覆岩导水裂隙带发育高度的确定方法与实践

－ＣＮ４３１３４７/ＴＤＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,Ｖｏｌ.１４,Ｎｏ.３Ｍａｙ２０１４

覆岩导水裂隙带发育高度的确定方法与实践

陈道志１,杨素改１,杨　松２

(１.滕州郭庄矿业有限责任公司锦丘煤矿,　山东滕州市　２７７５００；

２.山东省天安矿业集团有限公司,　山东曲阜市　２７３１５５)

摘　要:阐述了煤层开采覆岩导水裂隙带高度的确定方法,即物理模拟和数值模拟方法、理论计算和经验公式法、现场实测法。根据某矿煤系岩层情况,结合地质条件和实际情况,选用基于ＦＬＡＣ３Ｄ的数值模拟方法,确定了该矿２７０２工作面的导水裂隙带高度为１８.８４ｍ。并通过钻孔分段注放水法进行现场实测,得出实测导水裂隙带高度为１８.８４ｍ。

结果表明,数值模拟得出的裂隙带高度值与现场实测值高度吻合,说明数值模拟用于确定导水裂隙带的高度是简易、可靠、可行的。

关键词:导水裂隙带；确定方法；数值模拟；现场实测

煤层的开采必然会引起采场周围岩层的变形、

破断和移动等现象,如果存在含水层,并形成导水通道,将会引发水灾害。因此,在进行水体下压煤开采时,就必须对煤层采动形成的裂隙是否相互连通以及相互连通的裂隙是否波及到水体等关键问题进行

-４]

深入探讨,为煤矿的安全生产提供保障[１。

岩变形破坏分析提供了便利。

１.２　理论计算和经验公式法

理论计算法主要是解析法和数值法,两者都以固体力学为基础；经验公式法是在分析确定了矿区覆岩结构类型的基础上,根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出的经验公式来计算导水裂隙带发育高度。１.３　现场实测法１.３.１　钻孔分段注(放)水法

在采煤工作面周围选择合适的观测场所,向采空区上方打仰斜钻孔。钻孔避开冒落带、斜穿裂缝带,达到预计的裂缝带顶界后向上延伸一定高度。使用“钻孔双端封堵测漏装置”系统,沿钻孔分段封堵注水,由注水控制台控制水压、风压,读取注水流量。逐段观测,直到测出整个钻孔内各段的漏失量。根据漏失量变化情况确定裂缝带的上界高度。

该方法具有精度高、工程量少、观测效果明显等优点,且观测设备结构简单、操作方便,易于现场应用。１.３.２　钻孔超声成像探测法

不同的岩层具有不同的波阻抗,对声波的反射能力也不同。通过向钻孔孔壁发射超声波脉冲并接收反射波,测量回波幅度和传播时间,并由计算机处理成声波幅度、时差图像。声波幅度图像反映孔壁岩性硬度、岩石的结构,声波时差图像反映孔径的大小。图像颜色由深到浅分为１６等级色,代表不同的硬度和孔径。综合分析图像,可以看出裂缝的产状

导水裂隙带高度受到开采方法、覆岩岩性、时间

]

等诸多因素的综合影响[５,其值的确定便是一个复杂的问题。本文通过数值模拟计算得出导水裂隙带

高度,并通过现场实测进行对比分析,为煤矿安全生产提供一定的保障。

１　导水裂隙带发育高度的测定方法

１.１　物理模拟和数值模拟方法

在实验室内,将研究区域范围内的煤系岩层根据相似原理用相似材料制成模型,或利用数值分析软件建立数值模型。在满足相似的初始条件、边界条件等前提下,“开采”模型中的“煤层”,在相应的时间里模拟出相似的矿山压力和矿山压力显现现象,推断实际岩层发生的相应情况。

由于物理模拟需要大量相似的物质材料及繁琐的工序,所以数值模拟显得更为简捷实用。通常使用的有离散元法、有限元法、三维快速拉格朗日法等。其中,三维快速拉格朗日法即ＦＬＡＣ３Ｄ法是一种基于三维显示有限差分法的

