復合煤層開采覆巖裂隙帶發育特征

鮑銀輝

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

在煤層群開采條件下,重復的采動應力將會導致煤層覆巖的運移過程異于常態[1-3]。為探明復合煤層開采條件下的覆巖裂隙帶發育規律,李新旺等[4]利用FLAC3D與微震監測方法對覆巖導水裂隙帶高度進行預算,并運用鉆孔漏液實測數據進行驗證。張玉軍等[5]運用鉆孔漏失量觀測與鉆孔窺視法對綜放煤層覆巖開采裂隙高度的演化進行分析。孫力等[6]對煤層群下行開采進行工程研究,表明覆巖最大下沉點在采空區后方。上述學者多從現場實驗的角度對復合煤層的裂隙帶發育特征進行研究。為探明黃陵二礦復合煤層開采對覆巖的重復擾動影響,運用數值模擬與現場實測相結合的方式,對覆巖裂隙帶發育規律進行透明化分析。

1 單組工作面復合煤層開采模擬

根據黃陵二礦的工作面地質條件,建立全尺度的數值模擬地質模型,模型建立的過程中考慮的地表的土層發育形態,數值模型如圖1所示。模型尺寸為800 m×550 m×350 m。根據黃陵二礦工程地質條件,現階段主要開采2號及3號煤層,其中2號煤層賦存深度為472.41～476.72 m,平均煤厚約為4.31 m,3號煤層賦存深度為568.82～573.05 m,平均煤厚約為4.23 m。煤層均采用一次采全高開采方式,煤層間距約為92.1 m。模型開采模擬方案為先開采上方2號煤層,待裂隙帶發育穩定后開采下方3號煤層,探究復合煤層開采過程的裂隙帶發育總高度。數值模擬采用3DEC數值軟件,開挖步距為6 m,設置重力模擬上覆巖層的自重,在模型的上下左右和底部邊界設置允許變形量為0.2 m,數值模擬巖性參數見表1。

表1 數值模擬巖石參數

圖1 復合煤層開采數值模擬Fig.1 Numerical simulation of composite coal seam mining

2 2號煤層開采覆巖破壞規律

選取三維模型工作面開采中部位置(x方向的150 m處、y方向的采空區中部位置)設置剖面,切片處的工作面采后覆巖運移場-裂隙場分布特征如圖2、圖3所示。

圖2 2號煤層工作面開采覆巖運移Fig.2 Movement of overburden on No.2 coal seam working face

圖3 2號煤層工作面開采裂隙場發育Fig.3 Development of mining fracture field on No.2 coal seam working face

以此分析2號煤層工作面回采過程中的覆巖運移場-裂隙場演化規律。

工作面回采120 m后,頂板產生彎曲變形,出現明顯的垮落現象,從三維模型可以看出,工作面開采120 m后,采空區頂板中部區域產生明顯破壞,上部覆巖彎曲變形明顯,且采空區中部的覆巖運移變化明顯大于兩端的特征;工作面開采至120 m的裂隙帶發育高度達到35.62 m,垮落高度達到6.73 m。

工作面開采240 m后,采空區頂板中部區域產生明顯破壞,上部覆巖彎曲變形明顯,離層空間隨工作面推進明顯向前發育,覆巖充分開采使得裂隙高度產生明顯的向上擴展;走向位置覆巖裂隙場分布特征所得裂隙帶高度為71.36 m,垮落的最大高度達到10.37 m。

工作面開采400 m后,采空區頂板中部區域產生明顯破壞,上部覆巖形成彎曲變形明顯,離層空間隨工作面推進明顯向前發育,裂隙高度有小范圍的增大;裂隙帶發育的最大高度為90.54 m,垮落高度達到18.64 m。

工作面開采500 m后,覆巖變形隨工作面推進向停采線方向移動,但由于當前開采條件下覆巖變形充分,導水裂隙帶發育高度并未明顯增大,導水裂隙帶發育的最大高度達到90.83 m,垮落帶高度為19.35 m。

