8号煤层采空区顶板覆岩“两带”高度测定研究

摘要:导水裂隙带高度的预测经验公式是在大量实测基础上统计得到的,为导水裂隙带高度的预测提供了理论基础ꎮ为科学指导开采过程中的顶板水防治,需要对煤层开采后导水裂隙带发育高度进行现场测试ꎮ本文主要针对某矿工作面８号煤层采空区顶板覆岩“两带”高度测定进行研究,运用钻孔窥视成像法和数值模拟技术手段,对８号煤层采空区顶板覆岩导水裂隙带高度进行测定和数值模拟计算分析ꎮ关键词:顶板覆岩;钻孔电视;导水裂隙带;裂采比;冒落带在煤矿生产活动中ꎬ导水裂隙带发育高度与覆岩层岩性、结构及其力学性质有着密切关系ꎮ上覆基岩若存在含水层ꎬ严重威胁生产安全ꎬ需要测定工作面导水裂隙带高度ꎬ为安全绿色开采提供水文地质理论参数ꎮ本文以钻孔窥视成像法和数值模拟技术手段对工作面采空区导水裂隙带发育高度进行现场测定和模拟计算分析ꎬ并研究导水裂隙带的发育规律和高度ꎮ含水层为飞仙关组一段地层()ꎬ它是一种裂隙弱号煤层在回采后ꎬ自下而上形成冒落带和导水裂隙带ꎬ导水裂隙带一旦发育至飞仙关组一段地层()ꎬ含水层中的地下水将通过导水通道进入井下ꎬ增加矿井的涌水量ꎬ甚至可能引发顶板突水灾害ꎮ回采向长度为ꎬ倾斜长度为ꎬ煤层倾角在~ꎬ对应地表主要为北东向高山坡地ꎬ对应地表标.８~.ꎬ工作面距飞仙关组一段()层间距为.ꎮ为了掌握８号煤层工作面开采后导水裂隙带发育高度ꎬ主要研究内容如下:①以工层工作面开采导水裂隙带的发育高度ꎻ②通过运用数值模拟计算方法ꎬ研究工作面开采覆岩运动规律ꎬ分析８号煤层开采时覆岩动态破坏演化特征以及冒落带和导水裂隙带高度发育规律等ꎻ③综合现场实测及数值模拟结果ꎬ确定８号煤层冒落带和导水裂隙带的最大发育高度ꎮ本次探测钻孔在工作面北部风巷图对比钻孔设计剖面图图32#测试钻孔设计剖面图由图1可知,2#钻孔终孔位置布置在28714工作面回采段,作为测试孔;1#钻孔终孔位置布置在28714工作面实体煤侧,作为对比孔。2#测试钻孔孔深为82m,进行钻孔窥视测试,测试导水裂隙带的发育高度;1#对比钻孔孔深为77m,作为2#测试钻孔的对比钻孔,以上2个钻孔的设计均满足“两带”发育高度探测要求。钻孔参数见表1。表1钻孔设计参数表孔号倾角(°)方位(°)设计孔深(m)钻孔层位终孔孔径穿过煤层至顶板50.21m范围内岩性穿过煤层至顶板50.21m范围内岩性采用矿用钻孔成像测井分析仪对覆岩裂隙进行观测。观测中,通过人工依次将接杆和摄像头推进钻孔内部,推进中,观察钻孔内的裂隙发育情况并进行拍照录像,1#对比钻孔终孔深度为77m,2#测试钻孔终孔深1#对比孔孔壁成像观测结果如图4所示。由图4可知,在回采前,顶板岩层完整度较好,孔壁完好,基本无裂隙。(i)孔深46.5m(f)孔深34.5m(f)孔深34.5m(j)孔深49.7m(j)孔深49.7m(h)孔深42.4m(l)孔深62.3m(p)孔深76.5m垂高4.7m垂高9.7m垂高13.3m垂高16.1m(a)孔深7.4m(b)孔深15.4m(c)孔深21.2m(d)孔深25.6m垂高19.3m(e)孔深31.2m(f)孔深34.5m垂高24.4m(g)孔深38.7m垂高26.2m(h)孔深42.4m垂高29.3m(i)孔深46.5m(j)孔深49.7m垂高35.6m(k)孔深56.6m垂高39.2m(l)孔深62.3m垂高40.3m(m)孔深64.1m垂高42.5m(n)孔深67.5m垂高45.0m(o)孔深71.5m垂高47.9m(p)孔深76.2m图52#测试钻孔窥视截图2#观测孔孔壁成像观测结果如图5所示ꎮ由图5可