辛置煤礦采空區(qū)上方送巷可行性及送巷層位設(shè)計(jì)

楊新華,宋孝平

(1.山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西霍州 031400;2.天地科技股有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

辛置煤礦采空區(qū)上方送巷可行性及送巷層位設(shè)計(jì)

楊新華1,宋孝平2

(1.山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西霍州 031400;2.天地科技股有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

通過(guò)采用鉆孔水位漏失量和彩色鉆孔電視觀測(cè)的方法,對(duì)辛置礦 2號(hào)煤采空區(qū)上方巖層結(jié)構(gòu)和采動(dòng)破壞情況進(jìn)行了觀測(cè),對(duì)在該采空區(qū)上方能否送巷進(jìn)行了可行性論證,并且根據(jù)覆巖破壞高度設(shè)計(jì)采空區(qū)上方 450膠帶運(yùn)輸巷的合理送巷層位。

采空區(qū);送巷層位;鉆孔電視;漏失量;覆巖破壞

Feasibility of Driving Roadway over Gob and Roadway Horizon Selection in XinzhiColliery

辛置煤礦是一個(gè)老礦井,隨著開拓水平的延伸和開采能力的加大,運(yùn)輸能力不足,現(xiàn)有運(yùn)輸系統(tǒng)環(huán)節(jié)過(guò)多,安全壓力大。為了提高運(yùn)輸系統(tǒng)的能力,減少運(yùn)輸環(huán)節(jié),減輕大巷軌道運(yùn)輸安全壓力,滿足生產(chǎn)需要,辛置煤礦決定在南五采區(qū)的 2號(hào)煤采空區(qū)上方送一條 450膠帶運(yùn)輸大巷,大巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度 1680m,要通過(guò) 3段 2號(hào)煤采空區(qū),采空區(qū)總長(zhǎng)度約 390m。

巷道通過(guò)區(qū)域內(nèi) 2號(hào)煤平均埋深 300m,基巖平均厚度 205m,沖積層厚度約 95m,能否在采空區(qū)上方送巷和合理確定送巷的位置是本文論證的主要內(nèi)容。

1 450運(yùn)輸巷通過(guò)采空區(qū)區(qū)域及采礦地質(zhì)概況

設(shè)計(jì)的 450膠帶運(yùn)輸巷為西北 -東南方向,巷道從西北到東南將從 3處煤采空區(qū)上方通過(guò),第 1處為 2-101工作面,450膠帶運(yùn)輸巷將從工作面停采線邊緣通過(guò),工作面采寬 150m,高檔普采,開采煤層為 2號(hào)煤層,采高 3.4m,采深 300m左右,開采時(shí)間為 1989年;第 2處為 2-211,2-212,2-213工作面,工作面開采寬度均為 40m,開采煤層為 2號(hào)煤層,開采時(shí)間為 1990～1991年,平均采高 3.4m,分層炮采,分層開采厚度 1.7m,采深為 280～300m。煤層上覆基巖厚 180～200m,以粉、細(xì)砂巖為主;第 3處為 2-316工作面開切眼部位,工作面開采寬度為 40m,開采煤層為 2號(hào)煤層,開采時(shí)間為 1999年,條帶綜采,采高3.3m,采深 300～350m。從巷道西北到東南,2號(hào)煤的標(biāo)高由高到低。

2 采空區(qū)上方覆巖破壞觀測(cè)

2.1 觀測(cè)鉆孔位置選擇

鉆孔位置的選擇原則是在該區(qū)要具有代表性。450大巷通過(guò)的 3處采空區(qū),在第 1處和第 3處分別從工作面的邊緣通過(guò)。第 1處為長(zhǎng)壁高擋工作面;第 3處為條帶采區(qū),采動(dòng)極不充分;在第 2處從開采區(qū)域中部通過(guò),并且巷道通過(guò)的開采區(qū)域面積大,采動(dòng)相對(duì)充分。因此,鉆孔位置選擇在采動(dòng)較為充分的第 2處采空區(qū)的 2-211工作面區(qū)域。鉆孔從地面施工,鉆孔工程量為 350m,鉆孔終孔層位為 2號(hào)煤層底板,鉆孔基巖部分全部取芯。

