厚松散层薄基岩浅埋煤层导水断裂带高度研究_陈辉.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 厚松散层薄基岩浅埋煤层导水断裂带高度研究 陈辉 1， 曹其嘉1， 韦 钊 1， 张冬冬2 （1．陕西能源职业技术学院, 陕西 咸阳 712000； 2．西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054） 摘要 薄基岩浅埋煤层开采形成的导水断裂带易造成水资源破坏， 导水断裂带高度确定是含 水层免受破坏的关键。以青龙寺煤矿 5-20101 工作面为研究对象， 采用物理相似模拟、 理论计算 及井下仰孔注水测漏法分析煤层开采导水断裂带发育高度。研究表明 工作面开采后采空区上 方覆岩形成拱形梁结构, 拱的边缘位置为拉应力区, 该区域纵向切落裂缝为岩层的主要导水通 道， 导水断裂呈 “八字形” 分布； 5-20101 工作面导水断裂带发育高度为 52．3～62 m， 平均 57．2， 裂 采比为 24．2； 导水断裂带发育不会与萨拉乌苏组含水层贯通， 生产过程中不受含水层倒灌的威胁。 关键词 浅埋煤层； 物理相似模拟； 导水断裂带高度； 含水层； 拱形梁 中图分类号 P641文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0038-04 Study on Water-conducting Fracture Height of Shallow Buried Coal Seam with Thick Loose Bed and Thin Base Rock CHEN Hui1, CAO Qijia1, WEI Zhao1, ZHANG Dongdong2 （1．Shaanxi Energy Institute, Xianyang 712000, China;2．Key Laboratory of Western Mines Exploitation and Hazard Prevention， Ministry of Education, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China） Abstract Water-conducting fissures ed in shallow seam mining in thin bedrock are easy to cause water resources damage． The determination of the height of water-conducting fissures is the key to avoid the damage of aquifers． Taking 5-20101 working face of Qinglongsi Coal Mine as the research object, the development height of water-conducting fracture zone in coal seam mining is analyzed by physical analogy simulation, theoretical calculation and water injection leak detection ． The research shows that the overburden rock above the goaf after mining s an arch beam structure, the edge of the arch is a tension stress area, the vertical shear fracture is the main water conduction channel of the stratum, and the water conduction fracture is octagonal distribution; the height of water conduction fracture is 52．3 m to 62 m, with an average of 57．2 m, and the ratio of fracture to mining is 24．2; the development of water conduction fracture is not connected with the Sarawusu aquifer． The production process is not threatened by aquifer irrigation． Key words shallow coal seam; physical similarity simulation; height of water conducted zone; aquifer; arch beam 松散层薄基岩浅埋煤层开采易引起隔水层失 稳，形成导水断裂造成地下水和地表水资源破坏、 地表植被减少、 生态环境失衡等[1]。