侏罗系特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育特征研究
时间：2023-04-07 21:55:05 来源：千叶帆 本文已影响人
岳 宁，李申龙，王怀顺，田家威，王 岗，杨 志，王振康
(1.陕西未来能源化工有限公司 金鸡滩煤矿，陕西 榆林 719099；
2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；
3.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719099；
4.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；
5.安阳工学院 土木与建筑工程学院，河南 安阳 455000)
陕北侏罗系煤田煤层赋存广泛，厚度发育大，煤炭资源储量十分丰富[1]。大规模煤炭开采顶板导水裂隙带对上部潜水含水层造成破坏，引起大量潜水资源渗漏，不仅加剧了地区水资源的匮乏情况，更加恶化了地表脆弱的生态环境[2]，同时也严重威胁了煤矿的安全生产[3]。因此，研究陕北侏罗系煤田特厚煤层综放开采顶板采动裂隙高度动态发育特征规律，对于指导煤矿防治水及安全生产工作，保护地表脆弱的植被生长环境提供一定的科学依据。
目前，针对煤层顶板导水裂隙带发育规律及高度的探测研究方法多样[4-8]。其中钻孔冲洗液消耗观测、井下仰孔分段注水和钻孔电视等现场实测结果最为准确[9，10]，但相对费时费力，无法监测导高发育全过程。针对导水裂隙带发育规律动态特征研究多基于数值模拟及相似材料模拟[11]，但相应的地质参数及材料配比参数获取不易，且模拟精度与相关参数精度关系密切。而由于西部侏罗系煤层顶板覆岩结构为整体状结构和层状结构，较东部石炭二叠系煤层顶板覆岩结构完整，导致规范中所总结经验公式在西部侏罗系煤田适用性较差。电阻率、微震等方法实用性强[12]，但探测结果多解，精度不高。
本文通过光纤监测、钻孔冲洗液漏失量观测与拟合计算相结合的方法，在提高精度的同时，实现导水裂隙带动态发育特征规律的连续监测，研究陕北侏罗系特厚煤层大采高综放开采顶板覆岩导水裂隙带动态发育规律特征，建立相应的导水裂隙带发育高度预测模型。
金鸡滩煤矿位于陕西榆林市榆阳区金鸡滩镇，地理位置上处于毛乌素沙地南部边缘，煤炭储量丰富[13]。由于其主采煤层2-2煤埋藏浅、厚度大、开采条件简单，十分适合大采高综合放顶煤开采方法[14]。因此，研究陕北侏罗系浅埋特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育特征规律，为陕北地区煤矿高强度开采顶板防治水工作保障煤矿安全生产提供科学依据。
金鸡滩煤矿117工作面位于一盘区东翼，走向长5100m，斜长300m，如图1所示，是一盘区东翼首个大采高综放开采工作面，主采2-2及2-2上煤，2-2煤层层位相对较为稳定，煤层赋存基本平坦，2-2煤层分叉为2-2上及2-2下煤层，据附近钻孔揭露，117工作面2-2上煤层厚度8.6～11.2m，其埋深259～284m，属于典型特厚煤层。井田内煤层顶板含水层与隔水层之间空间关系[15]，如图2所示。
图1 金鸡滩煤矿开采方式布置
图2 金鸡滩井田水文地质剖面
其中，离石黄土与保德红土组合的关键隔水土层对于保护上部砂层潜水含水层完整性具有至关重要作用，相对隔水土层厚度8.8～34.5m，自切眼至终采线方向厚度逐渐变小，如图3所示，与主采煤层间距192.0～244.1m，在工作面切眼及中部区域间距相对较大，如图4所示。
图3 117工作面关键隔水土层厚度(m)
图4 117工作面关键隔水土层与开采煤层间距(m)
本次研究采用BOTDR分布式光纤传感技术和地面钻探水文观测方法相结合对导水裂隙带高度发育进行探测[16]，为了保证监测点导水裂隙带高度发育至最大值，沿着工作面开采推进方向，分布式光纤监测孔KYS1位于中线附近，布设于距117工作面切眼300m，地面钻探水文观测孔KYS4布设于距117工作面切眼375m，如图5所示。
