采动应力下覆岩导水裂隙带发育规律研究.pdf

Jinnengd Technology172023年6 月第3 期（总19 1期）晋控科学技术采动应力下覆岩导水裂隙带发育规律研究李阳（山西煤炭运销集团三元微子镇煤业有限公司，山西长治0 47 5 0 0）摘要：为探究山西煤炭运销集团三元微子镇煤业15 10 5 工作面覆岩导水裂隙带发育规律，采用相似模拟试验、钻孔窥视与声发射技术进行研究。结果表明：15 10 5 工作面覆岩非对称性破断现象明显，裂隙带呈现“梯形”+“倒V形”分布，声发射事件主要发生在上方岩层约5 0 0 mm以内，沿着“梯形”的右腰线和上顶边继续扩展。钻孔窥视表明裂隙带总高度为41.7 2 cm，对应实际高度为8 3.44m。关键词：导水裂隙带；矿井防治水；钻孔窥视；声发射中图分类号：TD745文献标识码：A文章编号：10 0 0-48 6 6(2 0 2 3)0 3-0 0 17-0 4D0I:10.19413/ki.14-1117.2023.03.0041工程概况山西煤炭运销集团三元微子镇煤业（简称“微子镇煤业）位于长治市璐城区东7.0 0 km处微子镇的原郝家沟村、秦家山村一带，行政区划隶属山西省璐城市微子镇管辖。现主要开采15 号煤层的15 10 5 工作面，煤层厚度为0 6 m，平均为3 m,井田东北部存在尖灭区，中南部煤层厚度较大，东北部煤厚较薄。煤层结构简单，含0 4层夹研，为赋存区稳定可采煤层。煤层顶板以K2灰岩、中-细粒砂岩、泥岩为主，底板以砂岩、泥岩为主。矿区属海河流域漳河水系浊漳河支流。区内无常年性河流和大的地表水体，主要接受大气降水补给，储量以动态形式分布区内。区面积为2 2 0 0.0 0km,形成地下水补给区，局部有碎屑岩裂隙水的侧向补给。第四系松散岩类孔隙含水层多沿山坡及沟谷低洼地带分布，主要接受大气降水及部分基岩风化裂隙水的侧向补给，与地表水关系密切，互为补排关系。该含水层具有透水性强、富水性强弱不均的特点。顶板中老顶为K2灰岩溶含水层，单位涌水量为0.030L/s.m，渗透系数为0.0 10 2 m/d，富水性强。因此，微子镇煤矿顶板涌水现象较为严重。为探究15 号煤层开采过程中的覆岩导水裂隙带发育规律，采用相似模拟试验方法并结合钻孔窥视与声发射技术进行研究。2相似模拟试验模型煤层开采致使覆岩离层变形将会造成矿井发生顶板涌水I-21,覆岩导水裂隙带的发育规律决定了矿井的涌水机理3-4。根据实验室岩石力学测试结果，建立二维相似材料模型如图1所示，根据煤层顶底板岩性特征确定相似模拟的材料参数如表1所示。通过模拟工作面开挖中覆岩破坏情况，结合钻孔窥视技术与声发射技术，分析导水裂隙带发育高度以及覆岩破坏规律，为涌水机理研究奠定基础。图1相似模拟试验模型表1相似模拟模型参数表累计厚度1cm配料序号岩性/m煤/kg河沙/kg石膏/kg大白/kg1中粒砂岩1188.400.480.722砂质泥岩141.848.530.210.853粗粒砂岩180.88.530.320.754砂质泥岩200.268.530.210.855细粒砂岩249.718.400.360.846砂质泥岩256.548.530.210.857K2灰岩258.598.400.360.848粉砂岩285.938.400.240.969砂质泥岩288.518.530.210.851015号煤291.863.633.630.180.3611粉砂岩294.868.400.240.9612粗粒砂岩319.128.530.320.7513泥岩320.968.530.210.85模型采用外形尺寸长宽高=3.0 m0.2m2.0m2023年第3 期Jinneng Holding Science and Technology18晋控科学技术的平面应变模型架，确定模拟实验的几何相似比例为1:200,按照相似定理，时间相似比为1/14，内摩擦角相似比为1,应力相似比为1/3 0 0，压力相似比为1/1.2 10。模型铺装尺寸长宽高=3.0 m0.2m1.67m，由于模型高度受限制，在顶部铺装一层铁砖模拟高度10cm的岩层，故实际铺装15 7 cm。走向模型工作面开采方案：矿井15 号煤层采用一次采全高煤，在距离模型左边界2 0 cm做切眼，直至距离模型右侧2 0 cm时结束（可看作停采线位置）,共计回采2 6 0 cm，开采范围远大于15 10 5 工作面的倾向长度，达到了充分采动，能够实现对15 号煤首采面覆岩裂隙发育高度的精准模拟，由于矿井工作面一日推进6m，按照相似比1:2 0 0,模型一次回采3 cm，总计回采87次。3覆岩垮落规律分析3.1工作面推进过程中覆岩跨落规律根据矿井工作面煤层实际开采顺序，在走向模型中，15 号煤层15 10 5 工作面回采开始前，按照回采方案在走向模型15 号煤层距左边界2 0 cm处开切眼，开始回采15 10 5 工作面，每次回采距离为3 cm，回采至模型15号煤层距右边界2 0 cm结束，总共回采2 6 0 cm。随着工作面的逐渐开挖，模型的顶板垮落变形趋势如图2所示。