东北白垩纪煤田倾斜煤层顶板导水裂隙带发育高度研究

刘叶青，冷 丹，赵海陆，田 蕾

(1.中煤地质工程总公司，北京 100040； 2.北方自动控制技术研究所，太原 030000)

0 引言

新发煤矿位于黑龙江省鸡西市，含煤地层为中生界下白垩统鸡西群城子河组和穆棱组。该矿地质储量为11 298.1万t，可采储量3 529.5万t，其中“三下”压煤5 861.2万t，占整个地质储量的51.9%。

29#煤层为矿井的主要开采煤层，煤厚0.24～2.33m，煤层倾角15°。穆棱河从井田北部纵贯全区，河床宽广，河道迂回曲折，形成众多牛轭湖，地面水体遍布。穆棱河平均流量32m3/s，历史最大洪水流量达4 750m3/s。井田北部煤系及其煤层露头直接与第四系冲积层接触，因此，地表水体成为矿井的直接充水水源，并威胁矿井安全生产。顶板导水裂隙带为主要导水通道。如何准确测量和计算裂隙带和垮落带发育高度是合理设置煤矿开采上限的关键。

1 地面实测法

1.1 装置及原理

地面实测法，既钻孔冲洗液消耗观测法，在采区地面布置2个钻孔(图1)，观测钻进过程中的钻孔冲洗液消耗量、钻孔水位变化以及在钻进过程中的各种异常现象(如掉钻、卡钻、吸风、瓦斯涌出等)，同时配合在试验钻孔内进行彩色钻孔电视成像观测，经过综合分析最终获得煤层顶板垮落带及裂缝带发育高度的实测数据。

钻孔的开孔口径180mm，下入168mm表层套管。非观测段口径145mm，下127mm套管并进行钻孔封闭。观测段口径110mm。S1钻孔的观测段为85.02～145.07m，S2钻孔的观测段为89.65～147.12m。

图1 实测钻孔布置Figure 1 Actual measurement boreholes layout

1.2 钻孔观测

以S1钻孔为例，从85.02m处开始进行冲洗液消耗量观测，平均漏失速度0.33L/(s·m)。钻进至117.45m时，钻孔冲洗液全部漏失。钻孔初始水位埋深为13.3m左右，钻进过程中水位降速平均为0.2m/min。自115.45m至117.45m水位降速达到0.1 m/min。钻进至孔深117.45m后，水位迅速降低(图2)，钻探显示此段岩心较破碎，有明显纵向裂隙，判断应为采动裂隙所致。

图2 冲洗液消耗量-水位埋深-孔深曲线Figure 2 Flush fluid loss-water level depth-borehole depth curves

S1钻孔的井下彩色钻孔电视影像显示115.5m以下部分可以看出上部横向裂隙较为发育，判断为裂缝带的顶点(图3a)；141.8m处岩石较破碎，裂隙宽度与深度均较大，交错发育，符合采动裂隙的特征，可以判断此处为垮落带发育顶点(图3b)。

图3 井下钻孔彩色电视影像Figure 3 Underground borehole color TV image

1.3 观测成果

依据《导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法》MT/T865-2000标准，裂隙带高度计算公式为：

H裂=H-M-h裂-L+w,

(1)

式中：H裂为裂缝带最大高度，m；H为煤层底板距离孔口垂高，m；M为煤层采厚，m；L为孔口距离地表的垂高，m；h裂为裂隙带顶点距离地面垂深，m；W为岩层的压缩值，取0.2m。

经计算得S1孔观测裂缝带高度为32.84m。

垮落带高度计算公式为：

H垮=H-M-h垮+W，

(2)

式中：H垮为垮落带最大高度，m；H为煤层底板距离孔口垂高，m；M为采厚，m；h垮为垮落带顶点距离孔口垂深，m；W为岩层的压缩值，取0.2m。

经计算得S1孔观测垮落带高度为6.54m。

同理，S2孔的裂隙带高度为30.51m，垮落带高度为5.78m。最终实测数据取2个钻孔的平均值：裂隙带高度为31.68m，垮落带高度为6.16m。

2 工程地质模型试验法

2.1 装置及原理

工程地质模型试验(相似模拟试验)是以相似理论、类比分析作为依据的实验室研究方法。根据矿井实际开采的工作面长度和煤层厚度，以及顶板岩石的力学性质和发育结构，在室内利用砂、黏土、重晶石、云母粉、石膏、水泥、石灰、水玻璃、等材料按照不同的配比做成比例模型，并事先在模型中埋入应变心片，通过试验系统进行加压并模拟采掘活动，从而观测顶板“岩石”的变形和应力分布特征(图4)。

