复合煤层开采覆岩裂隙带发育特征

鲍银辉

(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西 延安 727307)

0 引言

在煤层群开采条件下,重复的采动应力将会导致煤层覆岩的运移过程异于常态[1-3]。为探明复合煤层开采条件下的覆岩裂隙带发育规律,李新旺等[4]利用FLAC3D与微震监测方法对覆岩导水裂隙带高度进行预算,并运用钻孔漏液实测数据进行验证。张玉军等[5]运用钻孔漏失量观测与钻孔窥视法对综放煤层覆岩开采裂隙高度的演化进行分析。孙力等[6]对煤层群下行开采进行工程研究,表明覆岩最大下沉点在采空区后方。上述学者多从现场实验的角度对复合煤层的裂隙带发育特征进行研究。为探明黄陵二矿复合煤层开采对覆岩的重复扰动影响,运用数值模拟与现场实测相结合的方式,对覆岩裂隙带发育规律进行透明化分析。

1 单组工作面复合煤层开采模拟

根据黄陵二矿的工作面地质条件,建立全尺度的数值模拟地质模型,模型建立的过程中考虑的地表的土层发育形态,数值模型如图1所示。模型尺寸为800 m×550 m×350 m。根据黄陵二矿工程地质条件,现阶段主要开采2号及3号煤层,其中2号煤层赋存深度为472.41～476.72 m,平均煤厚约为4.31 m,3号煤层赋存深度为568.82～573.05 m,平均煤厚约为4.23 m。煤层均采用一次采全高开采方式,煤层间距约为92.1 m。模型开采模拟方案为先开采上方2号煤层,待裂隙带发育稳定后开采下方3号煤层,探究复合煤层开采过程的裂隙带发育总高度。数值模拟采用3DEC数值软件,开挖步距为6 m,设置重力模拟上覆岩层的自重,在模型的上下左右和底部边界设置允许变形量为0.2 m,数值模拟岩性参数见表1。

表1 数值模拟岩石参数

图1 复合煤层开采数值模拟Fig.1 Numerical simulation of composite coal seam mining

2 2号煤层开采覆岩破坏规律

选取三维模型工作面开采中部位置(x方向的150 m处、y方向的采空区中部位置)设置剖面,切片处的工作面采后覆岩运移场-裂隙场分布特征如图2、图3所示。

图2 2号煤层工作面开采覆岩运移Fig.2 Movement of overburden on No.2 coal seam working face

图3 2号煤层工作面开采裂隙场发育Fig.3 Development of mining fracture field on No.2 coal seam working face

以此分析2号煤层工作面回采过程中的覆岩运移场-裂隙场演化规律。

工作面回采120 m后,顶板产生弯曲变形,出现明显的垮落现象,从三维模型可以看出,工作面开采120 m后,采空区顶板中部区域产生明显破坏,上部覆岩弯曲变形明显,且采空区中部的覆岩运移变化明显大于两端的特征;工作面开采至120 m的裂隙带发育高度达到35.62 m,垮落高度达到6.73 m。

工作面开采240 m后,采空区顶板中部区域产生明显破坏,上部覆岩弯曲变形明显,离层空间随工作面推进明显向前发育,覆岩充分开采使得裂隙高度产生明显的向上扩展;走向位置覆岩裂隙场分布特征所得裂隙带高度为71.36 m,垮落的最大高度达到10.37 m。

工作面开采400 m后,采空区顶板中部区域产生明显破坏,上部覆岩形成弯曲变形明显,离层空间随工作面推进明显向前发育,裂隙高度有小范围的增大;裂隙带发育的最大高度为90.54 m,垮落高度达到18.64 m。

工作面开采500 m后,覆岩变形随工作面推进向停采线方向移动,但由于当前开采条件下覆岩变形充分,导水裂隙带发育高度并未明显增大,导水裂隙带发育的最大高度达到90.83 m,垮落带高度为19.35 m。

