张安斌赵 健张 鹏王立杰

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.唐山三友矿山有限公司,河北省唐山市,063101)



巨厚松散层下导水裂隙带高度预测试验探究∗

张安斌1赵 健1张 鹏1王立杰2

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.唐山三友矿山有限公司,河北省唐山市,063101)

摘 要为了研究巨厚松散层下开采覆岩运移规律及导水裂隙带发育高度,选取谢桥矿1202(1)工作面为试验对象,采用经验公式预测、物理相似模拟试验和UDEC数值模拟分析三种方法进行了综合探究。研究结果表明:物理相似模拟和UDEC数值模拟能够反演上覆岩层垮落过程,且与“三下”规程计算公式得到的导水裂隙带高度具有较好的一致性,其范围为37.75～42.25 m;上覆巨厚松散层下冒落带和裂隙带能够明显的划分出来,且导水裂隙带范围呈“不对称梯形”状;结合岩层水体采动等级的划分,可适当提高1202(1)工作面的开采上限,提高资源回收率和经济效益。

关键词巨厚松散层 导水裂隙带 经验公式 相似模拟 UDEC数值模拟

Experimental study on height prediction of water conducted zone under extremely thick unconsolidated layer

Zhang Anbin1,Zhao Jian1,Zhang Peng1,Wang Lijie2
(1.College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Tangshan Sanyou Mine Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063101,China)

Abstract In order to study the movement rule of overlying strata and the height of water conducted zone under extremely thick unconsolidated layers,No.1202(1)working face of Xieqiao Mine was chose as test subject,and empirical formula calculation,physical similar simulation test and numerical simulation with UDEC were adopted to conduct comprehensive investigation.The results showed that physical similar simulation and numerical simulation could inverse the overlying strata collapse process,and the two methods had good consistency with formula of＂mining under buildings,railways and water-bodies＂regulation in calculating the height of water conducted zone,which was 37.75～42.25 m.Under extremely thick unconsolidated layers the caving zone and fractured zone divided obviously,and the water conducted zone was an asymmetric trapezoid.According to the grading of rock strata water mining,the upper mining limit of the No.1202(1)working face could be enlarged,which would increase the resources recovery and economic benefits.

Key words extremely thick unconsolidated layer,water conducted zone,empirical formula,similar simulation,UDEC numerical simulation

煤层采出后,采空区周围原有应力失去平衡而重新分布,继而上覆岩层会出现变形、移动、破断的现象,从而生成采动裂隙.根据上覆岩层的移动变形程度,可将其分为“三带”,即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带.裂隙带裂隙包括垂直和斜交于岩层的新生张裂隙和沿层面的离层裂隙,是主要的导水和储水通道.垮落带和裂隙带合称“两带”,又称导水裂隙带,意指位于两带范围内的上覆岩层含水层岩体水将会通过岩体破断裂隙流入采空区和回采工作面.研究上覆岩层导水裂隙带的发育情况并确定其高度值,不仅是矿井防治水工作和水体下采煤的关键,也是瓦斯抽采利用和防治技术的基础,对矿井合理设计、提高开采上限、优化经济效益等具有重要意义.

针对导水裂隙带高度发育及其预测的方法理论和研究已取得很大的发展,特别是《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“三下”规程)结合大量实例归结了各种条件下的高度计算公式,FLAC、UDEC和RFPA等大型软件被运用于构造二维或三维模型进行数值模拟预测,且通过现场探测中电磁法或钻孔电视技术的实施得到了较好的验证,并以此来指导实际生产.但导水裂隙带高度受到上覆岩层结构和性质、煤层采高、顶板管理方式、地质构造等因素影响,其影响程度因实际开采条件表现出明显的差异性和复杂性.众多研究中对上覆巨厚松散层薄基岩开采下的岩层运移规律研究甚少,对现有的经验公式估算导水裂隙带发育高度的适用性存在疑问.

本文选取谢桥煤矿1202(1)工作面为试验研究对象,依据该工作面水文地质条件及上覆岩层的结构情况,采用理论分析、相似模拟和数值分析的实验方法,研究上覆巨厚松散层在采动影响下的运移规律和导水裂隙带高度的发育情况,以期为实际矿井的安全高效生产提供技术与理论支持.

