煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术_李超峰.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract Heights of roof strata “two-zone” should be measured for each new coal mine. To determine water flowing fracture zone height of the first mining face roof in Gaojiabu coal mine comprehensively, three s including injection water leakage measuring in upward slant holes, underground-ground joint microseismic moni- toring and numerical simulation with UDEC were applied. Similar fracture zone height values which are 88.03 m, 86.54 m and 87.00 m were detected by three s near the working face stop line. Combined with injection water leakage measurement in underground upward slant hole or surface borehole, strata deation and failure time-space four dimensional characteristics can be monitored by the underground-ground joint microseismic which has outstanding advantages in analyzing the changing rule of the fracture zone height. Keywords Gaojiabu mine field; height of water flowing fractured zone; injection water leakage measuring; under- ground-ground joint microseismic monitoring 导水裂缝带高度是受顶板水害威胁矿井的关键 水文地质参数，是进行顶板水害威胁评价、防治水 对策制定、以及工作面布置与参数设计、煤层采高 确定等的重要依据[1-5]。 导水裂缝带预测方法较多，如经验公式法、相 似模拟法、数值模拟法，以及实测法等[6-8]。探查方 法主要包括微震法[9-10]、视电阻率法、声速法、超 声成像法、钻孔窥视法、双端堵水仪观测法[11-16]、 钻孔冲洗液法等。对于新建矿井而言，钻孔实测是 获取导水裂缝带高度最直接的手段。 由于钻孔冲洗液法和双端堵水仪观测法是从水 文地质角度出发探测的导水裂缝带，实测时应尽量 选取这两种方法或者其一，并结合其他方法综合分 析。高家堡矿井首采面煤层埋藏千余米，预计导水 裂缝带埋深大于 800 m，采用地面钻孔冲洗液法无 效孔段过长，探查精度显著降低且经济上不合理； ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 46 卷 井下施工钻孔的孔深较浅，在克服孔内涌水、掉块 等困难后，在井下钻孔中采用双端堵水仪观测法具 有技术与经济两方面的优势。微震监测是一种不破 坏地面或者井下岩层、具有部署灵活、定位精度高、 四维监测等特点的导水裂缝带高度的探测方法。只 有与钻孔冲洗液法或双端堵水仪观测法获得的“两 带”指煤层采后形成的顶板垮落带和导水裂缝带高 度结合起来，才能确定微震“两带”。 采用井下上仰钻孔双端封堵仪观测法、 井–地联 合微震监测法、以及 UDEC 软件数值模拟综合研究 高家堡矿井首采面顶板导水裂缝带发育高度。 1 矿井概况 高家堡矿井位于黄陇煤田彬长矿区。101 工作 面是高家堡矿首采工作面，走向长度 537 m，实际 回采长度 345 m，倾斜长度 120 m。侏罗系延安组 4 煤为主采煤层。工作面范围煤厚 11.5～14.0 m。采用 综采放顶煤开采工艺。 利用产出煤炭资源量反算煤层 采高为 3.57.5 m，停采线附近煤层采高为 4.36 m。 煤层回采主要受顶板白垩系洛河组含水层水威胁。 2 探查方法 主要采用以下 3 种方法。 a. 井下上仰钻孔注水测漏法[6] 井下上仰孔分段注水观测，采用双端封堵测漏 装置，通过注水使胶囊膨胀，将测试段两端严密封 堵，向测试段注水并计算单位时间单位长度地层的 漏失水量。漏失量的大小反映了测试段岩石裂隙的 发育程度，通过分析覆岩漏失量变化情况来确定煤 层采后顶板导水裂缝带的发育高度。 b. 微震监测 微震监测是近年来应用于煤矿安全生产中的一 种新技术。利用微震监测探查煤层顶板“两带”高度 正处于试验阶段。