27917cm/270初次跨落回采3 9 cm2709cm270周期塔落回采8 4cm(a)推进 3 9 cm(b)推进8 4 cm29cml4630周期跨落回采13 2 cm37929.cm249周期琦落回采18 3 m(c)推进 13 2 cm(d)推进 18 3 cm.3799cm24%37240回采结束回采2 6 0 cm周期跨落回采2 16 cml(e)推进2 16 cm(f)推进2 6 0 cm图2覆岩垮落规律由图2（a）可知工作面自开切眼回采至3 9 cm，上覆岩层初次垮落，为工作面直接顶垮落，顶板初次来压步距3 9 cm，工作面左右两端的破断角分别为2 7、27；由图2(b)可知当工作面自开切眼回采至8 4cm时，上覆岩层垮落，为工作面老顶第3 次周期来压，周期来压步距2 4cm，覆岩跨落高度为9 cm，上覆岩层出现裂隙以及离层。由图2 c)可知工作面自开切眼回采至13 2 cm时，上覆岩层垮落，为工作面老顶第5 次周期来压，周期来压步距2 4cm，覆岩垮落高度为2 9 cm，上覆岩层出现裂隙以及离层，工作面左右两端的破断角分别为46、30。由图2(d)可知工作面自开切眼回采至18 3 cm时，上覆岩层垮落，为工作面老顶第7 次周期来压，周期来压步距2 4cm，覆岩跨落高度为2 9 cm，上覆岩层出现裂隙以及离层，工作面左右两端的破断角分别为3724;由图2(e)可知工作面自开切眼回采至2 16 cm时，上覆岩层跨落，为工作面老顶第9 次周期来压，周期来压步距18 cm，覆岩垮落高度为9 cm，上覆岩层出现裂隙以及离层，工作面左右两端的破断角分别为3 7、24由图2(f)可知当工作面回采至2 6 0 cm时，老顶悬顶距离加大再次周期破断，此时为工作面老顶第12 次周期来压，周期来压步距18 cm，覆岩跨落高度为9cm。随着工作面继续向前回采，上覆岩层周期性垮落，呈现周期性来压。3.2顶板离层规律分析对工作面回采结束时的顶板离层发育空间规律进行分析，如图3 所示。当工作面回采至3 9 cm（实际78m)时，覆岩有明显的位移下沉，工作面上方顶板岩层出现移动的范围高度达到5 cm（实际10 m)左右，并将继续向上发展；当工作面回采至6 0 cm（实际12 0 m）2023年第3 期李阳：采动应力隙带发育规律研究19时，顶板岩层移动的范围逐渐沿推进方向变大，岩层下沉位移值也逐渐加大，工作面上方顶板岩层出现移动的高度为10 cm（实际2 0 m）左右；当工作面回采至108cm（实际2 16 m）时，上覆岩层离层不断发育，当达到极限时，岩层发生了破断垮落，工作面上方岩层移动较为明显，工作面上方顶板岩层出现移动的高度为33cm（实际6 6 m）左右，覆岩呈非对称性破断，最大下沉值点有明显的滞后性；当工作面回采至15 6 cm（实际3 12 m）时，覆岩变化明显，采空区后方监测点则无明显变化，趋于稳定，工作面上方顶板岩层出现移动的高度大约为5 8 cm（实际116 m）左右，随着高度增加，代表着不同岩层移动值的区域形态呈倒“V形分布；当工作面回采至19 8 cm（实际3 9 6 m）时，最大下沉值点的滞后性以及覆岩破断的非对称性越来越趋于明显，工作面上方顶板岩层出现移动的高度大约在6 0 cm（实际12 0 m）左右；当工作面回采至2 6 0 cm（实际5 2 0m)时，15 10 5 工作面回采结束，非对称性破断现象明显。由此可知，整体的下沉规律为“梯形”分布，内部发育“倒V形”分布的非对称性离层破断。位移/mm1.614.01.412.01210.01.08.00.86.00.60.44.0022.00.00.00.00.51.01.52.02.53.0图315105工作面回采结束覆岩变形4导水裂隙带发育高度分析4.1声发射技术分析为探究顶板破断的空间规律，采用声发射技术对模型开挖过程中的覆岩破断离层规律进行监测，在煤层顶板两侧、煤层两侧、模型水平中央顶板内共埋设5个声发射传感器，开挖过程中，同步进行声发射，监测开采扰动条件下的岩层运动规律，绘制如图4所示的声发射定位图。16001400u/120010008006004002000300600900120015001.80021002.40026003000模型长度/mm图415105工作面回采0 2 6 0 cm(0520m)声发射定位图由图4可知，15 10 5 工作面回采初期，声发射事件主要发生在工作面上方岩层约5 0 0 mm以下，由于开采跨度较小，离层发育高度也较低，声发射定位被圈在呈“梯形”范围之内，“倒V型”区域内的覆岩声发射振铃数较多，随着工作面的继续推进，离层继续向上发育，声发射定位沿着“梯形的右腰线和上顶边继续扩展。4.2钻孔窥视技术分析对岩层内部的变形破坏进行的钻孔电视监测，以确定其空间位置及其内部形态随时间的变化特征。在相似模型岩层下沉量最大位置进行钻孔窥视，即模型走向长度的0.7 5 m处进行钻孔观测，从而得到模型覆岩的破碎范围和裂隙高度。单位mNESW单位/mW0.00.1岩层完整，未受扰动0.10.20.20.30.30.4岩层完整、未受扰动0.40.50.50.60.60.7岩层完整，未受扰动0.70.80.80.9产生较小的离层与竖0.9向裂隙，采完后裂隙1.0双除带逐渐闭合1.141.72cm1.2直接顶跨落，老顶饺落带接未破断、上部产生1.38.3cm较人裂隙图5工作面回采结束覆岩钻孔岩层变形特征2023年第3 期JinnengHoldid Technology20晋控科学技术15号煤层的15 10 5 工作面开采结束后，钻孔窥视结果如图5 所示，钻孔在13 6 15 0 cm范围内为煤层间岩层，是15 10 5 工作面底板，15 10 5 工作面开采没有对底板产生大的破坏，因此层间岩层保持完整。