工作面開采結束后,采空區頂板中部區域產生明顯破壞,上部覆巖彎曲變形明顯,離層空間隨工作面推進明顯向前發育。走向位置覆巖裂隙場分布特征所得裂隙帶高度為88.59 m,采空區中部傾向位置所作剖面的覆巖受壓較強,對比三維模型,2號煤層工作面開采結束的裂隙帶發育最大高度90.83 m,垮落高度達到19.35 m,達到采高的30.28倍。

3 3號煤層開采覆巖變化規律

選取三維模型工作面開采中部位置(x方向的150 m處、y方向的采空區中部位置)設置剖面,切片處的工作面采后覆巖運移場-裂隙場分布特征,如圖4、圖5所示。以此分析3號煤層工作面回采過程中的覆巖運移場-裂隙場演化規律。

圖5 3號煤層工作面開采裂隙場發育Fig.5 Development of mining fracture field on No.3 coal seam working face

工作面開采120 m后,采空區頂板中部區域產生明顯破壞,上部覆巖彎曲變形明顯,離層空間隨工作面推進明顯向前發育,覆巖充分開采使得裂隙高度未產生明顯的向上擴展;工作面由60 m至120 m的開采過程中,兩煤層間的中間巖層持續破斷,使得裂隙逐漸發育并貫穿中間巖層,從而形成上下2處裂隙帶的融合并充分發育的過程,該區間的工作面推進過程中裂隙帶發育高度明顯增大;采空區中部傾向位置所作剖面的覆巖受壓較強,傾向位置的覆巖裂隙帶高度相對較小,裂隙帶發育最大高度為134.52 m,垮落高度達到48.61 m。

工作面開采240 m后,形成的導水裂隙帶已經完全超過上組煤。切眼上方及工作面推采位置后方頂板發育有明顯的垂向裂隙帶,裂隙帶發育最大高度為231.57 m,垮落高度達到58.29 m。

工作面開采400 m以后,裂隙帶相對于采至300 m處時有大幅度增大,隨著工作面推進,覆巖破壞范圍在橫向上不斷擴大,縱向上也持續向上發育,切眼和推采位置后方的頂板上仍然存在明顯的裂隙發育帶,發育高度為336.24 m,垮落帶高度為60.11 m。

工作面開采400 m至推采結束區域,裂隙帶發育高度增幅相對有限,受采寬限制,裂隙帶發育高度達到極限值,工作面走向推采長度對裂隙帶發育高度的影響非常有限,即在約400 m以后,工作面基本處于充分采動的狀態,回采結束后,3號煤層工作面垮落高度達到60.59 m,采空區中部模型傾向與走向剖面的裂隙帶最大高度為345.53 m。

下層煤開采造成上覆巖層的重復擾動,致使覆巖裂隙帶二次發育,下方3號煤層開采后導水裂隙帶增大了約42%～46%,導水裂隙帶波及范圍明顯增加。復合煤層開采所形成導水裂隙帶高度明顯大于單煤層開采導高,總體增大了9%～15%。

4 3號煤層采前裂隙實測分析

采用鉆孔探測方法對采動裂隙的實際發育形態進行分析。主要成果包括:2號煤層工作面上覆施工DG1孔進行取芯探查到少量采動裂隙(未作鉆孔窺視);3號煤層工作面開采前,在地面導水裂隙探查過程中,施工了LD1和LD2鉆孔,進行覆巖破壞規律探查和裂隙發育情況窺視。重點結合窺視結果定量評價2號煤開采后造成的地層裂隙展布規模及分布特征。

DG1鉆孔施工過程中在基巖段進行全孔取芯。據統計,在鉆進過程中,在孔深9.10～16.50 m、26.00～45.01 m、75.10～75.40 m、251.10～258.50 m等處存在鉆井液大量漏失的現象。同時,256.12～257.50 m處存在明顯的劈狀裂隙如圖6所示,被部分黃泥充填,充填寬度約0.1～1 cm,是明顯的采掘擾動破壞痕跡。