2.2 鉆孔揭露的地層情況

鉆孔揭露的基巖界面深度為 99.60m,基巖風(fēng)化帶深度為 150.85m,風(fēng)化帶厚度 50m左右,風(fēng)化裂隙較發(fā)育,均為斜交層面的小裂隙,部分裂隙充填或半充填。

二迭系巖性以泥巖、粉砂巖和中細(xì)砂巖組成,厚度 185.4m,泥巖為灰綠色 -紫紅色為主,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),質(zhì)軟,具滑面;砂巖為灰綠色 -灰色,粉、細(xì)砂巖為主,塊狀,較堅(jiān)硬,裂隙發(fā)育近垂直,被方解石充填。

2.3 鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)

實(shí)踐研究表明,煤層開采后上覆巖層破壞和擾動(dòng)由“三帶”組成,即垮落帶、斷裂帶和彎曲帶(或叫整體下沉帶)。鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)方法(簡(jiǎn)稱為鉆孔沖洗液法)是一種最傳統(tǒng)的、最可靠的確定上覆巖層受采動(dòng)后其導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶發(fā)育高度的方法,此方法是通過(guò)直接測(cè)定鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位、鉆進(jìn)速度、卡鉆、掉鉆、鉆孔吸風(fēng)、巖芯觀察及地質(zhì)描述等資料來(lái)綜合判定垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度及其破壞特征的一種方法。

由于上覆巖上部為黃土沖積層,厚度約 100m,這部分鉆孔需要下套管護(hù)壁,因此,鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)從基巖開始,即始于孔深 108.0m。

開始鉆進(jìn)時(shí)鉆孔沖洗液漏失量消耗不大,在孔深 138m左右,漏失量增大,達(dá)到 0.3L/s·m,可見在此處巖層原生裂隙發(fā)育較大,基巖風(fēng)化嚴(yán)重。此后,一直鉆進(jìn)至孔深 179.55m,鉆孔沖洗液漏失量消耗時(shí)大時(shí)小,可見此段部分巖層原生裂隙較發(fā)育。在孔深 180～261m段,漏失量消耗一直穩(wěn)定在 0.01L/s·m左右,因而此段巖層發(fā)育完整。在孔深 261.8m處,漏失量突然增大至 0.2L/s·m左右,從現(xiàn)場(chǎng)取芯來(lái)看,巖層發(fā)育較大的縱橫交錯(cuò)裂隙,由此可以判斷該處巖層受到了采動(dòng)影響,進(jìn)入了裂縫帶范圍。但部分裂隙已密實(shí),這是由于開采時(shí)間較長(zhǎng),部分巖層已進(jìn)入穩(wěn)定壓實(shí)階段的結(jié)果。在孔深 278.37m處,漏失量消耗達(dá)到 0.66L/s·m左右,在 283.8m處鉆孔沖洗液全部漏失,孔口不再返水,從現(xiàn)場(chǎng)取芯看,巖芯破碎成塊狀,可見巖層已進(jìn)入采空區(qū)上方垮落巖層范圍之內(nèi)。在該孔位處 2號(hào)煤層頂板的埋深為 284.78m,由此可以判斷,受煤層開采所形成的裂縫帶高度為 22.98m,垮落帶高度為 6.41m。

2.4 彩色鉆孔電視觀測(cè)

井下彩色電視系統(tǒng)是專門用于鉆孔內(nèi)部成像的觀測(cè)系統(tǒng),可對(duì)采空區(qū)上覆巖層破壞進(jìn)行有效觀測(cè)。用彩色鉆孔電視系統(tǒng)結(jié)合鉆孔沖洗液漏失量來(lái)觀測(cè)巖層的裂隙發(fā)育和漏水情況,可以確定采空區(qū)覆巖的垮落帶、斷裂帶的發(fā)育高度。鉆孔電視實(shí)測(cè)截圖見圖 1。

