近距煤层开采覆岩导水裂隙带高度观测研究
第27卷第1期2010年03月
采矿与安全工程学报
Journal of Mining &Safety Engineering
Vol.27No.1
March 2010
收稿日期:2009210207
基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR2009EM002)
作者简介:栾元重(19632),男,山东省龙口市人,教授,博士,博士生导师,从事“三下”开采设计与变形监测研究.E 2m ail :lyz6615@https://www.wendangku.net/doc/9b11200635.html, T el :0538********
文章编号:167323363(2010)0120139204
近距煤层开采覆岩导水裂隙带高度观测研究
栾元重1,李静涛1,班训海2,桑春阳2,张长琦2,马德鹏2
(1.山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266510;2.微山崔庄煤矿有限责任公司,山东微山 277600)
摘要:为了提高崔庄煤矿近第四系松散层条件下33上01,33下01工作面的开采上限,在确保安全生产的前提下,采用井下打仰上孔测漏水量方法、经验公式预计和数值模拟方法,开展了单独开采3上煤与3上,3下两层煤全采后上覆岩层导水裂隙带高度的研究工作.实测单独开采3上煤与3上,3下两层煤全采后上覆岩层导水裂隙带高度为59.59m 和66.0m ;经验公式预计两值为47.1m 和50.8m ;数值模拟计算两值为53.21m 和62.3m.将实测数据与经验公式预计及数值模拟结果进行了对比分析,仅采3上煤与3上,3下煤全采,上覆岩层冒落带高变化不大,导水裂隙带高增加不超过10m ,研究表明本次实测的结果可靠.关键词:裂隙带高度;数值模拟;覆岩破坏中图分类号:TD 823.8 文献标识码:A
Observational Research on t he Height of Water Flowing Fract ured
Zone in Repeated Mining of Short 2Distance Coal Seams
L UAN Yuan 2zhong 1,L I Jing 2tao 1,BAN Xun 2hai 2,SAN G Chun 2yang 2,ZHAN G Chang 2qi 2,MA De 2peng 2
(1.G eomatics College ,Shandong University of Science and Technology ,Qingdao ,Shandong 266510,China ;
2.Weishan Cuizhuang Coal Mine Limited Liability Company ,Weishan ,Shandong 277600,China )
Abstract :In exploitating coal seam No.33under t he condition of quaternary loose layer in Cui 2zhuang coal mine ,in order to improve t he mining upper limit of t he working faces of bot h up 2per 201and lower 201seams ,we st udied t he height of water flowing fract ured zone of t he over 2burden strata.The result shows t hat t he height is 59.65m when t he upper 23coal seam is ex 2ploited alone and is 66.0m when t he upper 23and lower 22coal seams have been completely ex 2ploited.These two values become 47.1m and 50.8m according to t he empirical formula and 53.21m and 62.3m according to numerical simulation.The comparison between t he measure data wit h t he data by empirical formula and numerical simulation indicates t hat t he height al 2mo st keep s unchanged eit her by exploiting t he upper 23coal seam alone or by completely exploi 2ting bot h t he upper 23and t he lower 23coal seams ,wit h t he height difference being not more t han 10m.So t his measured result is reliable.
K ey w ords :t he height of water flowing f ract ured zone ;numerical simulation ;overburden rock failure
随着科学技术的发展,覆岩导水裂隙带高度研究在煤矿安全生产中越来越受到人们的重视,国内外对覆岩导水裂隙带高度的研究有了较大进展,从覆岩导水裂隙带高度研究现状及发展趋势来看,有如下特点:l )地质原型调研在研究工作中的基础地位继续被人们所重视.2)基础理论和岩(土)体介质基本性质的研究不断加强和深化.3)实例总结和分析进一步得到重视.4)学科综合优势,在覆
采矿与安全工程学报第27卷
岩导水裂隙带高度研究中愈来愈明显.
崔庄煤矿33上01,33下01面皆位于微山湖下,湖水深4～12m ,两工作面基岩和底黏厚度较薄,属于提高开采上限工作面,接近第四系松散层,为此,测定3上,3下两层煤开采上覆岩层导水裂隙带高迫在眉睫[124].
根椐33上01,33下01面井下开采进度,采用井下打仰上孔测漏水量方法[526],共布设3个钻窝,5个钻孔,完成了两工作面覆岩层导水裂隙带高度观测工作,并用经验公式进行了预计,以两工作面为原型建立了FL AC 模型进行了覆岩层导水裂隙带高的模拟计算.