1　工程概况

谢桥矿1202(1)工作面位于西一采区11－2煤层零阶段,走向长度为1064.9 m,倾斜长度为112 m,煤厚1.4～3.6 m,平均为2.6 m;煤层倾角为12°～16°,平均为13.7°;该工作面对应地面标高为＋22.6～＋27.2 m,工作面标高为－433.5～－389.7 m.采用综合机械化开采,采空区顶板采用全部跨落法管理.根据工作面附近钻孔资料统计,1202(1)工作面顶底板情况见图1,其中煤层老顶局部裂隙发育区域赋存砂岩裂隙水,但以静储量为主,无水源补给.

图1　工作面综合柱状图

1202(1)工作面上方是第四纪以来所沉积成层、尚未固结硬化成岩的疏散沉积物,有松散性与半流动性、高孔隙度和颗粒相似性,厚度达373.4～388.4 m,平均为380.9 m,属巨厚松散层.松散层从上向下分为上部含水层、上部隔水层、中部含水层、中部隔水层及底部红层五个部分,底部红层不含水,为一隔水层,具体特征如表1所示.其中,对工作面回采可能造成影响的是中部含水层下段.

表1　部分松散层中含、隔水层特征

2　导水裂隙带高度理论预计

2.1“三下”规程公式

考虑到谢桥矿1202(1)工作面覆岩主要由砂岩和泥质砂岩构成,属于中硬岩层,因此根据“三下”规程进行工作面开采之后导水裂隙带高度预计为:

式中:H——导水裂隙带高度,m;

∑M——煤层累计采厚,m.将1202(1)工作面实际采厚∑M＝2.6 m带入式(1)、式(2)中分别得H为27.91～39.11 m和42.25 m.

2.2谢桥经验公式

淮南谢桥矿自建矿以来,对开采覆岩破坏与导水裂隙带高度进行了大量的实测和理论研究,结合大量实例也总结了适合该矿的计算顶板导水裂隙带高度的经验公式:

式中:Y——中硬岩层条件下的裂高采厚比;

x——防水煤岩柱高度.

1202(1)工作面防水煤岩柱高度x＝60.9 m,带入式(4)和式(3)得到裂高采厚比Y＝7.33,H＝19.07 m.

3　导水裂隙带高度相似模拟试验

为进一步验证“三下”规程和谢桥矿经验公式对1202(1)工作面顶板导水裂隙带高度预计的可靠性,本文进行了相似模拟试验.

3.1试验设计

本次试验以谢桥矿11－2煤层赋存条件作为原始条件进行相似模拟.由于存在13.7°的煤层倾角,因此推进方向选择平行于煤层倾向,采用1800 mm×160 mm×1100 mm的二维模型试验支架.由相似理论确定各相似比:几何相似比αL为100∶1,容重相似比αγ为1.6∶1,时间相似比,强度、弹性模量和内聚力相似比αc＝αE＝αγαL＝160∶1.

相似材料模型模拟110 m的顶板岩层,剩余310 m的高度采用模拟加压来产生压力,上覆岩层平均容重γ为1.125×103kg/m3,计算得到加载压力F为6277.5 N.相似实验的模拟材料主要以细沙为骨料,石灰与石膏作为胶结料,云母作为分层材料.根据实际岩层计算模型材料物理力学参数,并选定材料的合理配比,详见表2.

试验过程通过电子经纬仪测量布置在模型上的位移测点的坐标变化,同时采用数码高清拍照和钢尺实测观察上覆岩层运移规律及导水裂隙带的发育情况.位移测点沿煤层上方共布设了9层,采用10 cm×10 cm的网格式布置,将每列测点归为一组,依次标号1～15组,其布置情况及开采前的模型试验台如图2所示.

表2　相似模型材料配比计算

图2　相似模型及位移测点布置

3.2实验过程与结果

严格按照时间和几何相似比,从运输巷标高－426 m处沿煤层倾向方向开挖,每步开采5 m,采高为2.6 m,直至原设计方案设定标高－400 m处停采,达到充分采动,上覆岩层变形趋于稳定.推进过程中实时观测并记录上覆岩层垮落及变形规律,其移动破坏过程如图3所示.

