基于UDEC與示蹤法對某礦覆巖“三帶”高度范圍的研究*

史東瑞,楊根發,張紅周,何喜剛

(華亭煤業集團有限責任公司 東峽煤礦,甘肅 華亭市 744100)

0 引言

近年來,隨著中東部煤炭資源的枯竭,西部煤炭能源迎來了長久發展契機。西北礦區地質條件較為復雜,薄煤層及中厚煤層資源儲量較多,區域儲量多變,且礦區瓦斯賦存量大。針對甘肅大部分礦井而言,采空區瓦斯有效抽采是十分必要的,在保證礦井高效生產的同時,避免煤礦安全事故的發生,順應當前“綠色開采”的理念。

隨著開采工作面的不斷推進,周圍巖體不斷受到開采擾動,導致工作面頂板在豎直方向上出現“三帶”,即垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,“三帶”高度的劃分對于采空區瓦斯抽采鉆孔的布置具有重要指導意義[2-3]?；趪鴥韧鈱W者對“三帶”高度的研究,目前測定技術有理論分析、模擬分析、現場測定等[4-6]。通過理論計算,針對不同實際工況和地質條件對采空區覆巖規律進行了有益的探索和研究,取得了大量的研究成果[7-12]。但不同地層、不同地質構造所對應的覆巖規律是有差異性的。在前人研究的基礎上,結合理論公式、UDEC 模擬、現場測定3種方法對甘肅某礦深部煤層開采過程中采空區上覆巖層的移動變化規律進行研究,以期得到此類地質構造下的覆巖移動規律,并為此類地質條件礦井采空區高位鉆孔的布置提供借鑒。

1 礦井概況

井田位于甘肅省東部華亭市,整體上為一單斜構造,地層走向125°～160°,由北往南略呈“S”形,地層傾向30°～80°,傾角為22°～38°。井田內斜交斷層較發育,區域性斷層龍昌斷層位于井田北部,F1斷層位于礦區可采煤層,該煤層為15號煤層,位于煤層南部,F2斷層位于礦區北部,3條斷層東西向貫穿整個礦區。區內含1 層全層厚度為1.01～3.18 m、平均厚度1.72 m 的煤層,煤層不含夾矸,屬結構簡單的全區可采較穩定煤層。頂板為薄至中厚炭質、粉砂質黏土巖,底板為粉砂質泥巖或泥巖,頂板巖石質量中等,完整性中等,屬較軟-堅硬等巖類,穩固性中等。15號煤層直接頂飽和單軸抗壓強度在20.63～31.79 MPa之間,平均為26.54 MPa,頂板管理采用全部陷落法。

2 “兩帶”高度的理論計算

“兩帶”常指冒落帶與導水裂隙帶,確定“兩帶”的范圍,兩帶以上范圍為彎曲下沉帶。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》,采用經驗公式(1)和公式(2)分別對煤層分層開采的垮落帶高度、裂隙帶高度進行計算。

垮落帶高度:

裂隙帶高度:

式中,HK為垮落帶高度;∑M為累計采厚;HLi為導水裂隙帶高度。

將煤層采高1.7 m 代入式(1)、式(2),得出垮落帶高度為4.15～8.55 m,導水裂隙帶高度為21.47～32.68 m。

3 UDEC模擬及結果分析

為了進一步精確得出覆巖“三帶”的分布狀況,采用UDEC模擬軟件,結合該礦的地質條件建立計算模型,其模型長180 m,高82 m。將模型左右兩側及底部速率設為0,頂部施加上覆巖層的載荷,且在距離模型的左右兩側邊界預留40 m 的煤柱,消除模型邊界對模型開挖結果的影響。待模型建成后,進行工作面的推進,通過對不同時期開挖后的模型圖進行分析,觀察“三帶”高度范圍[13-14]。針對該礦,共模擬了5個推進度,分別為推進10 m、20 m、30 m、40 m、80 m,并對其頂板狀況圖進行分析。頂板狀況如圖1所示。

