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第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 厚松散层薄基岩浅埋煤层导水断裂带高度研究 陈辉 1, 曹其嘉1, 韦 钊 1, 张冬冬2 (1.陕西能源职业技术学院, 陕西 咸阳 712000; 2.西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室, 陕西 西安 710054) 摘要 薄基岩浅埋煤层开采形成的导水断裂带易造成水资源破坏, 导水断裂带高度确定是含 水层免受破坏的关键。以青龙寺煤矿 5-20101 工作面为研究对象, 采用物理相似模拟、 理论计算 及井下仰孔注水测漏法分析煤层开采导水断裂带发育高度。研究表明 工作面开采后采空区上 方覆岩形成拱形梁结构, 拱的边缘位置为拉应力区, 该区域纵向切落裂缝为岩层的主要导水通 道, 导水断裂呈 “八字形” 分布; 5-20101 工作面导水断裂带发育高度为 52.3~62 m, 平均 57.2, 裂 采比为 24.2; 导水断裂带发育不会与萨拉乌苏组含水层贯通, 生产过程中不受含水层倒灌的威胁。 关键词 浅埋煤层; 物理相似模拟; 导水断裂带高度; 含水层; 拱形梁 中图分类号 P641文献标志码 A文章编号 1003-496X (2020 ) 01-0038-04 Study on Water-conducting Fracture Height of Shallow Buried Coal Seam with Thick Loose Bed and Thin Base Rock CHEN Hui1, CAO Qijia1, WEI Zhao1, ZHANG Dongdong2 (1.Shaanxi Energy Institute, Xianyang 712000, China;2.Key Laboratory of Western Mines Exploitation and Hazard Prevention, Ministry of Education, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China) Abstract Water-conducting fissures ed in shallow seam mining in thin bedrock are easy to cause water resources damage. The determination of the height of water-conducting fissures is the key to avoid the damage of aquifers. Taking 5-20101 working face of Qinglongsi Coal Mine as the research object, the development height of water-conducting fracture zone in coal seam mining is analyzed by physical analogy simulation, theoretical calculation and water injection leak detection . The research shows that the overburden rock above the goaf after mining s an arch beam structure, the edge of the arch is a tension stress area, the vertical shear fracture is the main water conduction channel of the stratum, and the water conduction fracture is octagonal distribution; the height of water conduction fracture is 52.3 m to 62 m, with an average of 57.2 m, and the ratio of fracture to mining is 24.2; the development of water conduction fracture is not connected with the Sarawusu aquifer. The production process is not threatened by aquifer irrigation. Key words shallow coal seam; physical similarity simulation; height of water conducted zone; aquifer; arch beam 松散层薄基岩浅埋煤层开采易引起隔水层失 稳,形成导水断裂造成地下水和地表水资源破坏、 地表植被减少、 生态环境失衡等[1]。王双明等提出陕 北神府煤田保水开采重点是保护地表生态水位不 下降, 关键技术是确保采动过程中隔水层的隔水性 不被破坏。贾后省等建立了相似材料模拟实验, 研 究神东矿区覆岩纵向裂隙发育规律,并提出了有 效的改善措施[2]; 卢邦稳等研究薄基岩浅埋煤层开 采条件下地表台阶下沉问题,建立了三维物理相似 模拟实验, 分析了覆岩破坏规律[3]; 师修昌等运用相 似材料模拟和数值模拟相结合的方法, 提出覆岩导水 断裂的发育与工作面参数和采场主应力状态密切相 关[4]。