工作面开采结束后,采空区顶板中部区域产生明显破坏,上部覆岩弯曲变形明显,离层空间随工作面推进明显向前发育。走向位置覆岩裂隙场分布特征所得裂隙带高度为88.59 m,采空区中部倾向位置所作剖面的覆岩受压较强,对比三维模型,2号煤层工作面开采结束的裂隙带发育最大高度90.83 m,垮落高度达到19.35 m,达到采高的30.28倍。

3 3号煤层开采覆岩变化规律

选取三维模型工作面开采中部位置(x方向的150 m处、y方向的采空区中部位置)设置剖面,切片处的工作面采后覆岩运移场-裂隙场分布特征,如图4、图5所示。以此分析3号煤层工作面回采过程中的覆岩运移场-裂隙场演化规律。

图5 3号煤层工作面开采裂隙场发育Fig.5 Development of mining fracture field on No.3 coal seam working face

工作面开采120 m后,采空区顶板中部区域产生明显破坏,上部覆岩弯曲变形明显,离层空间随工作面推进明显向前发育,覆岩充分开采使得裂隙高度未产生明显的向上扩展;工作面由60 m至120 m的开采过程中,两煤层间的中间岩层持续破断,使得裂隙逐渐发育并贯穿中间岩层,从而形成上下2处裂隙带的融合并充分发育的过程,该区间的工作面推进过程中裂隙带发育高度明显增大;采空区中部倾向位置所作剖面的覆岩受压较强,倾向位置的覆岩裂隙带高度相对较小,裂隙带发育最大高度为134.52 m,垮落高度达到48.61 m。

工作面开采240 m后,形成的导水裂隙带已经完全超过上组煤。切眼上方及工作面推采位置后方顶板发育有明显的垂向裂隙带,裂隙带发育最大高度为231.57 m,垮落高度达到58.29 m。

工作面开采400 m以后,裂隙带相对于采至300 m处时有大幅度增大,随着工作面推进,覆岩破坏范围在横向上不断扩大,纵向上也持续向上发育,切眼和推采位置后方的顶板上仍然存在明显的裂隙发育带,发育高度为336.24 m,垮落带高度为60.11 m。

工作面开采400 m至推采结束区域,裂隙带发育高度增幅相对有限,受采宽限制,裂隙带发育高度达到极限值,工作面走向推采长度对裂隙带发育高度的影响非常有限,即在约400 m以后,工作面基本处于充分采动的状态,回采结束后,3号煤层工作面垮落高度达到60.59 m,采空区中部模型倾向与走向剖面的裂隙带最大高度为345.53 m。

下层煤开采造成上覆岩层的重复扰动,致使覆岩裂隙带二次发育,下方3号煤层开采后导水裂隙带增大了约42%～46%,导水裂隙带波及范围明显增加。复合煤层开采所形成导水裂隙带高度明显大于单煤层开采导高,总体增大了9%～15%。

4 3号煤层采前裂隙实测分析

采用钻孔探测方法对采动裂隙的实际发育形态进行分析。主要成果包括:2号煤层工作面上覆施工DG1孔进行取芯探查到少量采动裂隙(未作钻孔窥视);3号煤层工作面开采前,在地面导水裂隙探查过程中,施工了LD1和LD2钻孔,进行覆岩破坏规律探查和裂隙发育情况窥视。重点结合窥视结果定量评价2号煤开采后造成的地层裂隙展布规模及分布特征。

DG1钻孔施工过程中在基岩段进行全孔取芯。据统计,在钻进过程中,在孔深9.10～16.50 m、26.00～45.01 m、75.10～75.40 m、251.10～258.50 m等处存在钻井液大量漏失的现象。同时,256.12～257.50 m处存在明显的劈状裂隙如图6所示,被部分黄泥充填,充填宽度约0.1～1 cm,是明显的采掘扰动破坏痕迹。