知ꎬ开孔往上至15.4m处孔壁完整ꎬ基本无裂隙ꎬ说明覆岩没有明显采动裂隙ꎻ探测孔深31.2m处颗粒明显ꎬ存在微小裂隙ꎻ探测孔深46.5m处裂隙增多ꎬ裂缝开始扩展ꎻ探测孔深31.2m到孔深67.5m之间ꎬ孔壁有坍塌缩孔趋势ꎻ探测孔深67.5m到孔深71.5m处ꎬ孔壁破碎程度明显降低ꎬ裂隙显著减少ꎻ孔深76.2m处ꎬ孔壁基本恢复平滑ꎬ基本未发现明显裂隙ꎬ由此可以判断导水裂隙带最大实测高度为45mꎮ3数值模拟实验分析为了全面研究8号煤层工作面开采过程中的覆岩FLAC3D数值计算模型ꎬ研究工作面开采过程中覆岩变形破坏的位移场、应力场和塑性区变化规律ꎬ进而掌握8号煤层工作面采动过程中的冒落带和导水裂隙带发育特征[1]ꎮ本次模拟为倾斜模型ꎬ8号煤层采厚3.1mꎮ工作图628714工作面数值模拟图在煤层推进过程中,每次推进20m,共推进200m,一次采全高,顶板自由垮落。本次数值计算模型采用Mohr-Column模型,使用的岩体物理力学性质参数如位置岩层名称厚度(m)弹性模量(GPa)泊松比(GPa)密度黏聚力内摩擦角(°)抗拉强度顶板细粉砂岩泥岩3细粉砂岩6粉砂岩6粉砂岩细粒砂岩7泥岩3煤层8号煤层底板细粒砂岩6黏土岩粉砂岩8初始应力场建立完成后,我们对模型顶部施加松散层和基岩竖向荷载,对8号煤层的开采过程进行模200m。通过对模拟结果进行分析,得到塑性区破坏分布规律、竖向位移变化云图及垂直应力场变化云图,同时,根据煤层顶板塑性区范围和应力分布两个方面综合分析确定冒落带和导水裂隙带发育高度。由于篇幅限制,覆岩位移场和应力场发育规律暂不叙述。本文主要研究走向和倾向覆岩塑性区分布特征,得出导水裂隙带发育高度和覆岩破坏变形演化规律[2-3]。离下,塑性区分布规律数值模拟计算结果见图7。(a)推进20m(b)推进40m(c)推进60m(d)推进80m(f)推进120m图7不同推进距离下塑性区分布规律(推进方向)如图7所示,当工作面推进至20m时,采空区上方开始出现塑性区,煤层直接顶发生剪切破坏,顶板裂隙初步发育,高度约5.2m;推进至60m时出现拉张破坏,破坏高度11.5m,表示导高暂未发育成相应形状;当工作面推进至60m时,塑性破坏区开始形成着推进距离增大而扩大,继续推进至160m时,塑性破坏最大高度达到40.8m。由图8可知,煤层开采至180m时,基本上已完全达到充分采动状态,导水裂隙带最大发育高度为图8导高随开采距离变化规律(推进方向)律,如图9所示。(a)推进20m(b)推进40m(c)推进60m(d)推进80m(e)推进100m(f)推进120m(g)推进140m(h)推进160m(i)推进180m(j)推进200m图9不同推进距离下塑性区分布规律(倾斜方向)如图9所示,推进至20m时,采空区上方开始出现塑性区,煤层直接顶仅发生剪切破坏,表示顶板裂隙初步发育,高度约为3.2m;当工作面推进至60m时,塑性破坏区开始形成“马鞍”形,塑性区高度为18.6m;当分别推进至80m、100m、120m、140m和160m时,马鞍形塑性区范围逐渐扩大,推进至180m时,塑性破坏最大高度达到42.2m,此时应达到稳定。图10导高随开采距离变化规律图(倾斜方向)由图10可知,煤层开采至180m时,已达到充分采动状态,导水裂隙带最大发育高度为42.2m。综上可知,导水裂隙带在推进方向上发育达到最大值,最大发育高度为42.8m。4结论本文采用钻孔窥视成像法和数值模拟技术手段对28714工作面采空区导水裂隙带发育高度进行测定和分析,并研究了导水裂隙带的发育规律和高度,得出以下结论: