馬雄德，王蘇健，蔣澤泉，陳　通，李文莉

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；4.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；5.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054)

?

神南礦區(qū)采煤導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)*

馬雄德1，2，王蘇健3，蔣澤泉4，陳通3，李文莉5

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；4.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；5.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054)

為研究神南礦區(qū)開采中覆巖的破壞上限及其是否會(huì)導(dǎo)通上覆含水層，指導(dǎo)礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)劃和采煤方法設(shè)計(jì)，采用鉆孔智能全景成像測(cè)井，并通過(guò)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式、相似模擬和數(shù)值模擬及建立的本地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式等方法分析采動(dòng)條件下覆巖破壞程度。結(jié)果表明，導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚關(guān)系密切，呈非線性關(guān)系，根據(jù)本地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的統(tǒng)計(jì)公式在預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度時(shí)更加逼真。為減少礦區(qū)煤層開采對(duì)地下水資源的破壞，應(yīng)控制煤層合理采高、推行保水采煤技術(shù)。

神南礦區(qū)；導(dǎo)水裂隙帶；數(shù)值模擬；覆巖破壞

0　引　言

頂板水害是礦井生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的水文地質(zhì)現(xiàn)象[1]。一般認(rèn)為，開采煤層至松散含水層底板之間距離小于煤層一次采全高形成的裂隙帶高度時(shí)即有較大的突水危險(xiǎn)性，因此，導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)西部干旱半干旱地區(qū)實(shí)施“保水采煤”技術(shù)至關(guān)重要[2-5]。由于榆神礦區(qū)地質(zhì)條件特殊[6]，煤層埋藏開采條件優(yōu)越[7]，導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征明顯。當(dāng)前，確定導(dǎo)水裂隙帶的方法有實(shí)際探測(cè)、理論計(jì)算(經(jīng)驗(yàn)公式)、物理模擬和數(shù)值模擬等，每種方法在生產(chǎn)實(shí)踐中都發(fā)揮了重要的作用。胡小娟[8]以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度受控因素分析為前提，將頂板巖層的抗壓強(qiáng)度用硬巖巖性比例系數(shù)來(lái)表征，并采用回歸分析建立了導(dǎo)水裂隙帶高度與其它受控因素的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系。黃漢富[9]采用UDEC軟件模擬了萬(wàn)利礦區(qū)煤層采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律，同時(shí)分析了群采煤層相互影響，在此基礎(chǔ)上劃分了礦區(qū)“保水采煤”分區(qū)并進(jìn)行了工程實(shí)踐。涂敏[10]采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對(duì)不同采放比研究了導(dǎo)水裂隙帶高度的變化規(guī)律。呂洪文[11]采用數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法分析計(jì)算了榆陽(yáng)煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，認(rèn)為數(shù)值模擬與實(shí)際驗(yàn)證的導(dǎo)水裂隙帶高度基本一致。

文中分析經(jīng)驗(yàn)公式、物理模擬、數(shù)值模擬及建立統(tǒng)計(jì)公式等方法與實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度之間差別，并提出了適合神南礦區(qū)普遍適用的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式，對(duì)該地區(qū)保水采煤技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐。

1　基本概況

神南礦區(qū)位于陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田神木北部礦區(qū)的南部，陜西省榆林市神木縣的中部，行政區(qū)劃隸屬神木縣麻家塔鄉(xiāng)、瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)、孫家岔鄉(xiāng)所管轄，礦區(qū)總面積約373.4 km2，煤炭總資源量約55億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)總規(guī)模為34 Mt/a，主采5-2煤層，采高7 m.

2　導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

2.1經(jīng)驗(yàn)公式

研究區(qū)煤層頂板巖性主要為中細(xì)粒砂巖、泥巖，抗壓強(qiáng)度為20～40 MPa，屬于中硬巖類。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)及《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中給出的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式，預(yù)測(cè)5-2煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶高度為

(1)

(2)

(3)

式中m為煤層采高，n為常量(m ≤6m時(shí)，n=1；m>6m時(shí)，n=2)。

張家峁煤礦5-2煤層一次采高6.0 m，則：

根據(jù)《規(guī)程》公式(1)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度為51.05 m，《規(guī)程》公式(2)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度為58.99 m，《規(guī)范》公式(3)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度為89.61 m.

2.2相似模擬

2.2.1模型建立

以ZK1鉆孔柱狀為實(shí)驗(yàn)原型，煤層埋深124.68 m，采用平面模型架，模型架長(zhǎng)210 cm×20 cm×65 cm.模型幾何相似比為1∶200，模型選取的相似材料主要為河沙、石膏、大白粉、黃土等，以云母粉作為分層弱面。在5-2煤層開挖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每天開挖一次，推進(jìn)1 cm，采高3 cm，按照相似比例，每次開挖的長(zhǎng)度為2 m，采高為6 m.

2.2.2模擬結(jié)果

工作面推進(jìn)過(guò)程中，上覆巖層中出現(xiàn)離層裂隙，隨著工作面開采的推進(jìn)，其位置不斷上移，裂縫長(zhǎng)度和寬度也在增加，但增長(zhǎng)幅度較緩。工作面推進(jìn)至80m時(shí)基本頂初次破斷，之后離層高度、離層裂隙寬度迅速增長(zhǎng)。工作面推進(jìn)到280 m時(shí)(回采結(jié)束)，工作面兩側(cè)明顯出現(xiàn)發(fā)育至基巖層頂界面的豎向裂縫，地表及紅粘土層進(jìn)一步出現(xiàn)下沉。待工作面開采結(jié)束覆巖穩(wěn)定后，導(dǎo)水裂隙帶高度約為92 m.

圖1　工作面開采結(jié)束后覆巖垮落狀況Fig.1　Overburden rock failure after mining

2.3數(shù)值模擬

2.3.1模型建立

選擇ZK1鉆孔為原型，5-2煤層埋深為124.68 m，其中松散層厚度為33.58，基巖厚度99.1 m，煤層厚度6.0 m.建立長(zhǎng)×高為500 m×150 m的走向模型，為保證邊界的影響，在模型左右兩側(cè)邊界煤柱按100 m留設(shè)。

模型的邊界條件：上部邊界條件為自由邊界條件；兩邊為簡(jiǎn)支，X方向位移為0；下部邊界為固支，x，y方向的位移都為0.

2.3.2模型計(jì)算

模型計(jì)算采用UDEC(Universal Distinct Element Code)軟件，以Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則作為其屈服準(zhǔn)則，屈服函數(shù)為

(4)

ft=σt-σ1.

(5)

式中σ1,σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；σt為巖石抗拉強(qiáng)度；Nφ為與內(nèi)摩擦角有關(guān)的參數(shù)，且Nφ=(1-sinφ)/(1+sinφ).fs=0時(shí)，剪切破壞發(fā)生；ft=0時(shí)，拉伸破壞發(fā)生。

模擬開挖過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注巖層隨工作面推進(jìn)而發(fā)生移動(dòng)破壞規(guī)律，并以此來(lái)確定煤層上覆巖層破壞后導(dǎo)水裂隙帶高度。模擬開采結(jié)束后，工作面上方應(yīng)力分布和塑性區(qū)范圍如圖2和圖3所示。

圖2　采后應(yīng)力分布圖Fig.2　Stress distribution under full mining

圖3　采后塑性區(qū)范圍圖Fig.3　Range of plastic zone under full mining

可以看出，隨著工作面連續(xù)推進(jìn)，覆巖破壞范圍逐漸擴(kuò)大。工作面分別推進(jìn)到75 m及90 m時(shí)，基本頂初次來(lái)壓、第一次周期來(lái)壓，覆巖破壞范圍迅速擴(kuò)大。在工作面推進(jìn)300 m時(shí)破壞高度達(dá)到最大值93 m.

同時(shí)，應(yīng)力集中和支承壓力影響范圍隨著工作面的推進(jìn)有規(guī)律的向前推進(jìn)變化，當(dāng)工作面推進(jìn)300 m時(shí)，應(yīng)力集中出現(xiàn)在工作面前方16 m處，工作面支承壓力影響范圍約為39 m，垂直應(yīng)力峰值為原巖應(yīng)力的2.85倍。

3　導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)

3.1觀測(cè)孔平面布置

為了觀測(cè)張家峁煤礦實(shí)際采動(dòng)條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度，在15204工作面采空區(qū)布置2個(gè)鉆孔，其中01號(hào)鉆孔離開切眼35 m，02號(hào)鉆孔離開切眼270 m，以勘探時(shí)的03號(hào)孔作為對(duì)照孔，距離切眼150 m.15204綜采工作面采高6.0 m，寬度300 m，煤層埋深小于175.3 m，在工作面回采結(jié)束后3個(gè)月施工導(dǎo)水裂隙帶勘探孔，巖層移動(dòng)已趨于穩(wěn)定。鉆孔施工過(guò)程循環(huán)液采用清水，鉆孔實(shí)際孔徑108 mm.