图6 DG1钻孔探查的明显采动裂隙Fig.6 Obvious mining-induced fractures probed by DG1 borehole

由图6可以看出,在2号煤层工作面回采完毕之后,地层中仍保留有规模较大的采动裂隙,使得赋水空间增大,部分裂隙被地层中泥岩类物质充填。

LD1、LD2钻孔位于3号煤层工作面上部,施工过程中进行全孔取芯与钻孔窥视。重点结合钻孔窥视成果分析裂隙发育规模和尺度,部分裂隙照片如图7所示。

由图7可以看出,地层中仍保留有部分采动裂隙,多为垂直裂隙,在远离3号煤层上方的LD2钻孔成像内,裂隙发育较为明显,张开度较高,在靠近3号煤层上方的LD1钻孔,岩性杂质部分明显降低,裂隙的张开度较低,有较为明显的分层性特征。

由此可知,黄陵二号煤矿2号煤开采后,含水层受开采扰动影响,裂隙较为发育且持续时间较长。较大规模裂隙发育给含水层赋水提供了良好条件。

5 覆岩裂隙带发育特征综合分析

导水裂隙带发育高度与采厚、采宽的关系密切,随着采厚的增加,导水裂隙带发育高度相应增加[7-8]。对厚煤层开采来说,增大其初次采厚或进行全层一次开采会导致冒裂带高度明显增大[9-10];采宽是控制工作面导水裂隙带发育高度的重要因素之一,一般来说采宽的增大会明显导致导水裂隙带发育高度增大[11-12];综采工作面与综放工作面形成的导水裂隙带差异本质上还是采厚不同所致。

根据数值模拟开挖过程数据分析,导水裂隙带随推进度持续增大,但受采宽限制,导水裂隙带在发育到一定高度以后,便会保持稳定,不会随工作面长度增大而有明显增大;2号煤层在推采至0～300 m(约1.5倍采宽)时导水裂隙带随推进度持续增大,在300 m以后,基本保持稳定;在2号煤层已采的情况下,3号煤层回采在0～400 m(约2倍采宽)时导水裂隙带随推进度持续增大,在回采300～400 m区域导高向上发育速率大,400 m以后导水裂隙带发育高度基本保持稳定。

综上所述,下组煤复合开采条件下,形成的垮落带及导水裂隙带高度已经明显超出上组煤形成的垮落带及导水裂隙带高度,垮落带增大37%～56%,导水裂隙带增大约42%～46%,导水裂隙带波及范围明显增加。对比黄陵二号煤矿周边矿井3号煤层开采参数相近工作面采后导水裂隙带发育高度实测成果,复合煤层开采所形成导水裂隙带高度明显大于单煤层开采导高,总体增大了9%～15%。

6 结论

(1)根据数值模拟结果,2号煤层工作面开采结束的裂隙带发育最大高度为90.83 m,垮落高度达到19.35 m,达到采高的30.28倍。3号煤层工作面开采400 m至推采结束区域,裂隙带发育高度受采宽限制达到极限值。垮落高度达到60.59 m,采空区中部模型倾向与走向剖面的裂隙带最大高度为345.53 m。

(2)在2号煤层工作面回采完毕后,地层中仍保留有规模较大的采动裂隙,部分裂隙被地层中泥岩类物质充填。在远离3号煤层上方的LD2钻孔成像内,裂隙发育较为明显,张开度较高,在靠近3号煤层上方的LD1钻孔,岩性杂质部分明显降低,裂隙的张开度较低,有较为明显的分层特征。

(3)下组煤复合开采条件下,形成的垮落带及导水裂隙带高度已经明显超出上组煤形成的垮落带及导水裂隙带高度,垮落带增大37%～56%,导水裂隙带增大约42%～46%。复合煤层开采所形成导水裂隙带高度明显大于单煤层开采导高,总体增大了9%～15%。