在钻孔129.8136cm范围为15 10 5 工作面直接顶，15 10 5 工作面回采后直接顶垮落，为跨落带高度，约为8.5 cm左右。在钻孔9 4.2 8 12 9.8 cm范围内为15 10 5 工作面基本顶，15 10 5 工作面回采后基本顶未破断，但产生较大离层裂隙，裂隙带高度约为41.7 2 cm左右。基本顶之上岩层受基本顶承载作用没有产生离层裂隙，保持完整。因此，15 号煤15 10 5 工作面回采后两带发育总高度为41.7 2 cm左右,将模型高度与实际赋存深度进行等比例换算（1:2 0 0），得到对应实际高度为8 3.44m左右。综合分析可知，15 号煤层15 10 5 工作面导水裂隙带发育最严重区域为模型走向0.7 5 m位置，将模型长度与实际煤层走向长度进行等比例换算（1:2 0 0），对应位置工作面走向15 0 m。为降低导水裂隙带发育程度，可采取覆岩注浆方式，对此位置的上覆岩层导水裂隙带进行封堵，阻断地表水与K2灰岩的渗流通道，降低矿井的水害威胁。5结语（1）根据15 号煤层地质情况建立相似模拟实验模型，工作面自开切眼回采至3 9 cm，上覆岩层初次垮落，随着工作面的开挖，工作面两侧破断角呈现先增大后减小的趋势。(2)对工作面回采结束时的顶板离层发育空间规律进行分析，覆岩整体的下沉规律为“梯形”分布，内部发育为“倒V形”分布的非对称性离层破断。（3)声发射事件主要发生在工作面上方岩层约500mm以内，并沿着“梯形”的右腰线和上顶边继续扩展，根据钻孔窥视结果，15 10 5 工作面回采后两带发育总高度为41.7 2 cm左右，对应实际高度为8 3.44m左右。参考文献刘再斌.基于孔型组合的煤矿水害区域治理模式研究.煤炭科学技术,2 0 18,46(7):18 4-18 9.2徐智敏，孙亚军,高尚，等，干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义.煤炭学报，2 0 19,44(3):7 6 7-7 7 6.3史正景，陈新宏.推覆体下含水层水动态异常原因浅析.山东煤炭科技,2 0 2 2,40(12):17 2-17 4.4崔磊.1110 1工作面顶板导水裂隙带发育规律实测分析.山西焦煤科技,2 0 2 1,45(6):14-16+2 0.5汤亚南.汾源煤业5-10 1综放工作面导水裂隙带发育高度研究J.同煤科技,2 0 2 2(1):3 5-3 7+41.作者简介李阳（19 9 1-），男，助理工程师，主要从事地测防治水工作,E-mail:。收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 6Study on The Development Law ofWater-conducting Fracture Zone in Overburden Rock under Mining StressLi Yang(Sanyuan Weizi Town Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation and Marketing Group,Changzhi Shanxi 047500)Abstract:In order to explore the development law of the overlying rock water-conducting fracture zone in the 15105working face of Sanyuan Weizi Town Coal Industry,similar simulation experiments,borehole observation,and acousticemission techniques were used for research.The results show that the asymmetric fracture phenomenon of the overlyingrock in the 15105 working face is obvious,and the fracture zone presents a trapezoidal and inverted V-shapeddistribution.The acoustic emission event mainly occurs within about 500 mm of the upper rock layer,and continues toexpand along the right waistline of the trapezoidal and top edge.Borehole observation shows that the total height of thefracture zone is 41.72 cm,corresponding to an actual height of 83.44 m.Key words:Water-conducting fracture zone;Mine water prevention and control;Drilling peep;Acoustic emission