巴彦高勒煤矿3-1煤层顶板垮落裂缝带发育特征_王永国.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY 2. Geophysical Prospecting and Surveying Team of Shandong Coal Geology Bureau, Jinan 250104, China Abstract In order to solve the safety problems of roof collapse and fracture water diversion brought by overlying high-confined sandstone aquifer, coal seam 3-1 and roof of Bayangaoler mine in southern Ordos basin. taken as the research object. Based on mine geology, hydrogeological conditions, mining technology conditions and the character- istics of mine pressure, the development characteristics of roof collapsed fractured zone of coal seam 3-1 were ana- lyzed and studied by combining the field pressure test and numerical simulation. The results show that the numerical simulation results are basically consistent with the field pressure test results. Finally, it is judged that after mining seam 3-1, the height of roof collapsed zone was 38.7 m, the maximum height of roof collapsed fractured zone was 126 m, and the ratio of fractured zone and mining height was 23.7. The results are basically similar to the experimental and measured values, which provide a new for coal mine to predict the height of roof fractured zone. The research results provide a test and reference for the safe mining in Hujirt mining area and other mining areas with similar geological conditions as well as the retention of coal pillars for roof protection and water separation. Keywords collapsed fractured zone； pump-in water test； FLAC3D numerical simulation； Bayangaoler； Jurassic coalfield in Ordos 煤层开采以后，采空区围岩的原始应力平衡状 态遭到破坏，应力重新分布，会导致岩层产生裂隙 和断裂，一旦这些裂隙和断裂连通后就会形成导水 通道，可将其波及到的顶板含水层、采空区积水等 水源导入工作面，从而引发顶板突水事故或增大矿 井涌水量，因此，导水裂隙带高度是煤矿顶板水害 防治的重要参数[1-2]。目前主要用经验公式法[3]、物 理相似材料模拟法[4]、计算机数值模拟法[5-6]等预计 导水裂隙带高度。刘同彬等[7]根据相似模拟实验， 推导了考虑开采深度、工作面长度、开采高度及覆 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 47 卷 岩结构特征等因素的导水裂隙带高度理论计算公 式，结合实例，验证了公式的适用性。施龙青等[8] 基于采场顶板“上四带”理论，推导了考虑采厚、采 深、工作面跨度、岩石的力学性质、岩层的组合特 征和含水层水压等因素的导水裂隙带理论计算公 式，并通过工程实例进行了验证。王占盛等[9]、王 连国等[10]从不同岩性岩层破坏特征出发，提出了一 种预测导水裂隙带高度的计算模型，通过现场实测 与数值模拟验证，效果良好。许家林等[11]提出通过 覆岩关键层位置来预测导水裂隙带高度的新方法。 王志强等[12-13]以关键层理论为基础，提出划分采场 导水裂隙带的新方法，并用相似模拟实验、理论分 析及现场实测等方法进行了验正。导水裂隙带高度 与开采厚度、覆岩性质等因素相关，导水裂缝高度 与采厚的平方根成正比关系[14-18]。基于前人的研究 基础，笔者采用理论分析、现场实测、数值模拟、 水文监测等相结合的研究方法，深入研究鄂尔多斯 盆地南部巴彦高勒煤矿 3-1 煤覆岩运移特征及其主 控影响因素，得出单个工作面开采及相邻工作面开 采对顶板“三带”发育高度、发育规模及其空间展布 规律的影响机理和影响程度。 1 研究区概况 巴彦高勒矿井隶属于乌审旗呼吉尔特勘查区， 位于鄂尔多斯侏罗系煤田的南部。 