深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育高度探查分析∗

吕广罗杨 磊田刚军张 勇吕品田陈永波

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西省西安市,710021; 2.陕西省一八六煤田地质有限公司,陕西省西安市,710065)

深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育高度探查分析∗

吕广罗1,2杨 磊2田刚军2张 勇2吕品田2陈永波2

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西省西安市,710021; 2.陕西省一八六煤田地质有限公司,陕西省西安市,710065)

以崔木煤矿为试验基地,采用地面钻孔冲洗液漏失量观测及井下窥视,对深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育高度进行探查,并对9例探查结果进行多元回归分析.探查分析表明导水裂隙带高度与煤层采厚、工作面宽度、开采深度密切相关,据此求得了裂高预测的多元回归公式,进行导水裂隙带发育高度计算,并与现行《规程》、《规范》及相关文献中相应经验公式进行对比分析,表明回归公式具有更好的适用性.

特厚深埋煤层 综放开采 导水裂隙带 高度计算 多元回归

关于综放开采条件下导水裂隙带发育高度的探查与研究,高延法等运用双端堵水仪在井下观测龙口煤矿海下采煤导水裂缝带高度,于师健等运用视电阻率法进行了冒裂带高度预测,康永华等对比了钻孔冲洗液法、声速法和超声成像法在导水裂缝带高度预测方面的优缺点,马亚杰等提出工作面倾向长度和埋深对裂高影响较大,陈凯等运用趋势面分析对导水裂隙带高度进行预测,胡小娟等收集了鲁西南及邻近地区综采导水裂隙带高度实例,分析影响导水裂隙带发育高度的几种常见因素,并研究导水裂隙带发育高度与多种影响因素之间的关系式,预计导水裂隙带高度.以上探查与研究工作,主要基于我国东部矿区开采实践,且煤层开采深度较浅而采厚不大,对于广泛分布于西部地区的深埋特厚煤层,其顶板导水裂隙带发育特征,缺乏探查与分析.本文以陕西黄陇侏罗纪煤田崔木煤矿作为试验基地,采用地面钻孔冲洗液漏失量观测及井下窥视对深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育高度进行探查,并对井田内及邻近相似开采技术条件下9例工作面探查结果进行了多元回归统计.分析导水裂隙带高度与煤层采厚、工作面宽度、开采深度之间的相关关系,据此求得了裂高计算的多元回归式,进行导水裂隙带发育高度计算,并与现行《规程》、《规范》及相关文献中相应经验公式进行对比,表明回归式具有更好的适用性.

1 矿井地质及开采技术条件

1.1 矿井地质

崔木煤矿属于陕西省黄陇侏罗纪煤田永陇矿区麟游区东北端,为掩盖式煤田,地表沟谷中零星出露有白垩系下统洛河组,其上被新近系及第四系广泛覆盖.矿井地层按照由老到新的顺序依次为三叠系中统铜川组,侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组和安定组,白垩系下统宜君组、洛河组,新近系中新统,第四系中上更新统和全新统.矿井地质构造简单,煤层底板构造形态总体为一东南高西北低的波状单斜构造,呈EW向展布.主要地层及含(隔)水层水文地质特征如表1所示.

表1 煤层顶板覆岩水文地质特征简表

侏罗系中统直罗组砂岩含水层、延安组煤层及其顶板砂岩含水层为煤层开采顶板直接充水含水层,但其埋藏深、裂隙不甚发育、补给条件差、富水性弱,井巷充水易于疏排,对煤层开采影响不大.白垩系下统洛河组和宜君组砂砾岩,虽为煤层顶板间接充水含水层,但其厚度大、分布广、富水性较好,且与区域强含水层相联,严重威胁矿井安全开采.

1.2 开采技术条件

矿井采用立井开拓,产能4.00 Mt/a,服务年限66 a.主采3＃煤层,属深埋特厚煤层.采用井下单一水平、走向长壁后退式采煤法,综采放顶煤工艺,全部垮落法管理顶板.

首采21301工作面,走向长度968 m,倾向宽度196 m.煤层底板标高+710～+730 m,埋深540～600 m,倾角为3°～6°,厚度14.75～17.3 m,平均15.86 m.井巷掘进过程中,未揭露明显断裂构造;工作面上部无大型地表水体分布.煤层伪顶呈孤立岛状零星分布,厚度0.22～1.04 m,一般0.5 m,为炭质泥岩、泥岩,局部地段煤层直接与砂岩老顶接触,直接顶砂泥岩则普遍发育.伪顶厚度薄,稳定性差,随着煤层开采而冒落,属不稳定岩体;直接顶砂泥岩呈互层状产出,属稳定性较差的岩体;老顶砂岩一般为中等稳定岩体.顶板覆岩总体中等坚硬.