王双明等提出陕 北神府煤田保水开采重点是保护地表生态水位不 下降， 关键技术是确保采动过程中隔水层的隔水性 不被破坏。贾后省等建立了相似材料模拟实验， 研 究神东矿区覆岩纵向裂隙发育规律，并提出了有 效的改善措施[2]； 卢邦稳等研究薄基岩浅埋煤层开 采条件下地表台阶下沉问题，建立了三维物理相似 模拟实验， 分析了覆岩破坏规律[3]； 师修昌等运用相 似材料模拟和数值模拟相结合的方法， 提出覆岩导水 断裂的发育与工作面参数和采场主应力状态密切相 关[4]。因此掌握采动顶板裂隙发育规律， 揭示隔水岩 组的稳定性是厚松散层薄基岩浅埋煤层保水开采的 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．009 陈辉， 曹其嘉， 韦钊， 等．厚松散层薄基岩浅埋煤层导水断裂带高度研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 38-41， 46． CHEN Hui, CAO Qijia, WEI Zhao, et al． Study on Water-conducting Fracture Height of Shallow Buried Coal Seam with Thick Loose Bed and Thin Base Rock［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 38-41, 46．移动扫码阅读 38 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 核心。 陕北矿区神府煤田大多数以厚松散层薄基岩浅 埋为主，导水断裂带发育越过含水层的可能性较 大，给矿井安全生产带来威胁及安全隐患，因此探 明浅埋煤层覆岩导水断裂带发育高度及覆岩破坏规 律尤为重要[5-8]。以陕北矿区青龙寺煤矿 5-20101 综 采工作面为研究背景，采用理论计算、物理相似模 拟及现场井下仰孔注水测漏法分析，确定工作面覆 岩移动破坏规律及导水断裂带发育高度，为后续矿 井安全、 高效、 绿色开采提供理论依据。 1矿井概况 青龙寺煤矿 5-20101 综采工作面平均厚 2.36 m， 倾向长度 200 m， 走向长度 240 m， 埋深 179 m。 煤层角度小于 1， 近水平煤层。上更新统萨拉乌苏 组含水层是区域内主要含水层，厚度一般 5～30 m， 钻孔抽水试验单位涌水量 q0.123～0.69 L/ （s m） ， 渗透系数 K0.85～8.55 m/d。5-2开采煤层与萨拉乌 苏组含水层底界间距为 72.57 m。 2导水断裂带发育高度相似模拟 2.1物理相似模型设计 实验模型选用长高宽为 3 m2 m0.2 m 的 模型支架，根据实验需要选取以下实验参数几何 相似常数为 100， 密度相似常数为 1.56， 应力及强度 相似常数为 312， 时间相似常数为 10， 位移相似常数 为 100。相似材料包括主料 （河砂） 和辅料 （大白粉、 熟石膏、 水） ， 其中煤层配比时要加入粉煤灰。模型 回采时， 在两端头各留 30 m 的保护煤柱， 煤层采高 2.36 m， 开挖步距为 10 m， 采用综合机械化一次采 全高全部垮落法管理顶板。模型布置 230 个上覆 岩层位移观测点,分别布置在含水层以下的基岩 （隔 水层） 顶部和底部，分别距离煤层顶板 70 m 和 60 m， 物理相似模拟模型示意图如图 1。5-20101 综采 工作面各岩层力学参数见表 1。 2.2覆岩破断及导水断裂带发育规律 工作面煤层开采后采空区上方覆岩形成拱形梁 结构，拱的边缘位置为覆岩受拉区域，该区域纵向 切落裂缝是岩层的主要导水通道。随着工作面的不 断推进，顶板离层裂隙及纵向切落裂缝自下而上不 断发育、 发展[9-11]。覆岩导水断裂带发育演化规律如 图 2。工作面开采至 60 m 处时， 基本顶发生初次垮 落， 垮落带高度 7 m， 垮落区域外缘一定范围内覆岩 受拉应力作用，纵向切落裂缝逐渐发育，形成拱形 导水断裂圈， 纵向切落裂缝高度发育至 18 m 处， 如 图 2 （a） 。 工作面开采至 82 m 时， 基本顶第 1 次周期 来压， 垮落带高度 10 m， 纵向切落裂缝高度 23 m， 如图 2 （b） 。当工作面开采至 104 m 时， 基本顶第 2 次周期来压， 垮落带高度 12 m， 纵向切落裂缝高度 32 m， 如图 2 （c） 。 随着工作面的继续推进， 覆岩受拉 应力的作用，纵向切落裂缝不断发育。