其原理是在井下及地面等布置检 波器接收采煤时覆岩破坏与变形产生或诱导的微小 地震事件，并反演获取微地震震源位置等参数，结 合覆岩不同深度微震事件发生的位置、个数等信息 研究煤层顶板“两带”发育高度[17]。 传统微震监测主要分为地面和井中监测 2 种方 式。地面监测类似于天然地震监测，在监测目标区域 周围的地面上布置若干微震传感器进行监测，根据监 测数据定位震源的空间位置。井中监测是在监测目标 区域周围临近巷道中布置微震传感器进行监测。由于 地层吸收、传播路径复杂等原因，地面监测成果普遍 存在微震事件少、信噪比低、反演可靠性差等缺点。 井–地联合微震监测是传统微震监测在煤矿应 用中的一项技术创新。其主要特点是在地面、井下 巷道、钻孔中布置观测点图 1，通过监测与定位煤 层顶板覆岩破坏与变形产生或诱发的微地震信号， 达到对煤层覆岩“两带”发育高度及其变化规律的三 维动态监测[18-19]。 图 1 井–地联合微震监测点示意图 Fig.1 Sketch of microseism monitoring c. 数值模拟 采用岩石力学数值分析软件UDEC 离散单 元法程序[20-21]，可模拟工作面不同煤层采高情况下 的顶板“两带”发育高度。 3 探查结果 3.1 井下仰孔测漏法探查 a. TD2 钻孔测试结果 以 TD2 钻孔为例。 孔深 118 m 以上层段为宜君 洛河组，在水压力 2 MPa 时注不入水，应为未受煤 层回采扰动的正常地层图 2。关键段为 100106 m 图 2 TD2 钻孔注水量成果图 Fig.2 Water injection of TD2 borehole ChaoXing 第 1 期 李超峰等 煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术 103 层段。不考虑塌孔段无试验数据的影响，该层段地 层注水量呈齿状，100101 m 和 102103 m 段注水 量较大，其余层段注水量显著偏小。受孔口涌水量 较大为 1012 m3/h且存在波动等的影响， 地层漏失 量仅 101102 m、102103 m 段为正值，其余均为负 值图 3。102103 m 段注水压力最大升至 1.8 MPa。 105106 m 孔段注水时， 可闻孔内有明显的吸风现象。 图 3 TD2 钻孔地层漏失量成果图 Fig.3 Strata water leakage of TD2 borehole 由于 TD2 钻孔与采空区有一定距离平面投影 距离约 45 m， 工作面顶板导水裂缝带与钻孔轨迹仅 在其采空区附近上覆地层中有重叠交叉。分析认为 注入水量微弱的 103105 m段未受煤层回采扰动， 其下层段应为导水裂缝带顶界位置。因此，确定 TD2 钻孔导水裂缝带顶界为孔深 103 m 处垂高 84.37 m。 b. 测试结果 井下钻孔探查结果见表 1、图 4 和图 5。 结合钻孔注入水量、 地层漏失水量、 注水压力上 升情况、 钻孔是否有吸风现象、 以及塌孔等异常现象， 综合进行钻孔导水裂缝带高度判定。 注水泵额定流量 仅为 23 m3/h，与钻孔涌水量1020 m3/h相比显得 微不足道， 这也导致计算的地层漏失水量多次出现 负值，但并不影响整体的规律性分析。TD4 钻孔在 安定组内注不进水或注入水量微弱，最大仅为 0.005 385 m3/min100.5107.5 m， 与其他钻孔关键层 段注入水量相比小一个数量级以上，可忽略不计。 101 工作面停采线附近的导水裂缝带高度，自 运输顺槽外侧向工作面内侧沿 TD2→TD1→TD3 钻 孔方向逐渐增大，大致位于同一个水平岩层内。 表 1 钻孔压水测试结果统计 Table 1 Results of water injection tests 孔号 测试 段/m 方位 角/ 倾角 / 导高顶点 孔深/m 导高顶点 垂深/m 判别标准 备注 TD1 98153 92 50 113.0086.56 ①注水量呈单峰状，111113 m 段最大为0.050 513 m3/min，向上持续急剧减 小为0.000 325 m3/min； ②漏失量仅有112113 m 层段为正值， 其余均为负值； ③111112 m 段注水压力最大升至1.8 MPa，112113 m 最大升至1.7 MPa。 测试 孔 TD2 86131 99 55 103.0084.37 ①注水量呈齿状，102103 m 段最大为0.073 920 m3/min，向上103104 m 段 急剧减小为0.01 m3/min；②漏失量仅101103 m 段为正值，其余为负值； ③在102103 m 段注水压力最大升至1.8 MPa； ④105106 m 孔段注水时可闻 孔内有明显的吸风现象。 测试 孔 TD3 107160 107 45 124.5088.03 ①注水量呈齿状，123.5124.5 段最大为0.069 5 m3/min，向上急剧减小为 0.014 365 m3/min；②漏失量呈齿状，123.5124.5 最大为0.064 742 m3/min， 向上1 m 段急剧减小为0.011 594 m3/min，再向上2 m 段漏失量为负值。 