含煤地层沿走向、 倾向的产状变化不大，产状接近水平，发育缓倾斜 的简单单斜；矿井范围内很少有缓波状起伏，局部 发育宽缓的向斜或背斜；矿井断层稀少、落差较小、 分布零散；矿井没有受岩浆岩的影响。矿井内主要 含水层包括第四系松散层Q潜水含水层、白垩系 下统志丹群K1zh孔隙承压水含水层、 侏罗系安定组 含水层、侏罗系直罗组含水层、侏罗系中下统延安 组J1-2y碎屑岩类承压水含水层和三叠系上统延长 组T3y碎屑岩类承压水含水层。 目前正在开拓开采 3-1 煤层，煤层平均厚度为 5.3 m，顶板岩性主要为砂质泥岩，少数为粉砂岩， 底板岩性主要为砂质泥岩。 3-1 煤层埋藏深度达 600 m， 顶板上覆高承压砂岩含水层，对矿井安全生产影响 较大。对 3-1 煤层上覆冒落裂缝带及其移动破坏规 律开展研究利于矿井防治水安全、优化井下探放水 工程与水资源保护，可指导矿井安全生产。 2 压水试验测试 在 311101 工作面回风顺槽钻场施工 3 个探测钻 孔 T1、T2、T3，采用井下仰孔分段注水测漏法，通 过胶囊将测试段上下两端封死，而后对测试段进行 压水试验，通过分析单位时间内地层的压入水量， 确定顶板导水裂缝带发育高度。该方法依据是裂隙 发育地层和原始地层的注水率存在显著差异。 根据T2孔不同测点注入总水量变化曲线图1和T2 孔不同测点压入地层水量变化曲线图2可知，在122 m 以后，压入地层的水量不再出现峰值，表明上部不发育 导水裂隙，初步认为导水裂缝带发育最大高度为122 m。 图 1 T2 孔不同测点注入总水量变化曲线 Fig.1 Variation of total injected water volume at different measuring points in Hole T2 图 2 T2 孔不同测点压入地层水量变化曲线 Fig.2 Variation curve of water volume injected into stratum at by different measuring points in Hole T2 根据 T3 孔不同测点注入总水量变化曲线图 3 及 T3 孔不同测点压入地层水量变化曲线图 4， 综合 分析每个测试段注入总水量及压入地层水量的变化 情况，初步分析导水裂缝带发育最大高度为 126 m。 图 3 T3 孔不同测点注入总水量变化曲线 Fig.3 Variation of total injected water volume at different measuring points in hole T3 ChaoXing 增刊 1 王永国等 巴彦高勒煤矿 3-1 煤层顶板垮落裂缝带发育特征 39 图 4 T3 孔不同测点压入地层水量变化曲线 Fig.4 Variation of water volume injected into stratumin at different measuring points in hole T3 T1 孔为原位对比孔， 主要测试地层的天然吸水 率，测试段与 T2、T3 孔主要漏失段相对应，根据 T1 孔不同测点注入总水量变化曲线图 5和 T1 孔不 同测点压入地层水量变化曲线图 6，T1 孔在垂高 126 m 处，压入水量最大值为 0.34 m3/h，而 T3 孔 图 5 T1 孔不同测点注入总水量变化曲线 Fig.5 Variation curve of total injected water volume at different measuring points in hole T1 126 m 处压入地层水量为 0.67 m3/h， 则相同位置处， T3 孔测值远大于 T1 原位对比孔测值，由此推断， 126 m 处有裂隙发育。 综合 T2 和 T3 孔的测试结果，并对比分析 T1 孔测试的地层天然吸水率，判定巴彦高勒煤矿 3-1 煤采后导水裂缝带最大发育高度为 126 m。根据压 水试验探测结果， 3-1 煤顶板岩层在天然条件下，地 层原始吸水率较小，在有采动裂隙发育的情况下， 吸水率会大大增加。结果表明，利用压水试验测试 导水裂缝带发育高度，在巴彦高勒煤矿是适用的。 图 6 T1 孔不同测点注入地层水量变化曲线 Fig.6 Variation of water volume injected into stratum at dif- ferent measuring points in hole T1 3 数值模拟实验 将取心样品进行岩石力学实验， 包括单轴压缩、 抗拉、抗剪力学实验和块体密度的物理实验。最终 确定实验原型的煤层顶底板岩层力学性质参数，如 表 1 所示。 表 1 数值模拟实验模型岩石物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of rock numerical simulation experiment model 岩性 厚度/m 密度/gcm-3 体积模量/GPa剪切模量/GPa 内聚力/GPa 内摩擦角/℃ 抗拉强度/MPa 砂质泥岩 10 2.13 11.9 8.5 4.65 37.8 1.96 中砂岩 24 2.26 9.2 5.3 3.18 34.5 1.33 砂质泥岩 24 2.54 11.9 8.5 4.65 37.8 1.96 细砂岩 6 2.14 7.9 4.7 3.73 35.7 1.43 砂质泥岩 24 2.53 9.6 7.5 4.45 36.5 1.83 砂质泥岩 16 2.58 8.5 5.3 4.83 34.5 1.55 砂质泥岩 7 2.55 11.3 8.2 5.68 35.0 2.03 粗粒砂岩 7 2.36 14.0 11.4 4.97 39.9 2.78 细砂岩 8 2.59 13.5 10.1 6.13 36.6 2.53 中粒砂岩 8 2.29 16.1 14.2 6.02 38.4 2.90 砂质泥岩 8 2.54 11.7 9.1 5.23 37.7 2.31 粉砂岩 9 2.57 9.9 7.1 5.18 37.0 1.82 砂质泥岩 6 2.56 11.8 7.4 4.91 35.3 1.70 3-1煤 5 1.24 1.7 1.57 2.44 30.0 1.39 粉砂岩 6 2.61 17.0 12.6 3.88 37.1 2.13 砂质泥岩 14 2.66 17.0 14.0 3.22 37.2 2.01 细粒砂岩 20 2.67 18.7 14.9 3.93 38.1 2.43 ChaoXing 40 煤田地质与勘探 第 47 卷 根据地质资料和实验室岩石力学实验结果，得 出煤层及主要岩层物理力学参数。