水力测试法在煤层底板破坏探测试验中的应用.pdf

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2012年第6期中州煤炭总第198期水力测试法在煤层底板破坏探测试验中的应用王海平，崔芳鹏，仝亚男，崔芳静(1．霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿，山西霍州031414；2．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083；3．山东邹城高级职业技术学校，山东邹城273500；4．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头014010)摘要：针对团柏煤矿下组1O煤带压开采的现状，对该煤层10—115工作面开采引起的底板破坏深度采用水力测试法进行了探测。结果表明：①从定压进水量测试结果看，在煤层开采过程中底板岩层因矿压增减发生了裂隙收缩与扩张，采面距在0～25m阶段底板最为薄弱，此后底板裂隙进入收缩的恢复阶段，但裂隙的闭合性又远远低于原始状态；②从起始水压测试结果看，10煤底板的矿压直接破坏深度为9．4m，其下的扰动带岩层抗水压强度明显减弱，矿压与扰动破坏深度共计12m。关键词：水力测试；底板破坏；起始水压测试；进水量测试中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：1003—0506(2012)06—0014—04ApplicationofHydraulicTestMethodinFloorDamageTestofCoalSeamWangHaiping，CuiFangpeng，TongYanan，CuiFangjing(1．TuanbaiCoalMine，HuozhouCoalElectricityGroupCo．，Ltd．，Huozhou031414，China；2．CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing100083，China；3．ZouchengSeniorVocationalTechnicalSchoolinShandongProvince，Zoucheng273500，China；4．CollegeofArchitectureandCivilEngineer，InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology，Baotou014010，China)Abstract：Aimingatthestatusquoof10coalseamminingundersafewaterpressureofaquiferinlowerseriescoalofTuanbaiCoalMine，hydraulictestmethodwasappliedtodetectthedamagedepthofthe10coalseamfloorduetominingin10—115workingface．Theresultsshowthatthereisaprocessoffracturesshrinkandexpansionduetominepressureincreasingordecreasingduringcoalmin—ingaccordingtotestresultsoftheconstantpressurewaterinflow．Coalfloorwhereisapartfromminingfacebetween0to25metersistheweakest．Later，floorfracturesbegantoshrink，however，theclosureextentofthesefractureswaslowerthanoriginalstate．Itisshownfromthetestresultsofstartingwaterpressurethatthedirectfracturaldepthinfloorduetothe10coalseamminingis9．4meters，thecapabilityofanti—hydraulicpressureoftherocklayerdecreasesobviouslyindisturbancebeltundercoalfloor．Thetotaldepthofrockpressuredamageandfracturaldepthis12meters．Keywords：hydraulictest；coalfloordamage；startingwaterpressuretest；waterinflowtest团柏煤矿是山西焦煤霍州煤电集团的主力生产现开采10煤层，该煤层位于K含水层和O含水矿井之一，2005年核定矿井生产能力210万t／a。层之间，为带压开采，开采中受下伏奥灰强含水层的井田主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山突水威胁，由于该煤层底板距奥灰顶板平均仅36西组，采用斜井开拓，分2个水平开采，+443121水m，故对其开采引起的煤层底板破坏进行评价，判断平开采1、2煤，+400m水平开采10、11煤层。其是否导通奥灰强含水层，已显得十分迫切与必要。