值分析

法,它可

以模拟岩土的三维力学特性,分析渐进破坏和失稳

-７]

等,可以用来模拟采场大变形[６,为受采动影响围

５４

采矿技术　　２０１４,１４(３)　

]及被充填的情况,即裂缝的开度或充填物性质[８。(２)位移分析。由图３所示的工作面推进１６０ｍ时上覆岩层垂直位移云图可见,采空区覆岩下沉特点表现为:下位岩层比上位岩层下沉值大,越往上,下沉值越小,下位岩层表现为垮落特性,向上依

次表现为裂缝带、弯沉带；采空区中部比采空区边缘处下沉值大,且下沉量随与工作面煤柱的距离的减小而减小。

这种方法所获得的资料比较直观,同钻孔冲洗液法相配合,可以很好地揭示岩层破坏特征,判定导

水裂缝带高度。

]

此外,还有钻孔冲洗液耗量法[９、三维地震技０]

术[１等实测方法。

２　工程实践

某矿２７０２工作面位于－４１５ｍ水平,工作面按倾斜长壁布置,该面构造形态整体为一单斜构造,工作面煤层走向６０°~９０°,倾向北西,真倾角３°~１０°。煤层平均煤厚１.２５ｍ,厚度稳定,煤层可采指数为１.０,变异系数为１０％。直接顶为泥岩,厚度５~７ｍ,硬度系数ｆ＝３；直接底为粉砂岩,厚度为１.１~１.２ｍ,

硬度系数ｆ＝３。采用倾斜长壁后退式采煤法,全部垮落法管理顶板。采用综合机械化采煤,工作面平

均长度为１６０ｍ,倾斜长度为７８８ｍ,平均采高为１.２ｍ,循环进尺为０.６ｍ。

通过对上述地质条件进行分析,并考虑到现实情况,决定采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值软件对该面导水裂隙带发育高度进行数值模拟,并利用钻孔分段注水法进行实测。２.１　数值模拟研究２.１.１　数值模型的建立

利用ＦＬＡＣ３Ｄ软件对自开切眼至充分采动全过程覆岩随工作面推进时的变形、垮落情况进行模拟。模型尺寸为走向方向２５０ｍ,铅直方向１００ｍ,倾向２００ｍ。模型有２４８７５０个单元,２６５２５１个节点,采空区部分用空单元模拟。在回采过程中,工作面每推进１０ｍ进行一次运算,共开挖１６０ｍ。计算模型见图１。

图１　计算模型

２.１.２　数值模拟结果分析

(１)应力场分析。工作面推进１６０ｍ时采场围岩应力云图见图２。由图２可知,受采动影响,重新

分布的应力场呈抛物线形状分布,且开切眼和煤壁前

出现明显的应力集中现象。

图２　工作面推进１６０ｍ时垂直应力云图

图３　工作面推进１６０ｍ时垂直位移云图

　　用数值模拟来判断导水裂隙带高度的判据有塑性区和应力两种。应力判据是通过数值计算,得出

各点的应力,根据该点的应力状态来判断其是否破

坏[５]

。据此,结合以上模拟结果分析,根据实验室

得出的该矿岩层力学参数,以各点应力状态为判据,得出该矿覆岩导水裂隙带高度为１８.８４ｍ。２.２　现场实测

本次现场实测选用钻孔双回路注(放)水法来实现。现场共布置３个孔,其中采前孔一个,倾角７０°,采后孔两个,倾角分别为６０°和７０°。２.２.１　钻孔参数的确定

根据２７０２工作面的围岩条件及岩石强度分级,确定选用中硬条件下裂隙带高度的计算公式:

Ｈ＝１００∑Ｍ

１６∑Ｍ＋３

.６±５.６

(１)

式中,Ｍ为采高,此处为１.２ｍ,代入(１)式计算得:Ｈ＝１６.１~２７.３ｍ。因此,在考虑富余量的前提下,确定采前孔斜长为３７ｍ,采后孔斜长分别为３４ｍ和３７ｍ。

(下转第１０２页)

１０２

[３]

采矿技术　

(收稿日期:２０１３-１２-２５)

　２０１４,１４(３)　

许水平.深部首采地段地质特征及影响开采的地质因素[Ｊ].凡口科技,２００１(２).