圖1 鉆孔電視巖層實(shí)測(cè)截圖

彩色鉆孔電視觀測(cè)從孔深 100m開始,觀測(cè)至孔深 178m處,由于進(jìn)入了采動(dòng)垮落帶范圍之內(nèi),孔壁破碎嚴(yán)重,影響了探頭下放,觀測(cè)工作結(jié)束。

根據(jù)觀測(cè),基巖界面以下,即孔深 117.9～128.4m段巖層,風(fēng)化較嚴(yán)重,裂隙較發(fā)育?？咨?00m以下,即孔深 204.5～250m為完整巖層段,這段巖層以砂巖為主,層理明顯,巖層發(fā)育完整;孔深 254～263m段巖層發(fā)育明顯裂隙,灰黑色的頁(yè)巖段;孔深 273.5～278m巖層段,裂隙以縱向?yàn)橹?縱橫交錯(cuò),是受采動(dòng)影響最為劇烈的巖層段。由此可得,在孔深 254m以上段巖層,即距離2號(hào)煤層頂板 30.75m以上巖層 (2號(hào)煤頂板孔深為 284.75m),整體發(fā)育較完整,完整巖層占整個(gè)巖層的比例較大,只在部分巖層段發(fā)育微小裂隙。

3 采空區(qū)覆巖巖層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

煤層開采后,上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。在垮落帶,巖層破裂成塊狀,巖塊之間存在較大的縫隙。在斷裂帶,巖層產(chǎn)生斷裂、離層、裂隙,巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在彎曲帶,巖層基本呈整體下沉,破壞輕微?？迓鋷А嗔褞У膸r層雖經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的壓實(shí),仍不可避免地存在一定的裂隙和離層,抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度明顯低于原始巖體的強(qiáng)度,其巖體結(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),但不能承受較大外力擾動(dòng)。因而,對(duì)采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)是巷道合理層位選擇的關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)采空區(qū)上方覆巖的鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè),鉆孔電視探測(cè)以及力學(xué)分析,可以得到,由于對(duì) 2號(hào)煤層的開采,所形成的垮落帶的高度為6.41m,斷裂帶的高度為 22.98m,也就是在標(biāo)高461.7m(該處地表標(biāo)高為 723.502m)以下巖層屬于采動(dòng)影響范圍,在該層位巖層裂隙發(fā)育,破碎,屬于極不穩(wěn)定巖層。

從鉆孔電視探測(cè)結(jié)果來(lái)看,由于距離開采時(shí)間較長(zhǎng),因而受采動(dòng)形成的裂縫已趨于被壓實(shí),逐漸趨于穩(wěn)定階段。而從整個(gè)鉆孔的巖層柱狀展開圖來(lái)看,在第四系以下 50多米,是屬于風(fēng)化的基巖段,在該層位原生裂隙較發(fā)育,屬于不穩(wěn)定巖層。而在孔深 200～250m巖層段,也就是標(biāo)高 523.5～473.5m段,巖層發(fā)育完整,巖性以砂巖為主,尤其是在孔深 240～250m段,即在該孔位置處,距離 2號(hào)煤層頂板 34.75～44.75m巖層段,巖層發(fā)育尤其完整,因而在該層位巖層的穩(wěn)定性較好。同時(shí),從巖體強(qiáng)度來(lái)看,頂板屬于中硬 -堅(jiān)硬覆巖,屬于穩(wěn)定 -非常穩(wěn)定圍巖類別。