图4 冒落带发育模拟成果Figure 4 Caving zone development simulated results

2.2 模拟结果

模型在开挖结束稳定后，测量裂缝带高度为26.3m(模型比1∶100)，垮落带高度4.5m。12.78m厚的中粒砂岩和上方岩层出现离层。

3 数值模拟法

3.1 方法原理

在建立地质体工程地质模型及力学性态本构模型的基础上，采用数值分析的方法，求解地质体随时间的变形(位移)、应力及破裂状态的变化过程，即为数值模拟。煤系顶板岩体本构关系为理想弹塑性本构模型，考虑岩体的低抗拉特性，采用Mohr-Coulomb塑性本构模型和Mohr-Coulomb屈服准则。

数值模拟应用三维有限差分计算机程序FLAC3D进行计算。FLAC3D程序具有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形(图5、图6)。

图5 导水裂隙带高度模拟Figure 5 Water conducted zone height simulation

图6 应力场模拟Figure 6 Stress field simulation

3.2 模拟过程

本次数值模型的长、宽、高尺寸依次为200、50、1.6m，考虑到计算精度与网格疏密的密切关系将模型共剖分为6 800个单元。在对工作面的回采进行数值模拟时，采用分步采全高来评价回采过程对顶板覆岩的影响，模拟开挖分六步进行，第一步先开挖10m，第二步即在此基础上再开挖10m，第三步至第六步依次为30、50、50、50m。

3.3 模拟结果

模型模拟每次回采后，煤层垂直位移均有不同程度的增加，增加幅度为0.8～1.2m，根据最后六步累积回采200m后的累计位移，确定顶板垮落带高度为6.82m，同理确定顶板裂隙带高度为36.88m。

4 经验公式计算法

依据《煤矿防治水手册》中垮落带和导水裂隙带高度的经验公式，对垮落带及裂隙带发育高度进行计算。裂隙带高度计算公式为：

(3)

式中：Hli为裂隙带高度，m；ΣM为累计采厚，m。垮落带高度计算公式为：

(4)

式中：Hm为垮落带高度，m；ΣM为累计采厚，m。

计算可得裂隙带高度为10.44～33.42m，垮落带高度为3.33～12.75m。

5 结论

对4种方法的成果进行对比，其结果较为接近，其中数值模拟的值偏大，工程地质模型试验法的值最小(表1)。

表1 成果汇总

(1)地面实测法较为直观的获取了煤层顶板垮落带及裂隙带发育高度，不足之处在于施工条件苛刻，施工周期较长，费用较高。

(2)工程地质模型试验法方法较为容易实施，模拟实验可人为控制和改变试验条件，从而可确定单因素或多因素对矿山压力影响的规律，清楚直观，试验周期短。经验公式法和数值模拟法成本较高，且受试验条件和人为影响因素较大。

(3)数值模拟法较其他方法操作简便，无需实物工作量，人工干预程度较高，但过于理想化，没有考虑上下煤层之间的互相影响。

(4)经验公式是通过大量的煤矿生产实际观测数据经统计分析而来，其具有一定的宏观指导意义，但是对于具体的煤矿和不同的煤层赋存条件有其局限性。

(5)对比4种方法，地面实测法较为真实的反映了顶板垮落带及裂隙带的发育状况，更切合实际，因此，最终采用了地面实测法的结果。在不具备地面实测法施工条件的矿区建议以其它方法为参考。

[1]田秀荣，等.龙煤股份鸡西分公司新发煤矿水文地质补充勘探报告[R].北京：北京大地高科煤层气工程技术研究院,2015.

[2]刘新河,段文堂,杨本生.水下矿床开采的相似模拟研究[J].黄金, 2001, 22( 5) : 18- 20.

[3]刘红元,刘建新,唐春安.采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟[J].岩土工程学报,2001, 23(2):201-204.

[4]李焕春,张有朝,王士平.高密度高分辨电阻率法在采空区“三带”的探测研究[J].河北煤炭, 1999( 2) :38- 40.

[5]朱国维,王怀秀.利用超声成像技术辅助判定覆岩破坏钻孔的导水裂隙带高度[J].淮南工业学院学报, 1999, 19( 3) : 5- 10.

[6]熊晓英.导水裂隙带高度探测新方法综述[J].安徽地质, 2004, 14(2):95-98.

[7]张平松,吴基文,刘盛东.煤层采动底板破坏规律动态观测研究.岩石力学与工程学报[J]，2006，10.

[8]朱术云,鞠远江,赵振中.超化煤矿“三软”煤层采动底板变形破坏的实测研究.岩土工程学报[J]，2008，24.

[9]陈国胜,王心义,翟宇.煤层底板采动破坏深度探查技术[J].煤矿安全，2014，(04).

[10]武强,赵苏启,董书宁,等.煤矿防治水手册[M].北京：煤炭工业出版社，2013.