因此掌握采动顶板裂隙发育规律, 揭示隔水岩 组的稳定性是厚松散层薄基岩浅埋煤层保水开采的 DOI10.13347/j.cnki.mkaq.2020.01.009 陈辉, 曹其嘉, 韦钊, 等.厚松散层薄基岩浅埋煤层导水断裂带高度研究 [J] .煤矿安全, 2020, 51 (1) 38-41, 46. CHEN Hui, CAO Qijia, WEI Zhao, et al. Study on Water-conducting Fracture Height of Shallow Buried Coal Seam with Thick Loose Bed and Thin Base Rock[J] . Safety in Coal Mines, 2020, 51 (1) 38-41, 46.移动扫码阅读 38 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 核心。 陕北矿区神府煤田大多数以厚松散层薄基岩浅 埋为主,导水断裂带发育越过含水层的可能性较 大,给矿井安全生产带来威胁及安全隐患,因此探 明浅埋煤层覆岩导水断裂带发育高度及覆岩破坏规 律尤为重要[5-8]。以陕北矿区青龙寺煤矿 5-20101 综 采工作面为研究背景,采用理论计算、物理相似模 拟及现场井下仰孔注水测漏法分析,确定工作面覆 岩移动破坏规律及导水断裂带发育高度,为后续矿 井安全、 高效、 绿色开采提供理论依据。 1矿井概况 青龙寺煤矿 5-20101 综采工作面平均厚 2.36 m, 倾向长度 200 m, 走向长度 240 m, 埋深 179 m。 煤层角度小于 1, 近水平煤层。上更新统萨拉乌苏 组含水层是区域内主要含水层,厚度一般 5~30 m, 钻孔抽水试验单位涌水量 q0.123~0.69 L/ (s m) , 渗透系数 K0.85~8.55 m/d。5-2开采煤层与萨拉乌 苏组含水层底界间距为 72.57 m。 2导水断裂带发育高度相似模拟 2.1物理相似模型设计 实验模型选用长高宽为 3 m2 m0.2 m 的 模型支架,根据实验需要选取以下实验参数几何 相似常数为 100, 密度相似常数为 1.56, 应力及强度 相似常数为 312, 时间相似常数为 10, 位移相似常数 为 100。相似材料包括主料 (河砂) 和辅料 (大白粉、 熟石膏、 水) , 其中煤层配比时要加入粉煤灰。模型 回采时, 在两端头各留 30 m 的保护煤柱, 煤层采高 2.36 m, 开挖步距为 10 m, 采用综合机械化一次采 全高全部垮落法管理顶板。模型布置 230 个上覆 岩层位移观测点,分别布置在含水层以下的基岩 (隔 水层) 顶部和底部,分别距离煤层顶板 70 m 和 60 m, 物理相似模拟模型示意图如图 1。5-20101 综采 工作面各岩层力学参数见表 1。 2.2覆岩破断及导水断裂带发育规律 工作面煤层开采后采空区上方覆岩形成拱形梁 结构,拱的边缘位置为覆岩受拉区域,该区域纵向 切落裂缝是岩层的主要导水通道。随着工作面的不 断推进,顶板离层裂隙及纵向切落裂缝自下而上不 断发育、 发展[9-11]。覆岩导水断裂带发育演化规律如 图 2。工作面开采至 60 m 处时, 基本顶发生初次垮 落, 垮落带高度 7 m, 垮落区域外缘一定范围内覆岩 受拉应力作用,纵向切落裂缝逐渐发育,形成拱形 导水断裂圈, 纵向切落裂缝高度发育至 18 m 处, 如 图 2 (a) 。 工作面开采至 82 m 时, 基本顶第 1 次周期 来压, 垮落带高度 10 m, 纵向切落裂缝高度 23 m, 如图 2 (b) 。当工作面开采至 104 m 时, 基本顶第 2 次周期来压, 垮落带高度 12 m, 纵向切落裂缝高度 32 m, 如图 2 (c) 。 随着工作面的继续推进, 覆岩受拉 应力的作用,纵向切落裂缝不断发育。当工作面推 进至 125 m 时, 垮落带高度 17 m, 纵向切落裂缝高 度 43 m, 如图 2 (d) 。工作面回采至 210 m 时, 采空 区中部上覆岩层逐渐压实, 两边缘上部覆岩纵向切 落裂缝明显发育,形成导水断裂带且呈 “八字形” 分 布, 并且到达含水层底部约 10 m 处自动闭, 纵向切 落裂缝高度在 62 m, 其高度随工作面的推进趋于稳 定, 说明已达到充分采动, 随着工作面的继续推进, 纵向切落裂缝 (导水断裂带) 最大高度变化不大[12]。 表 1煤岩石力学参数 Table 1Mechanical parameters of coal and rock 序 号 岩性 厚度 /m 密度 / (t m-3) 抗拉强度 /MPa 弹性模量 /GPa 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 风积砂 红土 粉砂岩 细砂岩 泥岩 粉砂岩 中粒长石砂岩 泥质粉砂岩 中粒长石砂岩 细粒长石砂岩 深灰色泥岩 5-2煤 中粒砂岩 35 25 20 17 15 19 15 8 7 10 5 2.36 10 1.8 1.6 2.4 2.5 2.4 2.4 2.4 2.3 2.4 2.5 2.4 1.3 2.6 - - 4.6 4.3 1.6 4.7 3.8 1.6 4.1 4.3 1.6 1.3 3.1 - - 12.7 14.8 7.4 14.5 13.5 7.4 15.0 14.5 7.4 2.4 16.9 图 1物理相似模拟模型示意图 Fig.1Schematic diagram of physical similarity simulation model 39 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 2覆岩导水断裂带发育演化规律 Fig.2Evolution of water-conducting faults in overburden rocks 随着工作面的推进,采空区上方覆岩导水断裂 带发育高度逐渐增大。