上述分析結(jié)果是在鉆探及觀測(cè)基礎(chǔ)上得出的,鉆孔的位置選取在第 2處采空區(qū)處,在第 1處和第3處采空區(qū)沒有布置鉆孔。根據(jù)區(qū)域鉆孔資料,這3處 2號(hào)煤采空區(qū)上覆基巖層巖性基本相同,基巖厚度均約 200m。450大巷從第 2處采空區(qū)上方通過(guò)區(qū)域面積大,采動(dòng)相對(duì)充分;而通過(guò)第 1處和第3處采空區(qū)上方,只是從采空區(qū)上方邊緣通過(guò),對(duì)于 450大巷來(lái)講采動(dòng)極為不充分,也就是說(shuō),這兩處的覆巖破壞高度要小于第 2處的覆巖破壞高度。因此,第 2處能夠滿足送巷要求,同樣在第 1、第3處也能夠滿足送巷要求。

4 450膠帶運(yùn)輸巷合理層位選擇及位置確定

綜合考慮以上影響因素以及對(duì)巖層穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià),450運(yùn)輸大巷通過(guò) 2號(hào)煤采空區(qū)上覆巖層的層位應(yīng)選在裂縫帶上方穩(wěn)定的完整巖層內(nèi)。根據(jù)鉆孔鉆探結(jié)果和觀測(cè)成果,孔深 242～248m段,也就是標(biāo)高 481.5～475.5m段,即距離 2號(hào)煤層頂板 36.75～42.75m段 (2號(hào)煤頂板埋深284.75m),該區(qū)域?yàn)橥暾暮駥訝钌皫r,巖層穩(wěn)定,受采動(dòng)的影響程度較小,處于斷裂帶上方,且具有 14m的隔離巖柱,是 450大巷送巷較為理想的層位。因此,在鉆孔位置,450運(yùn)輸大巷的層位應(yīng)選擇在孔深 242～248m砂巖段內(nèi)。巷道位置的層位高度要按實(shí)際煤層角度調(diào)整。

對(duì)于整條巷道,由于煤層有一定的傾角,在該孔位置孔深 242～248m的砂巖段在井田范圍內(nèi)屬于穩(wěn)定巖層,因此,應(yīng)根據(jù)巖層傾角布置巷道。

5 主要結(jié)論

(1)通過(guò)取芯鉆探、彩色鉆孔電視、巖層漏失量觀測(cè)分析和綜合評(píng)價(jià),450運(yùn)輸大巷在采空區(qū)上方送巷是可行的。

(2)由觀測(cè)孔探測(cè)得到開采 2號(hào)煤層所形成的斷裂帶的高度為 22.98m,垮落帶的高度為6.41m,在采動(dòng)影響范圍內(nèi),巖層破碎,裂隙比較發(fā)育。

(3)由鉆孔巖芯和鉆孔電視探測(cè)結(jié)果可知,在整個(gè)鉆孔揭露的巖層中,基巖面以下 50多米屬于基巖風(fēng)化帶范圍,巖層裂隙發(fā)育;在孔深 200～250m范圍內(nèi)巖層發(fā)育完整,巖性以砂巖為主。

(4)通過(guò)對(duì)所取巖樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)得知,巖體屬于中硬 -堅(jiān)硬覆巖,屬于穩(wěn)定 -非常穩(wěn)定圍巖類別。

(5)綜合以上對(duì) 2號(hào)煤采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評(píng)價(jià),450運(yùn)輸大巷的合理層位選擇在該鉆孔位置孔深 242～248m段,也就是標(biāo)高 481.5～475.5m砂巖段。

(6)對(duì)于整條巷道,應(yīng)以鉆孔位置為準(zhǔn),按巖層傾角布置在距離 2號(hào)煤層頂板以上 36.75～42.75m的砂巖段中。

[1]煤炭科學(xué)研究總院北京開采所 .煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1981.

[2]宋孝平 .我國(guó)中西部黃土山區(qū)地表?xiàng)l帶開采及地表移動(dòng)規(guī)律[A].煤炭科學(xué)研究總院開采研究所 .地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐新進(jìn)展 [C].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

TD823.83

B

1006-6225(2010)01-0032-03

2009-09-28

楊新華 (1961-),男,山西洪洞人,高級(jí)工程師,博士,長(zhǎng)期從事生產(chǎn)一線技術(shù)管理工作。

鄒正立]