圖1 頂板狀況

由圖1可知,工作面推進至10 m 時發生初次垮落,此時垮落高度為4.5～5.5 m。隨著工作面的推進,裂隙不斷向上發育,受基本頂破斷的影響,直接頂垮落高度增加,當推進度達到30 m 時,此時冒落帶的最大高度為8.0 m。當工作面推進到40 m 時采空區出現壓實區,此時裂隙高度達到33 m 左右。當工作面進行向前推進,直至80 m 時,采空區后方一定區域逐漸壓實,裂隙帶高度幾乎未發生改變,僅存在一些彎曲下沉造成的少量微裂隙。因此,通過數值模擬得到垮落帶的高度為6～8 m,導水裂隙帶的最大高度達33 m 左右。

其實冥河盜龍并沒有發現腫頭龍群，它們只不過是在森林中閑逛，但是腫頭龍逃竄的動靜實在是太大了，引起了冥河盜龍的注意，于是它們朝著腫頭龍群跑過來。

4 示蹤法測定覆巖“三帶”高度

4.1 示蹤氣體測定技術

示蹤技術應用示蹤劑來研究氣體流動的蹤跡和規律,將其用于煤礦“豎三帶”的高度測定較為方便[15-16]。結合該礦地質條件,此次示蹤劑采用SF6氣體,該氣體為惰性氣體,化學穩定性較強,且監測靈敏度較高。此次所用監測設備為SF6氣體檢測儀,另外還需SF6氣體注氣管、壓力表、封孔材料等。將氣體SF6注入預先打好的高位測試鉆孔中,隨著工作面的推進,鉆孔由最初的原巖應力區進入到裂隙帶區域及垮落帶區域,高位鉆孔里的示蹤氣體SF6逸散到采空區內,觀測采空區瓦斯抽采管路中SF6的出現的時間及濃度變化,通過高位鉆孔與工作面的距離即可確定工作面覆巖“三帶”的高度。

隨著工作面的推進,高位測試鉆孔由原巖應力區過渡到裂隙帶區域,再由裂隙帶區域過渡到垮落帶區域,最后垮落區域及裂隙區域又被重新壓實。當高位鉆孔由原巖應力區過渡到裂隙帶區域時,測試鉆孔內的氣體SF6開始向采空區逸散,即SF6氣體檢測儀監測出采空區瓦斯抽采管出現氣體SF6,且隨著裂隙帶的發育,抽采管中氣體SF6的濃度在一定時間內會不斷提高,達到一個峰值。隨著覆巖裂隙的不斷發育,高位鉆孔由裂隙帶區域過渡到垮落帶區域時,由于鉆孔漏風,導致抽采管中氣體SF6的濃度在一定時間內逐漸降低,直至趨于穩定。高位測試鉆孔在由原巖應力區—裂隙帶區域—垮落帶區域—重新壓實區過渡的過程中,采空區瓦斯抽采管中氣體SF6的濃度曲線呈“駝峰”狀,共出現了3個轉折點A、B、C。其分別對應的是鉆孔進入裂隙發育階段(即裂隙帶的上部邊界)、裂隙帶發育最完全階段、裂隙停止發育階段(裂隙帶的下部邊界),如圖2所示。裂隙帶高度確定后,即可確定其余“兩帶”高度。

圖2 氣體SF6 濃度變化曲線

4.2 試驗方案及結果分析

基于示蹤氣體測定技術的原理,采用多個鉆孔進行對比測定分析,避免試驗的偶然性。此次在15101工作面回風巷施工4 個不同高度的高位鉆孔,4個鉆孔的垂高分別為采高的10 倍、15 倍、20倍、25倍。每個鉆孔之間間距設為100 m,保證各鉆孔互不影響。待鉆孔完成后,向鉆孔內放注氣管,直至鉆孔底部,并對鉆孔進行封孔,且封孔高度不影響氣體SF6的注入。待封孔結束后,將各鉆孔注氣管與注氣裝置連接,通過壓力表與流量計來保證4個鉆孔中SF6的總量和壓力相同。鉆孔布置示意圖如圖3所示。高位鉆孔參數詳見表1。