当工作面回采至 210 m 时, 采 空区中部上覆岩层逐渐压实,纵向切落裂缝和离层 裂隙闭合,导水断裂带高度随工作面的推进趋于稳 定, 其高度在 62 m, 导水断裂带高度发育动态变化 如图 3。 2.3上覆岩层位移分析 通过实验模型布置 2 条位移观测线,利用全站仪 对模型覆岩位移观测点的轨迹进行记录,得到的观 测点的下沉曲线图为如图 4。隔水层出现不同程度 的弯曲下沉现象, 底部最大下沉量为 800 mm, 顶部 最大下沉量为 90 mm。从下沉值可以看出,隔水层 底部出现不同程度的下沉现象但未发生覆岩断裂现 象, 未形成导水裂隙与含水层的贯通现象[13-14]。隔水 层顶部出现轻微下沉现象,对含水层覆岩结构不构 成破断威胁。 3导水断裂带高度理论计算 工作面覆岩以细粒砂岩、 粉砂岩为主, 按中硬岩 类计算, 依据 GB 1271991 矿区水文地质工程地 质勘探规范中的经验公式计算导水断裂带高度, 公式如下 HL=100∑M/ (3.3n3.8) 5.1(1 ) 式中HL为导水断裂带最大高度, m; ∑M 为煤 层累计采厚, m; M 为煤层厚度, m; n 为煤层分层开 采层数。 由煤层开采厚度计算得到导水断裂带高度为 45.17 m, 没有穿过萨拉乌苏组含水层底界。 4导水断裂带高度现场实测分析 采用井下仰孔注水测漏法实测 5-2号煤层导水 断裂带发育高度[15]。井下仰孔注水测漏法采用钻孔 双端封堵测漏装置探测 “两带” 高度, 根据钻孔施工 过程中岩硝浆液排量大小判断覆岩结构破坏程度。 钻孔布置在 5-10202 回风巷300 m 处的联巷中, 沿 采空区上方布置 3 个观测钻孔 (钻孔 1~钻孔 3) 和 1 个对比钻孔 (1#) , 钻孔布置平面图如图 5。钻孔参数 及岩硝浆液排出情况见表 2。 从钻孔的开始至 32~48 m 范围, 岩硝浆液排出 与对比孔基本相近,表明此段覆岩破坏程度较轻, 没有大量导通裂隙的产生;当钻孔施工至 48~60 m 处时, 岩硝浆液排出量时大时小, 极不稳定, 表明此 段覆岩破坏非常严重, 存在较大的裂缝和空隙; 此后 各钻孔的岩硝浆液排出量逐渐增加,至孔底附近段 又恢复正常。由此可知 1 号钻孔导水断裂带高度为 58.8 m, 裂采比为 24.9; 2 号钻孔导水断裂带高度为 60.2 m, 裂采比为 27.6; 3 号钻孔导水断裂带高度为 44.5 m, 裂采比为 18.9。 图 3覆岩导水断裂带发育高度动态变化图 Fig.3Dynamic changes of water conduction fissure height in overlying strata 图 4A、 B 观测线下沉曲线图 Fig.4Subsidence curves of observation lines A and B 40 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 表 2观测钻孔参数 Table 2Observing drilling parameters 孔 号 倾角 / ( ) 长度 /m 方位角 / ( ) 正常排出 范围/m 未见浆液 排出范围/m 浆液排出 减少范围/m 1687520 1721102001~38.5 38.5~43.7 51.2~58.8 43.7~51.2 58.8~109.0 2681301851~48.3 48~52.7 57.3~60.2 52.7~57.3 60.2~130.0 3701061901~32.8 32.8~36.3 40.4~44.5 36.3~40.4 44.5~88.0 正常排出 图 5钻孔布置平面图 Fig.5Drilling layout plan 5工作面导水断裂带发育高度综合预计 不同方法导水断裂带发育高度、 垮落高度及裂采 比关系见表 3。物理相似模拟实验导水断裂带发育高 度与现场实测数据基本一致,导水断裂带发育高度 在52.4~62 m, 裂采比为 22.2~26.3。 而理论计算导水 断裂带发育高度相对保守 (45.17 m ) 。可以得出 5-2煤 所在采区导水断裂带发育未穿过含水层(萨拉乌苏 组含水层基岩厚度 58.77~86.37 m,平均 72.57 m ) , 故 5-2煤开采受水威胁系数相对较低。为保证矿井开采 安全, 导水断裂带高度取 62 m, 裂采比取26.3。 6结论 1 ) 物理相似模拟实验表明, 青龙寺煤矿 5-2煤覆 岩导水断裂带发育高度为 62 m。 覆岩破坏主要以切 落失稳为主,呈现马鞍形分布。导水断裂带主要为 切落裂缝, 呈 “八字形” 分布, 局部裂隙发育明显但 未形成导水通道。导水断裂带经过发展期、贯通期 和压实闭合期闭合。 2) 经过理论计算和物理相似模拟实验分析, 结 合现场观测结果,导水断裂带最终发育范围为 52.3~62 m (平均 57.2 m) , 裂采比取 24.2。萨拉乌苏 组含水层底部距煤层顶板垂直距离范围为 58.77~ 86.37 m, 平均 72.57 m。 3 ) 导水断裂带发育最大高度位于含水层底部约 10 m 处, 覆岩导水断裂带没有和含水层贯通, 导水 通道未形成, 青龙寺煤矿安全生产不受井下含水层 透水威胁。 参考文献 [1] 黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J] . 岩石力学与工程学报, 2002, 21 (8) 3-4. 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