当工作面推 进至 125 m 时， 垮落带高度 17 m， 纵向切落裂缝高 度 43 m， 如图 2 （d） 。工作面回采至 210 m 时， 采空 区中部上覆岩层逐渐压实, 两边缘上部覆岩纵向切 落裂缝明显发育,形成导水断裂带且呈 “八字形” 分 布， 并且到达含水层底部约 10 m 处自动闭， 纵向切 落裂缝高度在 62 m， 其高度随工作面的推进趋于稳 定， 说明已达到充分采动， 随着工作面的继续推进， 纵向切落裂缝 （导水断裂带） 最大高度变化不大[12]。 表 1煤岩石力学参数 Table 1Mechanical parameters of coal and rock 序 号 岩性 厚度 /m 密度 / （t m-3） 抗拉强度 /MPa 弹性模量 /GPa 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 风积砂 红土 粉砂岩 细砂岩 泥岩 粉砂岩 中粒长石砂岩 泥质粉砂岩 中粒长石砂岩 细粒长石砂岩 深灰色泥岩 5-2煤 中粒砂岩 35 25 20 17 15 19 15 8 7 10 5 2.36 10 1.8 1.6 2.4 2.5 2.4 2.4 2.4 2.3 2.4 2.5 2.4 1.3 2.6 - - 4.6 4.3 1.6 4.7 3.8 1.6 4.1 4.3 1.6 1.3 3.1 - - 12.7 14.8 7.4 14.5 13.5 7.4 15.0 14.5 7.4 2.4 16.9 图 1物理相似模拟模型示意图 Fig.1Schematic diagram of physical similarity simulation model 39 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 图 2覆岩导水断裂带发育演化规律 Fig．2Evolution of water-conducting faults in overburden rocks 随着工作面的推进，采空区上方覆岩导水断裂 带发育高度逐渐增大。当工作面回采至 210 m 时， 采 空区中部上覆岩层逐渐压实，纵向切落裂缝和离层 裂隙闭合，导水断裂带高度随工作面的推进趋于稳 定， 其高度在 62 m， 导水断裂带高度发育动态变化 如图 3。 2．3上覆岩层位移分析 通过实验模型布置 2 条位移观测线,利用全站仪 对模型覆岩位移观测点的轨迹进行记录，得到的观 测点的下沉曲线图为如图 4。隔水层出现不同程度 的弯曲下沉现象， 底部最大下沉量为 800 mm， 顶部 最大下沉量为 90 mm。从下沉值可以看出，隔水层 底部出现不同程度的下沉现象但未发生覆岩断裂现 象， 未形成导水裂隙与含水层的贯通现象[13-14]。隔水 层顶部出现轻微下沉现象，对含水层覆岩结构不构 成破断威胁。 3导水断裂带高度理论计算 工作面覆岩以细粒砂岩、 粉砂岩为主， 按中硬岩 类计算， 依据 GB 1271991 矿区水文地质工程地 质勘探规范中的经验公式计算导水断裂带高度， 公式如下 HL＝100∑M/ （3．3n3．8） 5．1（1 ） 式中HL为导水断裂带最大高度， m； ∑M 为煤 层累计采厚， m； M 为煤层厚度， m； n 为煤层分层开 采层数。 由煤层开采厚度计算得到导水断裂带高度为 45．17 m， 没有穿过萨拉乌苏组含水层底界。 4导水断裂带高度现场实测分析 采用井下仰孔注水测漏法实测 5-2号煤层导水 断裂带发育高度[15]。井下仰孔注水测漏法采用钻孔 双端封堵测漏装置探测 “两带” 高度， 根据钻孔施工 过程中岩硝浆液排量大小判断覆岩结构破坏程度。 钻孔布置在 5-10202 回风巷300 m 处的联巷中， 沿 采空区上方布置 3 个观测钻孔 （钻孔 1～钻孔 3） 和 1 个对比钻孔 （1＃） ， 钻孔布置平面图如图 5。钻孔参数 及岩硝浆液排出情况见表 2。 从钻孔的开始至 32～48 m 范围， 岩硝浆液排出 与对比孔基本相近，表明此段覆岩破坏程度较轻， 没有大量导通裂隙的产生；当钻孔施工至 48～60 m 处时， 岩硝浆液排出量时大时小， 极不稳定， 表明此 段覆岩破坏非常严重， 存在较大的裂缝和空隙； 此后 各钻孔的岩硝浆液排出量逐渐增加，至孔底附近段 又恢复正常。由此可知 1 号钻孔导水断裂带高度为 58．8 m， 裂采比为 24．9； 2 号钻孔导水断裂带高度为 60．2 m， 裂采比为 27．6； 3 号钻孔导水断裂带高度为 44．5 m， 裂采比为 18．9。 图 3覆岩导水断裂带发育高度动态变化图 Fig．3Dynamic changes of water conduction fissure height in overlying strata 图 4A、 B 观测线下沉曲线图 Fig．