－作者简介:邓国鹏(１９７２),男,工程师,主要从事矿山地质工作,Ｅｍａｉｌ:ｄｇｐ６３１２２４８＠１６３.ｃｏｍ。

[４]刘莱涛,陈秋宏.凡口矿狮岭深部开采降低贫化损失率的措施[Ｊ].采矿技术,２０１２,１２(４):１８-１９,３５.

　　(上接第５４页)

２.２.２　实测结果分析

根据观测数据,得出如图４、图５所示的采前孔、采后孔注水漏失量对比结果。

３　结　论

通过数值模拟,得出某矿２７０２工作面的导水裂隙带高度为１８.８４ｍ；通过现场实测,确定该面导水裂隙带高度为１８.８４ｍ,两者结果一致,表明数值模

拟结果可靠,为覆岩导水裂隙带发育高度的确定提供了简单可行的方法。

参考文献:

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[３]

刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[Ｊ].煤炭学报,１９９５(２):１-５.

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张平松,胡雄武,刘盛东.采煤面覆岩破坏动态测试模拟研究[Ｊ].岩石力学与工程学报,２０１１,３０(１):７８-８３.

[５]

尹增德.采动覆岩破坏特征及其应用研究[Ｄ].青岛:山东科技大学,２００７.

图４　采后１孔与采前孔漏失量对比

＃

＃

图５　采后２孔与采前孔漏失量对比

＃

　　从图４可以看出:在１８.６５ｍ位置处,采后１孔

[６]彭文斌.ＦＬＡＣ３Ｄ实用教程[Ｍ].北京:机械工业出版社,２００９.

漏失量曲线与采前孔漏失量曲线相交,当垂直深度超过１８.６５ｍ时,其漏失量与采前孔的基本一致,说

＃

明了采后１孔的垂直深度１８.６５ｍ位置为该处导水

＃裂隙带发育高度。从图５可以看出:采后２孔与采

[７]陈育民,徐鼎平.ＦＬＡＣ/ＦＬＡＣ３Ｄ基础与工程实例[Ｍ].北京:中国水利水电出版社,２００８.

[８]韩绪山,张景考.声波扫描成像在灾害防治及环境保护中的应用[Ｊ].中国煤田地质,２００３,１５(２):５９-６２.

[９]张玉军,李凤明.高强度综放开采采动覆岩破坏高度及裂隙发育演化监测分析[Ｊ].岩石力学与工程学报,２０１１,３０(Ｓ１):２９９４-３００１.

前孔漏失量曲线在１８.８４ｍ位置处相交,在垂深大于１８.８４ｍ时,两钻孔漏失量基本吻合,说明了采后＃２钻孔的垂直深度１８.８４ｍ位置为该处导水裂隙带发育高度。

通过两个采后孔注水漏失量与采前孔注水漏失量的对比分析,可以确定该矿２７０２工作面覆岩导水裂隙带发育高度为１８.８４ｍ。

[１０]

潘冬明,程久龙,李德春,等.利用三维地震技术探测覆岩变形破坏研究[Ｊ].采矿与安全工程学报,２０１０,２７(４):５９０-５９４.

(收稿日期:２０１３-１０-３１)

－作者简介:陈道志(１９８７),男,湖北十堰人,硕士,主要从事采矿工程方面工作,Ｅｍａｉｌ:ｄａｏｚｈｉ８３５＠１６３.ｃｏｍ。

有色(含稀土)行业成财政补助重点对象

财政部、工信部和国家安监总局发出通知显示,今年补助资金支持重点是钢铁、有色(含稀土)、建材、机械、化工、轻工、纺织等行业产能严重过剩、技术工艺落后、资源能源浪费、环境污染严重、安全隐患突出的小企业以及符合《转发安全监管总局等部门关于依法做好金属非金属矿山整顿工作意见的通知》精神列入整顿关闭范围的金属非金属小矿山实施的行政性关闭。