圖6 DG1鉆孔探查的明顯采動裂隙Fig.6 Obvious mining-induced fractures probed by DG1 borehole

由圖6可以看出,在2號煤層工作面回采完畢之后,地層中仍保留有規模較大的采動裂隙,使得賦水空間增大,部分裂隙被地層中泥巖類物質充填。

LD1、LD2鉆孔位于3號煤層工作面上部,施工過程中進行全孔取芯與鉆孔窺視。重點結合鉆孔窺視成果分析裂隙發育規模和尺度,部分裂隙照片如圖7所示。

由圖7可以看出,地層中仍保留有部分采動裂隙,多為垂直裂隙,在遠離3號煤層上方的LD2鉆孔成像內,裂隙發育較為明顯,張開度較高,在靠近3號煤層上方的LD1鉆孔,巖性雜質部分明顯降低,裂隙的張開度較低,有較為明顯的分層性特征。

由此可知,黃陵二號煤礦2號煤開采后,含水層受開采擾動影響,裂隙較為發育且持續時間較長。較大規模裂隙發育給含水層賦水提供了良好條件。

5 覆巖裂隙帶發育特征綜合分析

導水裂隙帶發育高度與采厚、采寬的關系密切,隨著采厚的增加,導水裂隙帶發育高度相應增加[7-8]。對厚煤層開采來說,增大其初次采厚或進行全層一次開采會導致冒裂帶高度明顯增大[9-10];采寬是控制工作面導水裂隙帶發育高度的重要因素之一,一般來說采寬的增大會明顯導致導水裂隙帶發育高度增大[11-12];綜采工作面與綜放工作面形成的導水裂隙帶差異本質上還是采厚不同所致。

根據數值模擬開挖過程數據分析,導水裂隙帶隨推進度持續增大,但受采寬限制,導水裂隙帶在發育到一定高度以后,便會保持穩定,不會隨工作面長度增大而有明顯增大;2號煤層在推采至0～300 m(約1.5倍采寬)時導水裂隙帶隨推進度持續增大,在300 m以后,基本保持穩定;在2號煤層已采的情況下,3號煤層回采在0～400 m(約2倍采寬)時導水裂隙帶隨推進度持續增大,在回采300～400 m區域導高向上發育速率大,400 m以后導水裂隙帶發育高度基本保持穩定。

綜上所述,下組煤復合開采條件下,形成的垮落帶及導水裂隙帶高度已經明顯超出上組煤形成的垮落帶及導水裂隙帶高度,垮落帶增大37%～56%,導水裂隙帶增大約42%～46%,導水裂隙帶波及范圍明顯增加。對比黃陵二號煤礦周邊礦井3號煤層開采參數相近工作面采后導水裂隙帶發育高度實測成果,復合煤層開采所形成導水裂隙帶高度明顯大于單煤層開采導高,總體增大了9%～15%。

6 結論

(1)根據數值模擬結果,2號煤層工作面開采結束的裂隙帶發育最大高度為90.83 m,垮落高度達到19.35 m,達到采高的30.28倍。3號煤層工作面開采400 m至推采結束區域,裂隙帶發育高度受采寬限制達到極限值?？迓涓叨冗_到60.59 m,采空區中部模型傾向與走向剖面的裂隙帶最大高度為345.53 m。

(2)在2號煤層工作面回采完畢后,地層中仍保留有規模較大的采動裂隙,部分裂隙被地層中泥巖類物質充填。在遠離3號煤層上方的LD2鉆孔成像內,裂隙發育較為明顯,張開度較高,在靠近3號煤層上方的LD1鉆孔,巖性雜質部分明顯降低,裂隙的張開度較低,有較為明顯的分層特征。

(3)下組煤復合開采條件下,形成的垮落帶及導水裂隙帶高度已經明顯超出上組煤形成的垮落帶及導水裂隙帶高度,垮落帶增大37%～56%,導水裂隙帶增大約42%～46%。復合煤層開采所形成導水裂隙帶高度明顯大于單煤層開采導高,總體增大了9%～15%。