21301工作面正常涌水量40 m3/h,充水水源主要为3＃煤层顶板砂岩裂隙水.回采期间,累计出现顶板离层蓄水涌突水11次,最大突水强度1300 m3/h,累计突水量202577.8 m3,对工作面安全生产造成了严重危害.为查明顶板充水通道和涌突机理,制定切实可靠的防治水方案,必须开展导水裂隙带发育高度探查和分析研究.

2 导水裂隙带高度探查

为查明导水裂隙带发育特征,在崔木煤矿21301、21303和21305等工作面开展导水裂隙带发育高度探查.现以21301工作面为例,简述观测方法与结果,并结合邻近工作面实测情况,对观测结果评价汇总,以便进一步分析研究.

2.1 探查方法

在21301工作面布置观测孔,于工作面推过后7个月开始施工,对应的孔口标高1238.22 m,煤层底板标高685 m,煤层埋深553.22 m,煤层开采厚度12 m,终孔位置为3＃煤层顶板,孔深431.62 m.采用钻孔冲洗液漏失量观测法和井下窥视法对煤层顶板导水裂隙带发育特征进行探查.

钻孔冲洗液漏失量观测法.通过探测钻孔岩芯完整性、冲洗液消耗量、钻孔水位等异常情况,综合判定导水裂隙带发育特征;实施中严格执行《导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法》(MT/T 865-2000).

井下窥视法是把一自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中,探测覆岩受采动影响岩体裂缝发育特征.选用GD3Q-A/B型钻孔全孔壁成像系统仪器.

2.2 冲洗液漏失量观测法确定导水裂隙带高度

钻孔冲洗液漏失量及水位观测表明孔深188 m以下,消耗量明显增大,表征进入覆岩离层发育带;孔深302 m以后,冲洗液全部漏失.在孔深188～302.75 m段,水位从深86.2 m突降至深124.5 m,在后续施工中,孔内水位持续大幅下降.因此,将孔深302.75 m定为导水裂隙带顶界,由此确定的导水裂隙带发育高度238.67 m,约为采厚的19.89倍.

2.3 井下窥视法确定导水裂隙带高度

井下窥视共观测到裂隙76组,其中孔深202.65～288.08 m以水平～近水平裂隙为主,对应的位置应为离层带;301.86 m以深基本以垂直裂隙为主,且从301.86 m开始,裂隙数目逐渐增加,规模不断增大,并出现部分孔段塌孔现象,可认为301.86 m为导水裂隙带的顶界.故井下窥视观测得到的离层带高度为85.43 m;导水裂隙带发育高度239.56 m,约为采厚的19.96倍.

2.4 导水裂隙带高度观测结果评价与汇总

以上探查结果表明:导水裂隙带已发育至洛河组含水层,两种方法观测的导水裂隙带高度基本一致,可取其平均值作为21301工作面导水裂隙带发育高度,其值为239.12 m,裂高采厚比为19.93,裂隙带之上的离层带高度为85.43 m.

运用同样的观测方法,在崔木煤矿21303、21305工作面及彬长矿区下沟煤矿ZF2801、2802等工作面开展的导水裂隙带发育高度探查,综放工作面导水裂隙带高度实测结果见表2.

表2 综放工作面导水裂隙带高度实测结果

3 导水裂隙带高度探查结果分析

3.1 导水裂隙带高度主要影响因素

据以往研究成果,影响导水裂缝带发育高度的因素有许多,其中有的影响程度可定量描述,有些只能定性说明.这些因素主要包括覆岩的岩性、岩体结构及其组合特征、煤层开采条件、采煤方法和顶板管理方法、煤层倾角、开采面积、地质构造、时间因素以及重复采动等.考虑到综放开采的工艺特征、矿井地质及开采技术条件,本文所确定的导水裂隙带发育高度主要影响因素为煤层开采厚度、工作面宽度和煤层开采深度.

3.2 导水裂隙带高度探查结果分析

3.2.1 方法原理

基于前述导水裂隙带发育高度主要影响因素的认识,为定量分析各因素的影响程度,可采用多元线性回归分析法,对导水裂隙带发育高度探查结果进行分析.多元线性回归分析也称复线性回归分析,它是一元线性回归分析或简单线性回归分析的推广,它研究的是一组自变量如何直接影响一个因变量.本文确定的自变量为采厚、面宽和采深,导水裂隙带高度为研究的因变量.

3.2.2 数据来源

根据前述导水裂隙带发育高度主要影响因素,所采集的崔木煤矿及其邻近矿井工作面实测导水裂隙带高度、煤层开采厚度、工作面宽度和煤层开采深度等见表2.

3.2.3 分析结果

运用Excel数据分析中的多元回归分析工具,对表2中实测裂高与采厚、面宽和采深进行分析.

Excel数据分析结果显示复相关系数R＝0.963714,复测定系数R2＝0.928745,标准误差为16.86694.复相关系数的取值范围为0≤R≤1,R越接近1表明回归模型拟合程度越好,根据Excel输出的回归公式的复相关系数达到了0.96以上,表明该预测模型是极显著的,具有统计学意义.