表1 高位鉆孔設計參數表

圖3 鉆孔布置示意

隨著工作面的推進,高位鉆孔從原巖應力區過渡到裂隙帶區域,再由裂隙帶區域過渡到垮落帶區域,隨著裂隙的逐漸發育,氣體SF6不斷擴散。不同高度的高位鉆孔所受采動影響不同,且氣體SF6的擴散時間及擴散程度也有所區別。通過氣體SF6濃度隨時間變化的曲線圖,記錄每個鉆孔出現氣體SF6,從濃度開始增加,到達峰值,再降低,最后趨于穩定。采空區瓦斯抽采管氣體SF6濃度變化圖,如圖4所示。對4個鉆孔相對應的采空區抽采管中氣體SF6濃度曲線圖進行分析。

圖4 采空區SF6 濃度變化曲線

由圖4可以看出:

(1) 由于各鉆孔布置的垂高不同,受采動影響程度不同,氣體SF6的濃度擴散程度也就不同。鉆孔P1、P2對應的濃度曲線未出現“駝峰”狀,說明鉆孔垂高相對較低,受采動影響較大,只經歷了裂隙發育的部分過程。鉆孔P3、P4 對應的濃度曲線出現“駝峰”狀,說明鉆孔經歷了裂隙發育的全過程。

(2) 從鉆孔P1的濃度變化曲線可以看出,采空區SF6濃度在第3 天達到最高濃度,最高濃度為70×10-6,根據此時工作面與鉆孔的間距,此時鉆孔對應垂高點為16.2 m。之后濃度迅速下降,直至穩定,最低濃度為5×10-6。此時鉆孔對應垂高點為7.4 m,則斷裂帶下邊界為7.4 m。

(4) 從鉆孔P3的濃度變化曲線可以看出,在觀測時間的第2天,采空區出現氣體SF6,此時鉆孔對應垂高點為30.1 m。隨著工作面的推進,氣體濃度SF6逐漸增加,最高濃度為73×10-6,此時鉆孔對應垂高點為23.4 m。之后濃度迅速下降,直至穩定,最低濃度為7×10-6。此時鉆孔對應垂高點為11.2 m,則斷裂帶的上邊界為30.1 m,下邊界為11.2 m。

(5) 從鉆孔P4的濃度變化曲線可以看出,在觀測時間的第4天,采空區出現氣體SF6,此時鉆孔對應垂高點為32.5 m。隨著工作面的推進,氣體濃度SF6逐漸增加,最高濃度為73×10-6,此時鉆孔對應垂高點為28.2 m。之后濃度迅速下降,直至穩定,最低濃度為8×10-6。此時鉆孔對應垂高點為12.3 m,則斷裂帶的上邊界為32.5 m,下邊界為12.3 m。

綜上所述,垮落帶的范圍為小于7.4 m,導水裂隙帶的范圍為7.4～32.5 m,彎曲下沉帶的范圍為大于32.5 m,斷裂帶發育完全的層位位于23.4～28.2 m。

5 結論

(1) 通過理論計算垮落帶高度為4.15～8.55 m,導水裂隙帶高度為21.47～32.68 m。

(2) 通過數值模擬結果可知,垮落帶的高度為6～8 m,導水裂隙帶的最大高度達33 m 左右。當工作面推進至40 m 時,采空區后方出現重新壓實區。

(3) 通過示蹤氣體技術測得,高位鉆孔P1與P2垂高較低,只經歷了裂隙發育的部分過程,鉆孔P3與P4垂高相對較高,經歷了裂隙發育的全過程?？迓鋷У姆秶鸀樾∮?.4 m,導水裂隙帶的范圍為7.4～32.5 m,彎曲下沉帶的范圍為大于32.5 m,斷裂帶發育完全的層位位于23.4～28.2 m。

(4) 結合3種方式,該礦垮落帶范圍小于6～8 m,斷裂帶的范圍為8～33 m(斷裂帶發育完全的層位于23.4～28.2 m),彎曲下沉帶的范圍大于33 m。該礦采空區瓦斯抽采鉆孔應布置在頂板8～28.2 m處,抽采效果較好。對于煤礦來說,氣體示蹤技術相對經濟、安全、高效,綜合分析理論公式與數值模擬結果,精確度也相對較高。