1 覆岩导水裂隙带高度预计
两工作面顶板多为粉砂岩及粗、中、细砂岩和泥岩,地层为中硬,按国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定,关于中硬岩性的冒落带及导水裂隙带高度计算公式,开采后覆岩导水裂隙带高预计为:
1)单独开采3上煤
崔庄煤矿3上煤采厚4.44m ,则
H 冒=100×4.44
4.7×4.44+19±2.2=8.9～13.3m ,
H 裂=100×4.44
1.6×4.44+3.6±5.6=35.9～47.1m ,
式中 H 冒,H 裂分别为冒落带和裂隙带高度,m.
2)开采3上,3下两层煤
根据此规程中关于3上,3下层煤的综合采厚可按以下式计算.
Mz 122=M 2+(M 1-h 122/Y 2),
式中:M 1为3上煤,厚5.22m ,采出率85%,采厚取4.44m ;M 2为3下煤,厚4.05m ,采出率85%,采厚取3.44m ;h 122为3上,3下煤间的法线距离,取7m ;Y 2为3下煤的冒落厚度与采厚之比,取3.5.
则3上,3下综合开采厚度:M z 1-2= 5.88m.计算冒落带及导水裂隙带高度如下
H 冒=100×5.88
4.7×
5.88+19±2.2=10.4～14.8m ,
H 裂=100×5.88
1.6×5.88+3.6
±5.6=39.6～50.8m .
2 矿井开采覆岩破坏数值模拟
1)模型的建立 为了消除应力边界和位移边
界效应,综合考虑分析目的、工作面实际情况,二维
计算模型的长和高分别设置为350m ×90m ,沿采面走向布置,
将属性相似的岩层划分为同一组[7],
共分为12个层组,如图1所示.模型边界条件如下:模型两端的x 方向的位移固定,即边界水平位移为零;底部边界水平、垂直位移为零;顶部为自由边界,根据实际情况施加上覆土层荷载[8210].
图1 岩层图Fig.1 Rock map
2)模拟计算 塑性区法判断覆岩破坏范围,是根据不同的强度和屈服准则,采用不同的岩石力学参数来计算岩石的塑性区范围[11],本文采用Mohr 2Coulomb 破坏准则来判断岩体破坏与否,即
f s =σ1-σ3N φ+2C N φ,
f t =σ3-σt ,
式中:σ1,σ3分别为最大和最小主应力;C 和φ分别
为材料的黏结力和内摩擦角;σt 为抗拉强度;
N φ=(1+sin φ)/(1-sin φ).当f s =0时,材料将发生剪切破坏;当f t =0时,材料将产生拉伸破坏.
塑性区分布见图2.
图2 塑性区分布
Fig.2 Distribution of plastic zones
单采3上煤时,冒落带及导水裂隙带高塑性变形如图2a 所示,3上,3下煤全采时,冒落带及导水
裂隙带高度塑性变形如图2b 所示,计算结果数据如表1所示.
表1 数值模拟结果T able 1 Simulation results
工作面
方案采宽/
m 采厚/
m 冒落带高度/m 导水裂隙带高度/m
33上01面单采142 4.4416.152.333上01面
33下01面
同采
142
4.44344
16.4
62.3
3 33上01,33下01面导水裂隙带高度观测
1)33下01面导水裂隙带高度观测平面布置
在33下01面上巷槽布设两个钻窝,钻窝Ⅰ距
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第1期栾元重等:近距煤层开采覆岩导水裂隙带高度观测研究
33下01面停采线26m ,施工一个采前孔,两个采后
孔.钻窝Ⅱ距33下01面停采线30m ,施工一个采后孔,此处为2008年11月停采.钻窝处底板高程为-169.80m ,对应钻窝1、2钻杆底端标高为-168.60m ,由于3上煤倾角为6°,3下煤为4°,而在各个钻孔方位角方向上煤层倾角为伪倾角,在计算两带高度时要根据各钻孔的具体情况考虑该3上煤层顶板与钻杆底端的高差[12214].
在33下01面下巷槽布设钻窝Ⅲ,距33下01面停采线15m ,施工一采后孔,钻窝处底板高程为-192.00m ,对应钻窝Ⅲ钻杆底端处顶板标高为-189.80m.钻孔施工要素如表2所示.