图5 导高探测孔位置
2.1 导水裂隙带高度发育监测
BOTDR分布式光纤传感技术基于光纤中的自然布里渊散射光的频移变化量与光纤轴向应变呈线性正相关，通过监测自然布里渊散射光的频移变化量，从而得到光纤所受轴向应变，如图6所示[17]。KYS1钻孔设计直径为133mm，孔深207m。传感光缆下放深度为200m，其中，金属基索状(MKS)和矿山专用2m定点分布式(2m IFS)两种应变感测光纤长度均为55m，用以监测开采过程中煤层顶板上覆土层应变变化，以判别导水裂隙带发育至上覆土层相对隔水层的分布情况；
金属基索状(MKS)、纤维加强筋(GFRS)和矿山专用5m定点分布式(5m IFS)三种应变感测光纤长度均为200m，主要用以监测采动所导致顶板基岩的应变变化，以判别导水裂隙带在基岩中的发育特征，如图7所示。其中，GFRS具有精度高，MKS具有强度大，IFS具有抗变形能力强。
图6 布里渊散射光频率漂移与光纤轴向应变量的关系
图7 KYS1孔地层结构及光缆布设
基于分层注浆工艺将上述应变感测光纤设置于监测孔内，并进行封存以保证光纤与煤层顶板各层位之间达到良好的耦合度，顶板覆岩采动变形破坏特征，如图8所示。
图8 KYS1孔煤层顶板覆岩(土)层应变采动破坏分布特征
其中，横轴表示117工作面推采位置与监测孔KYS1之间的水平相对距离，数值为负表示工作面未推采超过KYS1孔位置，相反，数值为正则表示工作面推采位置超过监测孔位置；
纵轴表示煤层顶板上覆地层埋深。当117工作面推采过KYS1孔20m，光缆监测数据显示-200m埋深围岩产生轻微拉应变。工作面开采持续推进，顶板覆岩拉应变极值持续增长，受采煤扰动范围持续向上发育。不同层位地层采动变形围岩破坏应变值明显不同。根据实验资料[18，19]，侏罗系煤层顶板覆岩中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩和离石黄土的最大极限拉伸微应变值分别为1620、1870、2060和5000，而图8所反映光纤所监测顶板覆岩各岩层拉张应变值均大于其最大极限微应变值，所以离石黄土抗拉微应变值大于5000发生破断，即可视为导水裂隙带发育顶界。
根据光纤应变特征，如图9所示，当工作面推采过KYS1孔位置约34m时，即开采距离334.7m时，埋深157.31m以下顶板基岩发生拉张破坏；
当继续推过KYS1孔约66m时，即开采距离366.3m时，顶板基岩拉张破坏区继续向上发育，其顶界位置到达埋深109m；
当继续推过KYS1孔约74m，即开采距离374.1m时，拉张破坏区顶界发育至埋深54.2m(离石黄土和下伏基岩交界位置)，即煤层顶板基岩完全发生拉张破坏；
当继续推过KYS1孔约94m时，即开采距离393.9m时，光纤拉应变值5000位置出现在离石黄土下分层中，即图8中所示①的位置，对应位置埋深49.85m；
当工作面开采继续向前推进至过KYS1孔约123m时，即开采距离423.1m时，光纤拉应变值5000位置有所下移，至埋深51.55m处，仍处于离石黄土下分层中，说明离石黄土层在拉张破坏后有所修复。综上所述，随着工作面的推进，煤层顶板导水裂隙带向上快速发育，当工作面推过监测孔约74m，导水裂隙带顶界发育至土岩分界面，推过监测孔94m，导水裂隙带顶界最大发育位置埋深49.85m，分析KYS1孔地层结构，判断导水裂隙带已发育进入离石黄土层4.35m，继续推进，由于离石黄土层采动破坏后自修复，导水裂隙带顶界位置有所下降。然而，KYS1位置2-2煤顶板埋深约为273.6m，得出导水裂隙带最大发育高度为223.75m，煤层开采厚度为11.1m，计算得出其相应裂采比20.16。
图9 KYS1孔光纤监测导水裂隙带动态发育高度
2.2 采空区导水裂隙带高度探测