4Subsidence curves of observation lines A and B 40 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 表 2观测钻孔参数 Table 2Observing drilling parameters 孔 号 倾角 / （ ） 长度 /m 方位角 / （ ） 正常排出 范围/m 未见浆液 排出范围/m 浆液排出 减少范围/m 1687520 1721102001～38.5 38.5～43.7 51.2～58.8 43.7～51.2 58.8～109.0 2681301851～48.3 48～52.7 57.3～60.2 52.7～57.3 60.2～130.0 3701061901～32.8 32.8～36.3 40.4～44.5 36.3～40.4 44.5～88.0 正常排出 图 5钻孔布置平面图 Fig.5Drilling layout plan 5工作面导水断裂带发育高度综合预计 不同方法导水断裂带发育高度、 垮落高度及裂采 比关系见表 3。物理相似模拟实验导水断裂带发育高 度与现场实测数据基本一致，导水断裂带发育高度 在52.4～62 m， 裂采比为 22.2～26.3。 而理论计算导水 断裂带发育高度相对保守 （45.17 m ） 。可以得出 5-2煤 所在采区导水断裂带发育未穿过含水层（萨拉乌苏 组含水层基岩厚度 58.77～86.37 m，平均 72.57 m ） ， 故 5-2煤开采受水威胁系数相对较低。为保证矿井开采 安全， 导水断裂带高度取 62 m， 裂采比取26.3。 6结论 1 ） 物理相似模拟实验表明， 青龙寺煤矿 5-2煤覆 岩导水断裂带发育高度为 62 m。 覆岩破坏主要以切 落失稳为主，呈现马鞍形分布。导水断裂带主要为 切落裂缝， 呈 “八字形” 分布， 局部裂隙发育明显但 未形成导水通道。导水断裂带经过发展期、贯通期 和压实闭合期闭合。 2） 经过理论计算和物理相似模拟实验分析， 结 合现场观测结果，导水断裂带最终发育范围为 52.3～62 m （平均 57.2 m） ， 裂采比取 24.2。萨拉乌苏 组含水层底部距煤层顶板垂直距离范围为 58.77～ 86.37 m， 平均 72.57 m。 3 ） 导水断裂带发育最大高度位于含水层底部约 10 m 处， 覆岩导水断裂带没有和含水层贯通， 导水 通道未形成， 青龙寺煤矿安全生产不受井下含水层 透水威胁。 参考文献 ［1］ 黄庆享．浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2002， 21 （8） 3-4． ［2］ 贾后省， 马念杰， 赵希栋．浅埋薄基岩采煤工作面上覆 岩层纵向贯通裂隙 “张开-闭合” 规律 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （12） 2787-2793． ［3］ 卢邦稳， 刘长武， 刘德峰， 等． 浅埋薄基岩工作面覆岩 活动规律 3 维物理相似模拟研究 ［J］ ． 四川大学学报 （工程科学版） ， 2016， 48 （1） 107-113． ［4］ 师修昌， 孟召平， 杨圣， 等．大柳塔煤矿多煤层开采覆 岩变形破坏模拟研究 ［J］ ．金属矿山， 2015（3） 53-57． ［5］ 钱鸣高， 许家林， 缪协兴．煤矿绿色开采技术的研究与 实践 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2003， 32 （4） 343-348． ［6］ 马雄德， 王苏健， 蒋泽泉， 等．神南矿区采煤导水裂隙 带高度预测 ［J］ ．西安科技大学学报， 2016， 36 （5） 663-667． ［7］ 赵兵朝， 刘樟荣， 同超， 等． 覆岩导水裂隙带高度与开 采参数的关系研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2015， 32 （4） 634-639． ［8］ 杨泽元， 王文科， 黄金廷， 等．陕北风沙滩地区生态安 全地下水位埋深研究 ［J］ ．西北农林科技大学学报 （自然科学版） ， 2006， 34 （8） 67-74． ［9］ 高召宁， 应治中， 李铭． 生态脆弱矿区煤层覆岩隔水 特征及保水开采实验研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2015， 42 （2） 12-15． ［10］ 王双明， 黄庆享， 范立民， 等．生态脆弱矿区含 （ 隔） 水层特征及保水开采分区研究 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （1） 8-14． ［11］ 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