表2 钻孔施工要素表
T able 2 Drilling hole construction factor
钻窝孔号名称
孔径/mm 方位/(°)仰角/(°)孔深/
m
完成时间/
d
Ⅰ1#采前孔75325
5593.48未受采动影响Ⅰ2#
采后孔75255493.48采后40～50Ⅰ3#采后孔75270
5093.48采后40～50Ⅱ1#
采后孔752704593.48采后40～50Ⅲ1#采后孔7521360
103.36
采后40～50
注意:施工钻孔的孔径为75mm.
2)实测数据注水漏矢量图
以Ⅰ21#孔,Ⅰ22#
孔为例,其注水漏失量测定如图3所示,其余3孔类似.
图3 Ⅰ21#钻孔采前55°,
Ⅰ22#钻孔采后50°注水漏失量
Fig.3 water leakage of Ⅰ21#drilling hole before mining 55°and Ⅰ22#drilling hole after mining 50°
3)导水裂隙带高确定分析
各钻孔实测导水裂隙带高度,见表3.
表3 各钻孔实测导水裂隙带高度m
T able 3 H e Measured W ater conducted zone
of each drilling hole
钻孔号Ⅰ22#
Ⅰ23#
Ⅱ21#
Ⅲ21#
实测值/m 67.5166.1564.4982.27几何改正后/m
66.00
65.30
63.62
64.91
根据采前孔、采后孔的观测资料,及采后孔对比采前孔注水漏失量观测成果,结合各钻孔剖面图知,导水裂隙带高为4个采后孔的导水裂隙带发育高度最大者,即66.0m.
3上,3下煤全采时综合采厚为5.88m ,则裂采比为11.2.
4 各方法结果对比分析
1)仅采3上煤冒落带和导水裂隙带高各法计
算与实测结果
崔庄煤矿完成33上01面覆岩导水裂隙带高的探测,实施了一个采前孔和2个采后孔,测得33上01面导水裂隙带最大高为59.59m ,裂采比为11.9.
仅采3上煤时,各法求得的冒落带和导水裂隙带高如表4所示.
表4 3上煤开采各方法结果对比分析T able 4 Omparative analysis of various methods
of 3upper coal mining results
研究方法冒落带高/m
导水裂隙带高/m
数值模拟16.153.2经验公式计算13.347.1实 测
19.6
59.59
2)3上,3下煤全采时,各方法得到的冒落带和导水裂隙带高如表5所示.
表5 3上、3下煤全采时各方法结果对比分析T able 5 Comparative analysis of various methods
of 3upper and 3dow n coal mining results
研究方法冒落带高/m
导水裂隙带高/m
数值模拟16.462.3经验公式计算
14.850.8实测
-
66.0
3)仅采3上煤与3上,3下煤全采后导水裂隙带
高度对比分析
将仅采3上煤导水裂隙带高度值与3上、3下煤全采后的数值进行对比分析如下:
1)数值模拟结果:冒落带高变化不大,而导水裂隙带高增加了9.1m.
2)经验公式计算:冒落带高度增大1.5m ,导水裂隙带高增加3.7m.
3)实测结果:导水裂隙带高增加6.41m ,这主要是因为3上煤与3下煤间相距7～8m ,影响导水裂隙带高的煤厚并非是3上,3下煤两者采厚之和,而是经换算后的综合煤厚.
5 结 论
1)本次采用井下打仰上孔,双端堵水观测技
术,测得“仅采3上煤时导水裂隙带高最大为59.59
m ,裂采比为11.9,3上,3下煤开采后导水裂隙带高
1
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采矿与安全工程学报第27卷
最大为66.0m,裂采比为11.2”.
2)采用数值模拟法,获得“仅采3上煤时导水裂隙带高最大为53.2m,3上,3下煤开采后导水裂隙带高最大为62.3m”.
3)采用经验公式计算,获得“仅采3上煤时导水裂隙带高最大为47.1m,3上,3下煤开采后导水裂隙带高最大为50.8m”.
可见,数值模拟、经验公式计算所得与实测导水裂隙带高度66.0m基本一致.仅采3上煤与3上,3下煤全采,上覆岩层冒落带高变化不大,导水裂隙带高增加不超过10m,本次实测数据对崔庄煤矿湖下安全开采具有重大的指导作用.
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