3.2影像及漿液消耗量

鉆孔施工過(guò)程中鉆孔智能全景成像測(cè)井圖如圖4所示，漿液的消耗量歷時(shí)曲線如圖5所示。

圖4　01號(hào)孔內(nèi)巖壁裂隙影像Fig.4　Crack image in hole No.01

圖5　鉆孔漏失量對(duì)照?qǐng)DFig.5　Drilling fluid loss comparison

3.3導(dǎo)水裂隙帶高度確定

根據(jù)圖4，圖5可知，01號(hào)孔在鉆進(jìn)至埋深17.5 m時(shí)漿液消耗量大于對(duì)照孔03號(hào)孔，埋深27.1 m時(shí)孔內(nèi)漿液漏失，孔內(nèi)巖壁裂隙影像顯示垂直裂隙發(fā)育至套管端口之上，可以判斷導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入了黃土層，埋深17.5 m(距煤層75.2 m)是導(dǎo)水裂隙帶定界。根據(jù)鉆孔內(nèi)水位觀測(cè)成果、漿液消耗量、智能全景成像及鉆孔柱狀圖等資料，綜合確定01號(hào)鉆孔和02號(hào)鉆孔導(dǎo)水裂隙帶高度分別為75.20 m和75.60 m.

4　導(dǎo)水裂隙帶綜合分析

通過(guò)對(duì)本次得到的導(dǎo)水裂隙帶高度及周邊礦井相似地質(zhì)條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行擬合，即可得到本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采高之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

H=9.59M+13.55.

(6)

式中H為裂隙發(fā)育高度，m；M為煤層采高，m.

將本次得到的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果與“規(guī)程”、“規(guī)范”中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，采高<3 m時(shí)，各個(gè)公式計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度比較接近，說(shuō)明在此段內(nèi)擬合公式與其他方法計(jì)算得到的導(dǎo)水裂隙帶高度一致；采高3～6 m時(shí)，與擬合公式相比，“規(guī)程”中2個(gè)公式的計(jì)算值均偏小，而“規(guī)范”公式計(jì)算值與擬合值接近，在采高大于6 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度隨采高呈非線性增長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值均不符合實(shí)際情況。

本礦井煤層采厚6 m，采用本次擬合公式(6)進(jìn)行計(jì)算，得出本礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為71.09 m，這與實(shí)測(cè)值誤差為6.0%左右，而《規(guī)程》和《規(guī)范》中的公式計(jì)算值誤差均超過(guò)18%.說(shuō)明在神南礦區(qū)特定的條件利用本次經(jīng)驗(yàn)擬合的公式更貼近實(shí)際。

表1　不同公式預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度誤差統(tǒng)計(jì)表

5　結(jié)　論

1)采用經(jīng)驗(yàn)公式法、物理模擬和數(shù)值模擬等方法計(jì)算了神南礦區(qū)5-2煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度，各種方法計(jì)算結(jié)果差別較大；

2)采用鉆孔內(nèi)水位觀測(cè)成果、漿液消耗量、智能全景成像及鉆孔柱狀圖等資料，確定采動(dòng)條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度的方法是可行的；

3)根據(jù)本次得到的導(dǎo)水裂隙帶高度及周邊礦井相似地質(zhì)條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行擬合，建立了本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采高之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，與實(shí)測(cè)值對(duì)比更為接近，說(shuō)明該公式適用于神南礦區(qū)同類地質(zhì)條件下導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測(cè)任務(wù)。

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Prediction on the height of water-flowing fractured zone in southern Shenmu mine

MA Xiong-de1，2，WANG Su-jian3，JIANG ZE-quan4，CHEN Tong3，LI WEN-li5

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China；2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectsinAridRegion,MinistryofEducation，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China；3.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710065，China；4.No.185ExplorationTeam，ShaanxiBureauofCoalGeologicalExploration，Yulin719000，China；5.ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring，Xi’an710054，China)

In order to determine the upper limit of water flowing fractured zone，intelligent panorama imaging technology is used in ground surface boreholes. Furthermore，empirical formula, physical and numerical simulations are also used to observe the water flowing fractured zone in the mine.The result showed: there is a nonlinear relationship between the height of water flowing fractured zone and coal thickness,and the formula established by the measured data in the region is more realistic for predicting the height of water flowing fractured zone, which provides a strong support for the development of coal mining with water protect techniques in the region.

southern Shenmu mine；water flowing fractured zone；numerical simulation；overburden rock failure

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0509

1672-9315(2016)05-0664-05

2016-05-10責(zé)任編輯：劉潔

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(973)計(jì)劃(2013CB227901)；陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計(jì)劃(2011TG-01)

馬雄德(1978-)，男，青?；ブ耍こ處?，E-mail:59759423@qq.com

P 627

A