当推进到35 m时,直接顶开始出现大面积冒落,但整齐排列,老顶悬露,老顶之上岩层并未出现任何变形,如图3(a)所示.由35 m推进到50 m过程中,直接顶随采随冒,老顶开始出现离层;当推进到55 m时,老顶达到垮落极限,出现大面积冒落,破碎紊乱,形成初次来压,上覆岩层中仅有一层出现离层,如图3(b)所示;由55 m推进到70 m期间,紧邻上覆岩层出现离层且有垂直于层面的裂隙,属于典型的裂隙带特征.当推进到75 m时,较厚岩层冒落标志着老顶第二次周期垮落,形成如图3(c)所示的破坏形态,其中在裂隙带中,中部出现大面积的垂直于层面的裂缝和断开,是上下层之间导水的良好通道(图中的短白线),此时通过钢尺测得导水裂隙带的高度为18.75 m,并呈不明显的“梯形”分布.在此后继续推进的20 m期间,随着老顶的再次周期垮落,以及上覆岩层的弯曲、下沉和断裂,裂隙带逐渐向上扩展,层与层之间的离层趋于明显且数量增多,和垂直于层面的裂缝能够较好的贯通.至－400 m标高的开采上限时,停止推进,待岩层变形稳定后,最终破坏形态如图3(d)所示,此时划分好“两带”区域.其中冒落带由小块不规则冒落转向大块规则冒落,但仍具有透水性能;导水裂隙带范围逐渐呈现不对称的梯形状,再次测量得到导水裂隙带高度为38.85 m.

为进一步探究上覆岩层变形规律,取图3(d)中导水裂隙带两端的3、8组和中部的5、6组测点,绘制最后变形状态下的竖直位移曲线,如图4所示.

图3　相似模拟覆岩垮落破坏过程

图4　部分测点的竖直位移曲线

从图4可以看出,在导水裂隙带内,由于自重导致中部(第5、6组)岩层随垮落带岩块冒落堆积,竖直位移量较大,而两端(第3、8组)岩层由于采区的边界煤柱的支撑作用,传递水平力,发生竖直位移相对较小,符合“砌体梁”结构.单看第8组测点竖直位移曲线,在－390～－360 m标高之间,岩层位移量均在0.5 mm上下浮动,在－360 m标高之上位移量减到0.2 mm以下,岩层基本保持原有整体性和层状结构,属于弯曲下称带,但在图3中表现不明显.再次表明－360 m处可能是分界线,与上述模型测得38.85 mm保持一致.

4　导水裂隙带高度数值模拟试验

为了提高导水裂隙带高度判断的准确性,弥补单一方法带来的局限性,结合实验目的与数值软件的特点,选用离散元分析软件UDEC对1202(1)工作面进行覆岩运移规律的数值模拟研究,实时反演上覆岩层垮落的渐进过程,使其结果更加准确合理.

4.1模型建立

依据1202(1)工作面地质情况,将上覆岩性相似、力学性质接近和厚度较小的岩层合并重组,建立二维的UDEC数值模型,长150 m,高100 m,如图5所示.其中煤层倾角仍为13.7°,含煤层共简化为12个不同的岩层,所选岩石力学参数如表3所示.对于模型选用摩尔－库伦本构关系,左右两边及底边均选为固定边界条件,即边界水平位移和垂直位移为零,顶边为自由边界条件,且施加剩余上覆松散层的载荷.为消除边界效应,在工作面开挖时两端各设置了30 m的边界.

图5　1202(1)工作面覆岩运移规律数值分析模型

4.2数值模拟结果及其分析

限于篇幅,选取了几组典型的覆岩垮落形态,构成覆岩破坏的演化和导水裂隙带的孕育,如图6所示.其中,沿倾向开挖15 m时,直接顶开始垮落,老顶随即出现离层,呈拱形悬露,如图6(a)所示.随着推进距离的加大,直接顶完全垮落,在开挖30 m时,老顶首次冒落形成初次来压,这与相似模拟的初次来压步距55 m有差别;此时由于重力老顶细砂岩层下层产生沿层离裂开的和斜交于岩层的裂隙,均有利于地下水的导通,并随着推进长度的增加逐渐向上方扩展,如图6(b)所示.当开挖长度到65 m时,裂隙带向上迅速扩展至中砂岩层,见图6(c),但由于此岩层的厚度、密度和弹性模量等均较其他岩层偏大,可作为一关键层,对裂隙带向上扩展起到阻碍的作用,此时的导水裂隙带高度约为25.38 m;导水裂隙带的范围逐渐由对称梯形演化为下垮落角稍小的不对称梯形.继续开挖至设定的停采标高－400 m,裂隙带越过关键层,其扩展速度显著降低,并最终形成图6 (d)所示的形态,由于倾角的存在和岩块的滑移,不对称梯形表现得更为明显,此时检测到导水裂隙带的高度扩展到37.75 m.