KYS4孔在推采过KYS1孔一年后施工，设计孔深120.00m，终孔孔深为123.19m。通过钻孔简易水文观测，如图10所示，红土层段根据消耗量观测曲线显示，在下入沙层护壁止水套管后，清水消耗量在红土层上段43.80～52.04m平均单位进尺消耗量为0.1768L/(s·m)，在KYS4孔施工钻进至52.04m孔深位置冲洗液突然出现大量漏失现象，冲洗液不能持续循环，后继续钻进冲洗液正常循环，在孔深52.04～54.50m段单位进尺消耗量平均为0.664L/(s·m)。红土层下段单位进尺冲洗液消耗量明显较红土层上段变大。红土层段根据水位观测曲线显示：在下入沙层护壁止水套管后，清水消耗量在43.78～51.04m段，钻后水位为1.65～1.81m波动，在51.04～53.04m段，钻后水位下降至6.98m，然后在红土层下段51.04～57.50m，钻进过程中水位在6.70～7.35m波动。
图10 KYS4孔简易水文观测变化曲线
确定KYS4号钻孔探测导高结果为采取以消耗量漏失位置作为导水裂隙带的顶界位置，即发育在孔深52.04m处，判断KYS4孔导水裂隙带已经发育穿过基岩风化带含水层进入上部红土层5.46m。KYS4处煤层埋深约272.3m，则导水裂隙带高度为220.82m，采厚为10.9m，因此最终确定裂采比20.25。
本研究收集大量陕蒙地区侏罗系煤层综放与综采导水裂隙带高度探测结果[20-22]，在此基础之上，分析主控因素与发育高度规律之间相互关系，如图11所示，其中，导水裂隙带高度发育与采厚呈正相关，与工作面斜长呈对数相关，与采深呈对数相关，见表1，R2均大于0.7，说明导水裂隙带发育与采厚、斜长以及采深具有较好的相关性。
图11 导水裂隙带高度与采厚、工作面斜长及采深回归分析图
表1 导水裂隙带高度与采厚、斜长及采深拟合公式
借助SPSS软件，通过多元非线性回归分析，计算得出陕蒙地区侏罗系煤层开采导水裂隙带发育高度多因素综合数学模型，见式(1)。
式中，H为导水裂隙带高度，m；
M为采厚，m；
D为采深，m；
L为工作面斜长，m。
其中R2为0.714，说明所构建数学模型拟合结果较好。
117工作面斜长300m，KYS1孔位置实测所采煤厚11.1m，所采深度约273.6m，KYS4孔位置实测所采煤厚10.9m，所采深度约272.3m，计算得出KYS1处导水裂隙带发育高度217.34m，KYS4处导高为214.09m。通过现场分布式光纤监测以及地面钻探水文观测显示综放开采KYS1和KYS4处导水裂隙带发育高度223.75m和220.82m，对比分析，KYS1孔导高绝对误差6.41m，相对误差约2.86%，KYS4孔导高绝对误差6.73m，相对误差约3.05%，总的来说，所构建数学模型准确度相对较高，由此分析可知，依据公式(1)所计算117工作面综放开采导水裂隙带最大高度176.13～220.44m。金鸡滩煤矿117综放开采工作面现场实测平均裂采比20.21，而其顶板完整基岩厚度192.0～244.1m，对煤层完全开采，导水裂隙带发育将穿过完整基岩进入上覆离石黄土与保德红土组合的关键隔水土层中，因此，应当将煤层开采厚度控制在不超过9.5m，导水裂隙带最大高度不超过192m，避免导水裂隙带发育对上覆关键隔水土的破坏威胁安全生产。
1)结合陕北金鸡滩煤矿117综放工作面，通过采用分布式光纤传感技术和地面钻探水文观测方法相结合方法，揭示陕北侏罗系浅埋特厚煤层综放开采条件下导水裂隙带动态发育特征规律，随着工作面的推进，煤层顶板导水裂隙带增长幅度逐渐增大，当导水裂隙带顶界发育进入关键隔水土层，导水裂隙带增长幅度迅速减小，表明关键隔水土层对导水裂隙带发育有明显抑制作用，随着工作面推进，导水裂隙带最大高度略有减小，导水裂隙带发育未穿透关键隔水土层，实测平均裂采比20.21。
2)通过收集导高实测数据，建立陕北侏罗系煤层开采导水裂隙带发育高度多因素综合预测模型，导水裂隙带高度发育与采厚呈正相关，与工作面斜长呈对数相关，与采深呈对数相关，计算得出KYS1和KYS4导高值为217.34m和214.09m，而实测值为223.75m和220.82m，平均相对误差2.96%，预测模型准确度相对较高。因此，所构建预测模型能够为陕北侏罗系浅埋特厚煤层综放开采导水裂隙带发育研究及保障煤矿安全生产提供科学参考。
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