采用莫尔–库仑 Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏程度 fs s13 1 sin1 sin 2 1 sin1 sin fc       1 式中 1、3分别是最大和最小主应力；c、分别是 黏结力和摩擦角。 当 fs0 时，材料将发生剪切破坏。在通常应力 状态下，岩体的抗拉强度很低，因此，可根据抗拉 强度准则3≥T判断岩体是否产生张性破坏。 采用 FLAC3D软件开展研究区垮落裂缝带发育 特征的数值模拟计算。 根据巴彦高勒矿井地质资料， 结合数值模拟实验模型简化条件和覆岩破坏的“三带” 规律，此次模拟实验参数为煤层顶板以上 154.7 m、 底板厚度 40 m，煤层厚度 5.3 m。整个模型的长宽 高尺寸为 600 m360 m200 m长宽高。工作面 斜长为 260 m， 采高 5.3 m。 工作面倾向两端各留 20 60 m 煤柱，模拟推进距离 520 m，煤层概化为近水 平煤层。 综采按一次采全高、直接垮落法开采方式。一 次回采步长为 10 m，一次回采完成后进行运算求 解，求取相应的塑性破坏区、应力分布及覆岩移动 结果后，进入下一步开挖求解。整个求解过程共分 52 步，模拟工作面回采长度 520 m。根据巴彦高勒 煤矿工作面回采实际情况，基本顶初次来压距离 3050 m，周期来压步距约为 20 m。在基本顶垮落 后，采取对开挖单元重新赋值的方式对采空区进行 充填。 运用 FLAC3D数值模拟软件，以 311101 工作面 为原型，建立 1∶1 的计算模型，通过开挖计算，模 拟煤层顶板覆岩破坏规律。实验中的关键变化点为 回采 30 m、130 m、220 m、280 m、390 m。主要选 取塑性区、垂向应力分布区来展现开挖过程中顶板 覆岩破坏规律及应力变化情况图 7、图 8。 从塑性区和垂向应力区变化过程可以判断，当 工作面回采至 280 m 时，塑性区发育高度达到最大 为 122.7 m，此后塑性区发育高度不再变化。应力区 发育高度最大为 128.7 m。实验结果表明，巴彦高勒 煤矿 3-1 煤在采厚为 5.3 m 的情况下， 回采至 280 m 左右时煤层顶板覆岩充分破坏，导水裂缝带发育高 度达到最大值，由塑性区和应力区综合确定垮落裂 缝带高度为 128.7 m。模拟实验结果表明 a. 随着回采长度的增加，塑性区范围继续扩 大、发育高度逐渐增加。煤柱边界顶底板塑性区基 本呈对称分布，塑性破坏区基本呈马鞍形，符合顶 板覆岩破坏一般规律。 图 7 不同回采长度时塑性区分布云图 图 8 不同回采长度垂向应力区分布云图 Fig.7 Cloud picture of plastic zone distribution at Fig.8 Cloud piture of the vertical stress distribution at different stopping length different stopping length ChaoXing 增刊 1 王永国等 巴彦高勒煤矿 3-1 煤层顶板垮落裂缝带发育特征 41 b. 通过垂向应力区云图变化分析，采空区上方 应力始终为正值，受到拉张破坏；煤壁两侧应力为 负值，受到挤压破坏，且煤壁正前方存在一定的超 前应力破坏区，破坏区范围约为 1018 m。 c. 通过塑性区和垂向应力区云图变化结果分 析，采高为 5.3 m 时，3-1 煤顶板垮落带的发育高度 为 38.7 m，垮落裂缝带导水裂缝带的发育高度为 128.7 m。 4 讨 论 通过压水试验测试岩层吸水率， 并以 311101 工 作面为原型，建立 FLAC3D数值计算模型，完成数 值模拟实验，现场试验和数值模拟结果基本一致。 数值模拟方法的优点在于，操作方便，易于实现， 模拟成本小。由于覆岩基本力学参数不确定，边界 条件不确定，建立的数值模型不能完全与现场情况 相符合。数值模拟的结果往往可作为一种定性的趋 势分析。现场实测方法可靠，但基本上都要钻孔， 投入大，成本高。地面钻孔冲洗液漏失量法，井下 仰孔分段注水法和钻孔电视法最为常用，建议采用 多种实测方法结合使用。 5 结 论 a. 通过压水测试试验结果综合分析，初步确定 巴彦高勒煤矿 3-1 煤开采后，顶板垮落裂缝带发育 最大高度为 126 m；根据数值模拟实验结果显示， 采高为 5.3 m 时，3-1 煤顶板垮落带的发育高度为 38.7 m，垮落裂缝带发育高度为 128.7 m。现场试验 和数值模拟结果基本一致，并选取压水试验结果作 为研究区 3-1 煤顶板垮落裂隙带的特征参数。 b. 研究结果对呼吉尔特矿区乃至周边相似地 质条件矿区的安全开采和煤层顶板防、隔水煤柱的 留设提供参考依据和测试方法。 参考文献 [1] 张世青，魏春臣，郁志伟，等. 近水平煤层综放开采导水裂隙 带高度研究[J]. 煤炭工程，2014，461196–98. 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