Excel数据分析输出结果统计量F＝21.72347、差异性显著检验值Fα＝0.00269,自变量显著性P值分别为0.001619、0.04631、0.065854.

根据Excel数据分析输出结果,得到回归算式:

式中:Hf——导水裂隙带高度,m;

M——煤层开采厚度,m;L——工作面宽度,m;

H——煤层开采深度,m.回归统计、方差分析表明回归公式适当.可以认为导水裂隙带发育高度和3个影响因素之间有明显的线性关系.因此,回归公式可以用于预测导水裂隙带发育高度的计算.

3.3 结果评价

关于综放开采条件下导水裂隙带高度计算,对于中等坚硬覆岩,目前《规程》、《规范》和相关文献中主要采用的经验式:

运用式(2)～(6)及本次求得的回归式(1),对表2中各工作面不同开采状况下导水裂隙带高度进行计算,并将计算裂高与实测值对比分析,结果见表3.

表3 导水裂隙带高度计算结果统计

回归公式(1)预计的导水裂隙带高度与实测值的误差为-11.17%～18.59%,多数情况下误差小于5%,算式的实际适用性较好.

三下采煤规程推荐的计算公式(2)预计的导水裂隙带高度与实测值的误差为-59.52%～-79.12%,预计的裂高均小于实测裂高值,说明规程推荐的公式不适用于预计综放开采工作面的导水裂隙带高度.

式(3)预计的导水裂隙带高度与实测值的误差为-16.78%～-52.38%,预计的裂高同样均小于实测裂高值.

式(4)预计的导水裂隙带高度与实测值的误差为-38.08%～10.13%,当工作面宽度小于120 m,采深小于480 m时,预算与实测裂高误差为-10.60%～10.13%,公式具有一定的适用性.

式(5)预测的导水裂隙带高度与实测值的误差为-8.66%～65.26%,当工作面宽度为150～200 m,采深大于500 m时,预算与实测裂高误差为-4.86%～4.32%,公式的适用性较好.

国标规范公式(6)预计的导水裂隙带高度与实测值的误差为-39.38%～10.82%,当工作面宽度小于120 m,采深小于480 m时,预算与实测裂高误差为-6.45%～10.82%,公式具有一定的适用性.

综上所述,回归分析计算的导水裂隙带发育高度值更接近于实测结果.回归公式计算深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育高度具有更好的适用性.

4 结论

(1)通过地面钻孔冲洗液漏失量观测及井下窥视,得到崔木煤矿深埋特厚煤层综放开采条件下顶板导水裂隙带发育高度为238.67～239.56 m,平均239.12 m;裂隙带高度与煤层采厚之比为19.89～19.96,平均19.93.

(2)井下窥视图像和观测数据显示,垂直裂隙主要发育在导水裂隙带顶点以下区域,裂隙数量自上而下逐渐增多;水平裂隙主要发育在导水裂隙带定点以上,发育范围为202.65～288.08 m,导水裂隙带之上离层带的高度为85.43 m.

(3)以崔木煤矿及其周围邻近矿井实测资料为基础,运用多元回归方法分析表明,导水裂隙带高度与煤层采厚、工作面宽度、开采深度密切相关,并求得裂高的相关方程,可作为导水裂隙带发育高度计算的多元回归公式.

(4)对现行规程、规范及文献中综放开采导水裂隙带发育高度计算经验公式适用性分析表明,多元回归公式预算深埋特厚煤层综放开采条件下导水裂隙带发育高度具有更好的适用性.

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Detection and analysis of height of water flowing fractured zone in roof of fully mechanized caving face in deep and extra thick seam

Lv Guangluo1,2,Yang Lei2,Tian Gangjun2,Zhang Yong2,Lv Pintian2,Chen Yongbo2
(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources,Xi＇an,Shaanxi 710021,China; 2.Team 186 of Shaanxi Coal Geology Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi 710065,China)

The height of water flowing fractured zone in roof of a fully mechanized caving face in deep and extra thick seam was detected by observing the seepage loss of flushing fluid in surface borehole and downhole peep in test site,Cuimu Coal Mine,and the multivariate regression analysis of 9 group detection results was carried out.The results showed that the height of water flowing fractured zone was closely related to mining height,working face length and mining depth,by which the multivariate regression formula for the height detection of water flowing fractured zone was obtained,its better applicability was proved through contrastive analysis with empirical formulas of the Regulation,Standard and pertinent literature.

deep and extra thick seam,fully mechanized caving face,water flowing fractured zone,height calculation,multivariate regression

TD821

A

吕广罗(1963-),男,陕西省礼泉县人,高级工程师,从事水文地质与工程地质工作。

(责任编辑 张毅玲)

陕西省工业科技攻关项目(2016GY-172),国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室自主重点项目(ZZ2013-2)