测试 孔 TD4 93.5152 153 55 – – 安定组地层多注不进水，不漏失，局部层段最大注水量为0.005 385 m3/min， 最大漏失量为0.000 338 m3/min。 背景 孔 3.2 微震探查 共设置微震监测点 14 个图 6， 其中地面 8 个， 井下巷道 6 个。 3.2.1 数据处理方法 采用微震事件密度分析导水裂缝带发育高度。 数据处理 第一步，将微震事件投影至沿工作面走向的铅 垂平面上； 第二步，采用距离平方加权计算各点的事件密 度，计算公式 （） 2 1 1 , N i i D x y d Σ λ 1 式中 Dx, y为点x, y处单位面积内微震事件的个 数，个/m2；di为第i个微震事件与点x, y的距离， m；λ 为稳定性因子；N 为微震事件个数。 第三步，做沿工作面走向的铅垂平面上的微震 事件密度云图，结合实测结果研究顶板“两带”发育 高度及规律。 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 4 实测导水裂缝带平面投影示意图单位m Fig.4 Water flowing fracture zone height in the plane 注钻孔轨迹上小圆圈代表实测导水裂缝带顶界位置 图 5 实测导水裂缝带剖面投影示意图单位m Fig.5 Water flowing fracture zone height vertically 图 6 微震监测点分布示意图 Fig.6 Sketch of microseism monitoring points 式1表明距离点x, y, z越近的微震事件对该 点的贡献值越大，反之越小。 3.2.2 导水裂缝带及其顶界判别标准 结合井下仰孔注水探查结果，确定微震事件密 度云图中以数值 4 等值线为依据，作为顶板导水裂 缝带顶界标准。该界限以下至煤层顶板之间为导水 裂缝带。 3.2.3 探查结果 2016 年 3 月 16 日工作面已回采 223 m至 6 月 8 日，采用“井–地”联合微震监测技术对 101 工作面 煤层顶板覆岩活动情况进行动态监测，共接收到微 震事件 10 100 个，其中有效微震事件共计 8 568 个 图 7。 图 7 微震事件沿工作面走向投影示意图 Fig.7 Microseism events along the working face strike direction 101 工作面停采线附近煤层顶板依据前文确定 的标准，微震探查导水裂缝带顶界为197.40 m 水 平，即煤层采高之上 86.54 m此处煤层底板标高为 106.50 m，煤层采高为 4.36 m。 微震事件密度云图中数值 4 等值线向上微震事 件数量逐渐稀少，且分布离散；向下微震事件普遍 较多，连续性分布，局部较集中，这反映出该界限 以下地层发育有导水意义的裂隙，其上地层则无。 由于微震监测开始时工作面已回采 223 m，错 失了 55 165 m 区段煤层采高过大导致导水裂缝带 向上发育达到最高时的微震事件。微震事件主要集 中在综放采高较大回采区段，后续综放采高 4.36 m 时的微震事件较少，这与实际情况是相符合的。 3.3 数值模拟 采用岩石力学数值分析软件UDEC 离散单元 法程序，对首采面不同采高条件下的覆岩破坏进行 了二维数值计算分析。 选取 101 面的沿煤层回采方向为 X 轴，竖直向 上方向为 Y 轴方向。X 轴方向，切眼位于左侧，停 采线位于右侧。切眼距左侧边界 100 m，停采线距 右侧边界 105 m，设计开挖 345 m。Y 轴方向，4 煤 底板往下取 7.5 m，4 煤顶板往上取 245 m，4 煤厚 7.5 m，模拟地层厚度 255 m。建立了 550 m255 m 的原始平面应力计算模型， 共划分 17 574 块单元格。 煤层顶面受上覆岩层地应力作用，模型的左、右和 底部边界的位移设定为 0。 ChaoXing 第 1 期 李超峰等 煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术 105 3.3.1 开采过程概化 a. 煤层采高 回采 0 55 m 区段煤层采高 3.5 m；回采 55 165 m 区段煤层采高 7.5 m；回采 165 345 m 区段煤层采高 4.36 m。 b. 开挖过程 结合矿压显现确定开挖过程，分 别回采 30 m、55 m、75 m、95 m、115 m、135 m、 165 m、195 m、245 m、295 m、345 m 等。利用回 采不同时段的模拟结果可显示覆岩变形与破坏的动 态过程。 3.3.2 参数设置 将地层从上往下依次概化为中粒砂岩、细粒砂 岩、中粒砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、中粒砂岩、粗 粒砂岩、4 煤、泥岩 9 层，其顶界为白垩系洛河组。 各层力学参数选取见表 2。 3.3.3 模拟结果 数值模拟结果见图 8。 