 m3/h·m;孔深10～15 m,沖洗液消耗量逐漸上升,消耗量約為0.6 m3/h·m;孔深15～40 m,沖洗液消耗量趨于平穩(wěn),消耗量約為0.5 m3/h·m;孔深至42 m時(shí),沖洗液消耗量明顯增加,孔內(nèi)水位急劇下降,孔口不返水。終孔后測(cè)定,孔內(nèi)水位深度穩(wěn)定在68.60 m.據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水作業(yè)統(tǒng)計(jì)情況來看,42 m以深孔段的沖洗液消耗量大于8 m3/h.因此,通過沖洗液消耗量尚不能準(zhǔn)確判斷出裂隙帶的頂點(diǎn)深度和準(zhǔn)確位置。

表2 鉆孔沖洗液消耗量統(tǒng)計(jì)

圖3 鉆孔沖洗液消耗量統(tǒng)計(jì)曲線圖

3.4 鉆孔彩色電視探查

T10-1鉆孔終孔后,采用SKYJ-17型鉆孔全孔壁成像系統(tǒng),對(duì)鉆孔的孔壁狀況、裂隙發(fā)育特征及隨深度、層位的變化規(guī)律進(jìn)行探查,觀測(cè)深度127.75 m.

0～6 m為第四系松散覆蓋層,孔壁較完整,底部多見沖洪積砂礫石層,為透水不含水層段。6～10 m為侏羅系延安組砂巖地層,孔壁較完整,裂隙較發(fā)育,局部孔段顯示有多條垂向、斜向原生閉合裂隙,裂隙寬約為5～10 cm,裂隙帶泥質(zhì)砂質(zhì)充填較好。68.60 m深度位置,遇基巖裂隙水靜止水位。該段地層裂隙較發(fā)育,多見垂向、斜向原生閉合裂隙,裂隙寬約為1～5 cm.91.60 m深度位置,近水平裂隙增多,裂隙寬約為3 cm,局部地層較破碎,從鉆孔彩色電視影像資料可見,裂隙中可見明顯涌水涌砂現(xiàn)象。孔深至118.50 m處以及深巖層完整性明顯變差,局部破壞嚴(yán)重,近水平裂隙顯著增多,裂隙寬度增大,最大可達(dá)10 cm左右,裂隙多呈拉張開放類型。鉆孔深度繼續(xù)增大,因下部煤層采空失穩(wěn)下沉拉張破壞所致,屬采動(dòng)裂隙。巖體上下層離層及位移明顯,裂隙面呈鋸齒狀或階梯狀,裂縫較寬,裂縫中多無(wú)充填,局部破碎處可見發(fā)育有較大蝕洞,裂隙中可見明顯涌水涌砂現(xiàn)象并偶有氣泡涌出。

根據(jù)對(duì)上述裂隙發(fā)育情況的觀察和分析,可將孔深118.50 m(高程1 165.35 m)確定為該區(qū)域18上1煤層導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)。根據(jù)公式(4)計(jì)算彩色鉆孔電視探查得到的導(dǎo)水裂隙帶高度。

H'=H-M-h+W

(6)

式中:H'為導(dǎo)水裂縫帶最大高度,m;H為煤層底板距離地面垂深,取172.30 m;M為煤層采厚,取3.30 m;h為裂縫帶頂點(diǎn)距離孔口垂深,取118.50 m;W為“兩帶”巖層的壓縮值(下沉量),W=0.2M.

按照上式計(jì)算1118上104工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為51.16 m(含垮落帶),為采高的15.50倍。

4 18上1煤層“兩帶”高度確定

4.1 “兩帶”高度測(cè)試結(jié)果

上述采用理論計(jì)算、鉆孔沖洗液消耗量和彩色鉆孔電視三種手段綜合所得結(jié)果如表3所示。

表3 18上1煤層“兩帶”高度探測(cè)結(jié)果對(duì)比

從上述結(jié)果來看,從鉆孔簡(jiǎn)易水文觀測(cè)對(duì)沖洗液漏失量的統(tǒng)計(jì)及對(duì)鉆孔彩色電視井下直觀的觀察并結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為,簡(jiǎn)易水文觀測(cè)所得出的單位進(jìn)尺單位時(shí)間沖洗液消耗量,只能定量反映裂隙發(fā)育程度,不夠直觀,且易受巖層自身孔隙裂隙發(fā)育程度的制約和干擾,而通過鉆孔井下彩色電視探查,在孔壁顯示條件良好的工況下,能夠直觀地反映并觀察到巖層在垂向上裂隙的發(fā)育變化趨勢(shì)和特征,準(zhǔn)確性和可靠性很高。最終選用彩色鉆孔電視探測(cè)值為探測(cè)結(jié)果。

4.2 “兩帶”高度數(shù)值模擬驗(yàn)證

根據(jù)1118上104工作面資質(zhì)條件,采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型分析采動(dòng)引起的“兩帶”高度。模型尺寸為:X方向230 m,Y方向2 m,Z方向180 m.模型在底部和四周邊界位移固定,在模型頂部施加相應(yīng)深度的垂直載荷,塊體變形采用莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。模擬開挖工作面傾斜寬度190 m.模擬得到的“兩帶”高度如圖4所示。

圖4 1118上104工作面“兩帶”高度數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4可知,煤層開采后頂板巖層向采空區(qū)垮落,覆巖塑性破壞高度呈“馬鞍”型,工作面中部低,上下端頭較高。距離煤層頂板13.6 m范圍的巖層發(fā)生拉破壞和剪破壞,屬于垮落帶。裂隙帶高度50.4 m,內(nèi)部巖層主要發(fā)生剪切破壞。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了地表鉆孔探測(cè)“兩帶”高度結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 理論計(jì)算表明,18上1煤層開采垮落帶高度最大為11.76 m,為采高的3.56倍;裂隙帶最大高度為46.33 m,為采高的14.04倍。

2) 鉆孔沖洗液消耗量統(tǒng)計(jì)受原生裂隙的影響,不能準(zhǔn)確判斷裂隙帶的邊界,彩色鉆孔電視可直觀地探查裂隙發(fā)育特征,探測(cè)“兩帶”高度更加可靠。

3) 鉆孔探測(cè)18上1煤層裂縫帶發(fā)育高度為51.16 m(含垮落帶),為采高的15.50倍。數(shù)值模擬分析得到裂隙帶高度50.4 m,二者結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了鉆孔探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。