表3　煤与岩石的物理力学参数

5　结果分析

根据谢桥经验公式、“三下”规程公式一、“三下”规程公式二、相似模拟和数值模拟方法计算的导水裂隙带高度分别为19.07 m、39.11 m、42.25 m、38.85 m和37.75 m,其中安全“三下”规程计算公式二取较大值.对比发现,“三下”规程两个计算公式、相似模拟和数值模拟预测所得导水裂隙带发育高度值一致性较强,可推测谢桥煤矿1202(1)工作面上覆巨厚松散层垮落导水裂隙带高度范围为37.75～42.25 m.而谢桥经验公式所得19.07 m与其他方法差值较大,说明随着开采深度的增加,已经不再适用,需要进一步归纳总结.

依据上述导水裂隙带高度的预测范围和表1所列含、隔水层的高度可知,导水裂隙带可能波及到中部含水层下段,但根据“三下”规程中划分的水体采动等级可归属为Ⅲ类,即在该类含水层下回采允许导水裂隙带进入松散弱含水层,同时允许垮落带波及该弱含水层.因此,－400 m的开采界限设定是安全的,但相对保守.签于此水体下采动等级的划分,以及留设的大尺度防水煤柱,充分考虑红层的隔水性,可适当提高开采上限,解放呆滞煤量,增加效益.

图6　UDEC模拟覆岩垮落演化过程

6　结论

(1)针对谢桥矿1201(1)工作面上覆巨厚松散层,“三下”规程公式、相似模拟和数值模拟三种方法所预测的导水裂隙带高度具有较好的一致性,其范围为37.75～42.25 m.而谢桥矿经验公式已经不再适用.

(2)相似模拟和数值模拟能够反演上覆岩层垮落破坏的过程.上覆巨厚松散层下冒落带和裂隙带能够明显地划分出来,而弯曲下沉带却不明显;且由于煤层倾角的存在,导水裂隙带发育逐渐由对称梯形变化为不对称梯形.

(3)依据导水裂隙带高度预测范围和水体采动等级的划分,结合设定的保守开采界限以及上部红层的隔水性,为实际工程提供技术支持,即可适当提高1202(1)工作面的开采上限,延长服务年限,解放呆滞煤量,提高资源回收率,增加效益.

参考文献:

[1]李猛,吴晓刚,姜海强等.基于充实率控制的导水裂隙带发育高度研究[J].中国煤炭,2014(1)

[2]张勇,张保,李立等.急倾斜综放开采顶板裂隙发育规律对瓦斯抽采影响研究[J].采矿与安全工程学报,2014(5)

[3]唐鑫,姜振泉,曹丁涛等.厚煤层分层开采导水断裂带发育高度的确定[J].矿业安全与环保,2014 (6)

[4]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,2000

[5]许家林,朱卫兵,王晓阵.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法[J].煤炭学报,2013(5)

[6]栾元重,李静涛,班训海等.近距煤层开采覆岩导水裂隙带高度观测研究[J].采矿与安全工程学报,2010(1)

[7]田玉新,孙如华,李帅.导水裂隙带高度确定方法研究[J].中国煤炭,2013(9)

[8]刘英锋,王世东,王晓蕾.埋深特厚煤层综放开采覆岩导水裂隙带发育特征[J].煤炭学报,2014(10)[9]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(11)

[10]李文增,李岐,马群.采动影响下覆岩破坏动态发展过程的数值模拟[J].金属矿山,2012(9)

[11]吕霁,孙世国.特厚煤层综放开采上覆岩层导水裂隙带高度研究[J].中国煤炭,2010(1)

(责任编辑 郭东芝)

★煤炭科技·开拓与开采★

作者简介:张安斌(1989－),男,河北邯郸人,硕士研究生,主要从事采矿工程与岩石力学的研究。

基金项目:∗教育部高校博士学科专项科研基金项目(20120023110023),中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014QZ03)

中图分类号TD325 TD74

文献标识码A