表 2 模型各层的岩石物理力学参数 Table 2 Rock physical and mechanical parameters of each layer in model 序号 地层及岩性 层厚/m 密度/kgm-3弹模/104MPa 泊松比抗剪强度/MPa 抗拉强度/MPa 1 中粒砂岩 60 2 590 2.183 0.23 6.59 2.08 2 细粒砂岩 50 2 610 1.427 0.17 7.25 1.59 3 K1l 中粒砂岩 40 2 590 2.183 0.23 6.59 2.08 4 J2a 泥质粉砂岩 20 2 260 1.325 0.18 39.35 1.41 5 J2z 泥岩 20 2 250 0.684 0.23 36.52 0.45 6 中粒砂岩 30 2 590 2.183 0.23 6.59 2.08 7 J2y 粗粒砂岩 25 2 380 1.965 0.20 38.60 1.91 8 4煤 8 1 900 0.483 0.28 1.40 0.47 9 泥岩 7 2 250 0.684 0.23 36.52 0.45 图 8 数值模拟导水裂缝带高度图 Fig.8 Water flowing fracture zone height simulated by UDEC 由数值模拟结果可知，101 工作面覆岩破坏与 变化主要经历以下几个阶段。 ①回采初期回采至 55 m 时，综采煤层采高 3.5 m，顶板初次来压，上覆岩层出现了较为明显的 离层和裂隙，导水裂缝带高度为 74 m。 ②回采中期回采至 165 m已过首次见方 45 m，综放煤层采高 7.5 m，工作面已有 5 次周期来 压，上覆岩层破坏与变形充分，导水裂缝带已发育 至最高为 173 m。 ③回采末期回采至 345 m停采线附近时，综 放煤层采高 4.36 m，由于煤层采高降低，导水裂缝 带高度仅为 87 m。 综观数值模拟全过程，工作面综放采高 7.5 m 区段时顶板覆岩破坏与变形最为强烈，导水裂缝带 高度最大；停采线附近顶板覆岩破坏与变形程度相 对较弱，导水裂缝带高度发育不充分。 3.4 综合分析 101 工作面顶板导水裂缝带高度探查结果如下 ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 46 卷 顶板导水裂缝带发育高度随煤层采高增大而增 大。导水裂缝带发育高度为 74.00173.00 m，裂采 比为 20.19 23.07 倍；回采至 165 m 综放采煤时导 水裂缝带发育最高。 停采线附近顶板导水裂缝带发育不充分，利用 三种方法获得的导水裂缝带高度基本一致，其中钻 孔注水测漏法探查高度为 84.37 88.03 m，微震监 测结果为 86.54 m，数值模拟为 87.00 m。 4 结 论 a. 对于煤层埋藏深度大，预计导水裂缝带埋深 较大的矿井，采用井下上仰钻孔注水测漏法实测煤 层顶板导水裂缝带具有技术和经济上的双重优势。 b. 井–地联合微震监测是将微震技术应用于矿 井顶板“两带”探查的一种新技术，具有部署灵活、 定位准确、四维监测等优势。微震事件受监测点布 置、监测时段选择等影响较大，应提前布置监测点， 并确保获取工作面回采整个阶段的微震事件。 c. 微震监测探查顶板“两带”，关键是如何将微 震事件监测结果与钻孔冲洗液法或注水测漏法探查 结果结合起来，确定具有真实水文地质意义的“两 带”发育高度及其变化规律。 参考文献 [1] 国家煤矿安全监察局. 煤矿防治水规定释义[M]. 徐州中国 矿业大学出版社，2009. [2] 虎维岳. 矿山水害防治理论与方法[M]. 北京煤炭工业出版 社，2005. [3] 许家林. 岩层采动裂隙演化规律与应用[M]. 徐州中国矿业 大学出版社，2016. [4] 白利民， 尹尚先， 李文. 综采一次采全高顶板导水裂缝带发育 高度的计算公式及适用性分析[J]. 煤田地质与勘探，2013， 41536–39. BAI Limin，YIN Shangxian，LI Wen. Calculation ula of water conducting zone height in roof for fully mechanized min- ing and its adaptability analysis[J]. Coal Geology Exploration， 2013，41536–39. [5] 刘英锋， 郭小铭. 导水裂缝带部分波及顶板含水层条件下涌水 量预测[J]. 煤田地质与勘探，2016，44597–101. LIU Yingfeng，GUO Xiaoming. Prediction of water inflow in roof aquifer affected by water-flowing fracture zone[J]. Coal Ge- ology Exploration，2016，44597–101. [6] 武强，赵苏启，董书宁，等. 煤矿防治水手册[M]. 北京煤 炭工业出版社，2013. [7] 王双美. 导水裂缝带高度研究方法概述[J]. 水文地质工程地 质， 2006，335126–128. WANG Shuangmei. A brief review of the s determining the height of permeable fracture zone[J]. Hydrogeology Engi- neering Geology，2006，335126–128. [8] 吕玉广， 张雁. 国内导水裂缝带研究现状及发展趋势[J]. 煤矿 现代化，20132101–104. LYU Yuguang，ZHANG Yan. Research status and development trend of water-flowing fractured zone[J]. Coal Mine Moderniza- tion，20132101–104. [9] 张唤兰， 朱光明， 王保利. 微地震震源定位中目标函数的研究 与应用[J]. 煤田地质与勘探，2015，436105–108. ZHANG Huanlan，ZHU Guangming，WANG Baoli. Study and application of objective function in microseismic source loca- tion[J]. Coal Geology Exploration，2015，436105–108. [10] 段建华，程建远，王云宏，等. 基于 STA/LTA 方法的微地震 事件自动识别技术[J]. 煤田地质与勘探，2015，43176–80. DUAN Jianhua，CHENG Jianyuan，WANG Yunhong，et al. Automatic identification technology of microseismic event based on STA/LTA algorithm[J]. Coal Geology Exploration，2015， 43176–80. [11] 余学义， 王金东， 赵兵朝. 机械化开采条件下导水裂缝带发育 高度研究[J]. 煤炭工程，2015，47986–89. YU Xueyi，WANG Jindong，ZHAO Bingchao. Research on height of water flowing fractured zone under mechanized min- ing[J]. Coal Engineering，2015，47986–89. [12] 邢延团，郑纲，马培智. 井下仰孔注水测漏法探测导水裂 缝带高度的研究[J]. 煤田地质与勘探，2004，32增刊 1 186–190. XING Yantuan，ZHENG Gang，MA Peizhi. Exploring the wa- ter-transmit crevice developing height with injection water leak- age in the upward slant hole[J]. Coal Geology Exploration ， 2004，32S1186–190. [13] 余学义，刘俊，赵兵朝，等. 孟巴矿特厚煤层分层开采覆 岩导水裂缝带高度测定[J]. 煤矿安全，2013，448 169–171. YU Xueyi，LIU Jun，ZHAO Bingchao，et al. Determination on the height of slice mining overburden rock water flowing frac- tured zone of extremely thick coal seams in Barapukuria coal mine of Bangladesh[J]. Safety in Coal Mines，2013，448 169–171. [14] 余学义，刘俊，王鹏，等. 特厚煤层分层开采导水裂缝带高度 探测研究[J]. 中州煤炭，201374–7. YU Xueyi，LIU Jun，WANG Peng，et al. Exploring research on height of water flowing fractured zone of extremely thick coal seams to slice mining[J]. Zhong Zhou Coal，201374–7. [15] 范志胜，程敏. 应用井下仰孔分段注水观测导水断裂带高度[J]. 矿业安全与环保，2010，37675–77. FAN Zhisheng，CHENG Min. Using the of injection water leakage in the upward slant hole to determinate height of water flowing fractured zone[J]. Mining Safety Environmental ChaoXing 第 1 期 李超峰等 煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术 107 Protection，2010，37675–77. [16] 李文生， 李文， 尹尚先. 综采一次采全高顶板导水裂缝带发育 高度研究[J]. 煤炭科学技术，2012，406104–107. LI Wensheng，LI wen，YIN Shangxian. Study on development height of water flow crack zone in roof above fully mechanized one passing full seam mining face[J]. Coal Science and Tech- nology，2012，406104–107. [17] MENDECKI A J. Seismic monitoring in mines[M]. London Chapman and Hall，1997. [18] 郝育喜， 李化敏， 袁瑞甫， 等. 煤柱稳定性的微震监测研究[J]. 煤炭工程，2012，441164–67. HAO Yuxi，LI Huamin，YUAN Ruifu，et al. Study on micro seismic monitoring and measuring of coal pillar stability[J]. Coal Engineering，2012，441164–67. [19] 吕长国，窦林名，何江，等. 遗留煤柱影响区域微震活动规律 研究[J]. 煤炭工程，2011，43178–81. LYU Changguo，DOU Linming，HE Jiang，et al. Study on micro seismic activity law of area affected by left coal pillars[J]. Coal Engineering，2011，43178–81. [20] 高保彬，高佳佳，袁东升. 基于 UDEC 的大采高覆岩破裂的 模拟与分析[J]. 湖南科技大学学报自然科学版， 2013， 282 1–6. GAO Baobin，GAO Jiajia，YUAN Dongsheng. Simulation and analysis of overlying strata fracture in large mining height top-coal caving face of coal seams based on UDEC[J]. Journal of Hunan University of Science TechnologyNatural Science Edition，2013，2821–6. [21] 李振峰，靳晓敏. 应用 UDEC 进行顶板“三带”范围划分的数 值模拟研究[J]. 矿业安全与环保，2015，42421–24. LI Zhenfeng，JIN Xiaomin. Numerical simulation research on scope division of “three zones” in roof with UDEC[J]. Mining Safety Environmental Protection，2015，424 21–24. 责任编辑 张宏 上接第 100 页 HUANG Qingxiang， WEI Baoning， ZHANG Wenzhong. Study of down ward crack closing of clay aquiclude in shallowly bur- ied coal seam[J]. Journal of Mining and Safety Engineering， 2010，27135–39. [14] 王双明，黄庆享，范立民，等. 生态脆弱区煤炭开发与生态水 位保护[M]. 北京科学出版社，2010. [15] 刘英锋， 郭小铭. 导水裂缝带部分波及顶板含水层条件下涌水 量预测[J]. 煤田地质与勘探，2016，44597–107. LIU Yingfeng，GUO Xiaoming. Prediction of water inflow in roof aquifer affected by water-flowing fracture zone[J]. Coal Ge- ology Exploration，2016，44597–107. [16] 李涛，冯海，王苏健，等. 微电阻率扫描成像测井探测采动土 层导水裂隙研究[J]. 煤炭科学与技术，2016，44852–55. LI Tao，FENG Hai，WANG Sujian，et al. Study on micro re- sistivity scan imaging logging applied to detect water flow cracks of mining soil layer[J]. Coal Science and Technology，2016， 44852–55. [17] 郭宁. 微电阻率扫描成像测井在裂缝识别中的应用[J]. 装备 制造，2014增刊 161，69. GUO Ning. Application of micro resistivity scanning imaging logging in fracture identification[J]. China Equipment ， 2014S161，69. 责任编辑 张宏 ChaoXing