目前，研究承压开采煤层底板采动破坏的方法很收稿日期：2012—03—01多，如理论公式计算、相似材料模型模拟、光弹性试验基金项目：国家自然科学基金资助项目(41102180)；中央高校基本和数值模拟计算等。但以上方法均对工作区作科研业务费专项基金资助(2009QD14)了某种程度的假设和近似，与生产实际情况有不同程作者简介：王海平(1964一)，男，山西临汾人，工程师，1986年毕业度出入，致使评价结果存在误差。因此，需要寻求一于北京煤炭工业学校，现主要从事煤炭开采工作。·14· 2012年第6期王海平，等：水力测试法在煤层底板破坏探测试验中的应用总第198期种能准确还原现场实际情况的原位探测方法。大于80in。水力测试法可以对煤层开采引起的底板破坏深2测试工程布置和实施度进行准确探测，且目前应用较为成熟，可以解决煤层开采时面临的实际问题，进而为煤层进行安全开2．1工程布置采评价提供技术参数和依据。水力测试法在探测煤(1)测试对象。以团柏矿下组煤+400m水平层底板破坏方面已有相关应用，且试验效果良好。首采区右翼10煤的10—115工作面为测试对象，该如煤炭科学研究总院合肥研究所曾用水力测试法测面走向长1660In，倾向长160m，工作面标高+429定了淮北矿区朱庄煤矿26114综采工作面的底板破～+488m，地面标高+705～+828m，上覆岩层平坏深度¨，取得了较好效果。王希良等用注水试验均厚308m，煤层倾角2。～6。(平均4。)，煤厚1．67测试了邢台矿2煤层开采时其底板的破坏深度，为～2．88m(平均厚2．77m)，煤层底板为粉砂岩、泥底板条件类似的9煤层开采提供了科学依据¨。岩互层，中部呈条带状细粒砂岩，开采方法为走向长蒋勤明针对邢东矿大采深的情况，利用现场底板注壁综采，垮落法控制顶板，步距40m。水试验对2121工作面底板采动破坏深度进行了测(2)测孔布置与施工。钻场布置在工作面南边试研究，依据单位注水量的动态变化以及注水孔与10．117工作面轨道巷中的1个临时水仓处，距首采采线之间的距离关系，确定了底板破坏深度。区轨道上山巷150in，距终采线80m。由钻场向北边的10—115工作面底板打斜孔。共施工5个孔(图1水力测试原理与方法1、表1)，总工程量119m，诸孔裸孔段始端与10煤(1)用侵(压)水量测定矿压扰动程度。所依据底板相距分别为5．0，7．0，9．4，9．5，12．0m，其中的是保护层(隔水层)渗流公式(式(1))：1、2、4三孔裸孔段长2m，3孑L裸孔长29m，5孔△P一△P裸孔长37m，钻孔裸段直径89mm。Q：K——了—旦=K(，一，0)tO(1)L式中，K和分别为含水层和隔水层的渗透系数；L1o一1轨道’l胶带巷llO煤lO一115工作面和(cJ分别为渗流长度和截面积；，为水力梯度；Io为起始水力梯度；△P培为起始水压差；△P为水压差。当岩层裂隙因矿压而张开时，变大而，n变一’’。．～__-．-．f+．．．‘J～1C寸一、粗---、．-l小。因此，同压下Q增大，当岩隙因矿压而闭合时则反之，Q减小。单位：m(2)用起始水压(P始)测定矿压直接破坏深度。图1测孔布设剖面当底板因矿压而变为完全导水时，P始和，0应为0。因此，压水时P始=0或接近0的深度便是矿压直接表1底板钻孔资料破坏深度。(3)用起始水压的变化测定底板抗水压强度因矿压扰动而减弱的程度。底板裂隙因矿压扰动而扩张，起始水压会变小，用减小的比例评价抗水压强度减弱的程度。例如，测得无压力时P始=1MPa，有压力时P始=0．5MPa，表明测段岩层抗水压强度大体减弱了一半。对煤层底板不同深度的岩石段进行压水试验，总计127．072．0199．0在采面到前和采面过后的采煤过程中，测取不同水压下的进(侵)水量。这样对每一个深度段都可获施工的5个钻孔中，1、2、4为干孔，3、5孔涌得以下2项：①同一水压下进水量在采煤过程中的水。3孔在孔深39m时遇细粒砂岩出水，水压0．07变化；②起始水压在采煤过程中的变化，包括变为0MPa，流量0．21TI。／h；在孔深55m(终孔)时遇石英或接近0。采前始测时间控制在测点与采面的距离砂岩出水，水压0．102MPa，总流量1．62Ill。／h。5·15· 2012年第6期中州煤炭总第198期孑L在孔深29．5m时遇薄层灰岩出水，水压0．09(3)涌水钻孔流量和水压观测。观测涌水的MPa，流量0．5m／h；在孔深40m左右遇细粒砂岩3、5钻孔在采煤过程中的涌水量和水压。3孔在又出水，水压0．11MPa，总流量1．1m／h。孔深30m处用橡胶隔水器将孔阻隔成2段，下段观2．2测试实施测流量和压力，上段(距煤层底面9．4m)进行压水∞(1)压水水源。测孔起始水压高时，用井下供试验。在采煤过程中，两孔流量和压力的变化不明水管中的水，其压力为1～2MPa。起始水压低时，显。本测试主要针对各钻孔进行不同采面距(与采为便于操作和稳定水压，使用出水钻孔(5孔)的出煤面的距离)的压水试验。水，其压力为0．11MPa。3测试结果(2)钻进逐段压水试验。在钻孔施工过程中，=g进行不同孔深的压水试验，表2为5孔在不同孔深对1、2、3、4钻孔进行了不同采面距、不同水不同水压下的进水流量记录。压的压水试验。测试起始，观测采帅面距大于+150m，历时74d，到采面至终采线(一80m)图止，采面距72表2底板5测孑L钻进逐段压水进水流量采到前取正，采过后取负。1、2、4测孔埋深分别孔深／进水流量／(L‘min)孔深／进水流量／(L·rain)为5，7，12m，这里的埋深即为钻孔测段与10煤层m02MPaO5MPa1．OMPm0．2MPa0．5MPa1．OMP∞MP25．O0039．O0．700300．67底板的距离。27．0O110184500．400．640．823．1定压进水量测试结果29．00360．535O50．37O．56O．833250220420．7554．60．390．60086将1、2、4钻孑L在0．8MPa水压不同不榧采面距的36．O0．180．430．8058．50．050．490．79如同进水量资料绘制成曲线(图2)，经分析看采出：面距孵水眦曲滩一线如49(1)4孔进水量的变化是典型的，在采面距达动便显现出来，在采面接近测点时(如L<20m)，底20m之前进水量是波动的。板裂隙因增压而收缩，采过后因减压而扩张，这种扩(2)在采面距达20m之后，4孔进水量因岩层张在采过20m之内可达到峰值。因此，采面距为0裂隙收缩(采动附加压力为正，即增压)而处于减小～25m的阶段是底板最薄弱的时期，此时期以后底状态，甚至为0。板裂隙进入收缩的恢复阶段，但裂隙的闭合性又远(3)当采面到达测点后钻孔进水量因裂隙扩张远低于原始状态。(附加压力为负值，即减压)而明显增大，在采过6～3．2起始水压测试结果20m时可达到峰值，为前值的6倍以上。图3为根据各孔不同采面距起始水压绘制成的(4)过了峰值(L<一20m)，钻孑L进水量呈减小曲线。1-4钻孔埋深分别为5，7，9．4，12m。经分趋势，但很缓慢。析可知：钻孔进水量的变化真实反映了底板岩层因矿压(1)2和4测试孔起始水压(P始)变化较典型。增减而导致裂隙收缩或扩张的过程。综合以上情况在采面临近测点之前，起始水压随采面距的减小、得出结论：在采面距达到140m后，矿压对底板的扰采动附加压力的增加(使裂隙闭合)而变大，在16．16． 2012年第6期王海平，等：水力测试法在煤层底板破坏探测试验中的应用总第198期～6m时达到峰值。此后，因减压裂隙扩张而迅速后，尸始开始恢复(增大)，但趋势平缓(1孔恢复较减小，L=一2．5，一20．0，一25．0m时，起始水压达快)。总体而言，在恢复后，至少在恢复前期底板的到低谷，在L=一2．5m时达最小值。L<一25m阻水抗压强度要明显小于原始值。1501351201059075604530150—15—305—60—75—90采面距，m图3各埋深钻孔不同采面距起始水压(2)起始水压最小值接近0。2钻孔(距煤底h参考文献：=7m)起始水压为0．001MPa，视作0(无阻水能力)；3钻孔(h=9．4in)为0．015MPa，接近0(阻水[1]臧思茂，崔芳鹏，王书强，等．团柏煤矿下组煤开采底板突水防治技术与对策[J]．煤炭科学技术，2011，39(6)：93-97．能力接近无)；4钻孔(h=12m)为0．11MPa(略具[2]吴晓利．霍州团柏煤矿下组煤底板水害脆弱性评价与防治对阻水能力)。策研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2010．(3)矿压破坏深度定为12tTI。测段距煤层底板[3]唐春安，张永彬．岩体间隔破裂机制及演化规律初探[J]．岩石12in的4孔，其起始水压原始值平均为0．45MPa，力学与工程学报，2008，27(7)：1362—1369．最小值为0．11MPa，后者阻水能力为前者的24％，[4]山西省煤炭地质公司．团柏煤矿生产矿井地质报告[R]．霍说明在矿压直接破坏带下存在矿压扰动带，在扰动州：霍州煤电团柏煤矿，2008．[5]西北有色勘测工程公司．团柏煤矿下组煤带压开采水文地质带岩层的抗水压强度明显减弱。因此，10煤底板的条件研究报告[R]．霍州：霍州煤电团柏煤矿，2009．矿压直接破坏深度为9．4rn，其下的扰动带岩层抗[6]董青红．薄煤层底板采动影响深度规律研究[J]．岩石力学与水压强度明显减弱，综合这两种因素可得矿压与扰工程学报，2005，24(A01)：5237-5242．动破坏深度共计为12Ill。[7]郭文兵，邹友峰，邓喀中．煤层底板采动导水破坏深度计算的神经网络方法[J]．中国安全科学学报，2003，13(3)：34-37．4结论[8]刘洋．矿山压力对煤层底板破坏深度的数值分析[J]．西安科技大学学报，2008，28(1)：11-14．(1)从定压进水量测试结果看，在煤层开采过[9]武强，赵苏启，李竞生，等．《煤矿防治水规定》编制背景与要点程中底板岩层因矿压增减发生了裂隙收缩与扩张，[J]．煤炭学报，2011，36(1)：70-74．在采面接近测点时底板裂隙因增压而收缩，采过后[1O]武强，张志龙，马积福．煤层底板突水评价的新型实用方法I——因减压而扩张，采面距在0～25m的阶段是底板最主控指标体系的建设[J]．煤炭学报，2007，32(1)：4247．薄弱的时期，此后底板裂隙进入收缩的恢复阶段，但[11]陈正生．钻孔注水观测底板受采动破坏的尝试[J]．江西煤炭科技，1997(4)：34．35．裂隙的闭合性又远远低于原始状态。[12]王希良，梁建民，王进学．不同开采条件下煤层底板破坏深度(2)从起始水压测试结果看，10煤底板的矿压的测试研究[J]．煤，2000，9(3)：22-23．直接破坏深度为9．4m，其下的扰动带岩层抗水压[13]蒋勤明．大采深工作面煤层底板采动破坏深度测试[J]．煤田强度明显减弱，综合以上两方面因素，矿压与扰动破地质与勘探，2009，37(4)：30—33．坏深度共计为12in。(责任编辑：刘欢欢)·17·