導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律動態(tài)監(jiān)測研究

劉 明，張祥維，劉德民

(1.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，北京東燕郊 101601；2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

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導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律動態(tài)監(jiān)測研究

劉 明1，2，張祥維1，2，劉德民1，2

(1.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，北京東燕郊 101601；2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

煤層采出后，上覆巖層要發(fā)生破壞和位移，并具有明顯的分帶性，通常呈現(xiàn)垮落帶、裂縫帶以及彎曲下沉帶。確定煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度可為頂板防治水、采掘工程布置、防水煤柱留設(shè)以及瓦斯抽采設(shè)計提供依據(jù)。由于開采技術(shù)的不斷更新以及地質(zhì)條件的差異，導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫實際發(fā)育高度在不同礦區(qū)有較大變化，有些礦區(qū)的導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度與規(guī)程中的預(yù)測公式的計算結(jié)果并不完全相符，因此需要對其進行現(xiàn)場實測確定實際發(fā)育高度。本文通過對荊各莊礦1196F回采工作面工作面布置導(dǎo)水裂縫帶監(jiān)測系統(tǒng)，瀏覽導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育過程、形態(tài)特征及導(dǎo)水裂縫帶高度，現(xiàn)場監(jiān)測顯示其導(dǎo)水裂縫帶最終發(fā)育高度為28～32m。

導(dǎo)水裂縫帶；頂板防治水；動態(tài)監(jiān)測

0 引言

當(dāng)采用全部垮落法控制頂板時，煤層采出后，采空區(qū)覆巖巖層要發(fā)生變形和破壞，形成明顯的 “三帶”形態(tài)，從下往上依次是垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶[1,2]。其中工作面頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是煤礦防水煤(巖)柱、瓦斯抽采、涌水量預(yù)計等設(shè)計依據(jù)的主要技術(shù)參數(shù)之一，是防治頂板水、采掘工程布置的基礎(chǔ)[3]。而隨著中厚煤層綜合機械化采煤、綜采放頂煤高產(chǎn)高效的采煤新方法全面取代原有落后的普通采煤方法，采煤覆巖運動規(guī)律發(fā)生了重要變化，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[4]中導(dǎo)水裂縫帶高度的經(jīng)驗公式可能存在較大誤差[5-7]，故對荊各莊礦區(qū)1196F綜采工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律進行了動態(tài)監(jiān)測，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式數(shù)據(jù)進行對比分析、補充驗證，以提高導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度檢測的精度。

1 荊各莊礦1196F設(shè)計綜采面概況

1196F設(shè)計綜采工作面位于東一采區(qū)一水平，工作面標(biāo)高-250.00～-297.53 m，地面標(biāo)高為 +23.6～+26.1 m，位于于莊舊址以西290 m，于莊大坑?xùn)|側(cè)，排矸路南側(cè)。主采煤層9煤，該煤層為復(fù)合結(jié)構(gòu)煤層，掘進時會通過采空區(qū)，煤層厚度不穩(wěn)定，范圍在0.8～9.0 m之間，平均煤厚為7.37 m，煤層傾角為3°～10°，平均傾角為6°，煤層產(chǎn)狀及煤厚變化較大。

1196F綜采工作面原設(shè)計走向長約630 m，傾斜長97～99 m，面積約61740 m2，可采指數(shù)Km=1，變異系數(shù)r=38%，煤層穩(wěn)定性較好，見圖1采掘工程平面圖。

圖1 1196F設(shè)計綜采工作面采掘工程平面示意圖

在工程地質(zhì)條件方面，9s煤直接頂巖性為粉砂巖，致密均一，細(xì)膩有滑感，含層狀菱鐵質(zhì)礦物，厚度9.65 m，抗壓強度為43.5 MPa，抗拉強度為3.15 MPa。老頂巖性為細(xì)砂巖，淺灰色～灰白色，內(nèi)含灰褐色細(xì)砂巖條帶，水平層理，植物化石成層分布，厚度為14.94 m，抗壓強度為50.2 MPa，抗拉強度為2.83 MPa。直接底巖性為泥巖，淺黑～深灰色，塊狀含菱鐵質(zhì)結(jié)核，厚度9.78 m，抗壓強度34 MPa，抗拉強度1.75 MPa。

在水文地質(zhì)條件方面，1196E設(shè)計綜采面位于一水平東翼采區(qū)，靠近F3斷層防水煤柱；同時，1196E將通過1194EⅡ、1196Ⅱ和1194Ⅱ采空區(qū)，0190總回風(fēng)巷、1192Ⅱ運道、1192北Ⅱ風(fēng)道與1192北Ⅲ風(fēng)道老硐。因此，該設(shè)計工作面將主要受煤9頂板及以上砂巖裂縫含水層、第四系含水層及老空水的影響與威脅。

2 影響導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育因素

工作面頂板導(dǎo)水裂縫帶高度(導(dǎo)高)受多種因素的影響，分析如下：

(1) 覆巖巖性

覆巖巖性是指煤層頂板巖層強度及其組合情況，即下軟上硬(軟硬)或者下硬上軟(硬軟)的組合情況，覆巖的組合不同，其巖石力學(xué)結(jié)構(gòu)特點就不同，直接影響到導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。

(2) 采厚

煤層采出厚度主要影響頂板垮落空間、支撐穩(wěn)定性等，煤層采厚對裂縫帶高度的影響較大，一般情況下采厚越大裂縫帶高度越大。

(3) 開采深度

一般情況下，工作面圍巖的原巖應(yīng)力，由其上覆巖土體的重力產(chǎn)生，開采深度決定了工作面圍巖地應(yīng)力的大小，圍巖垂直應(yīng)力一般隨著埋深增加而增大，因此，煤層開采深度對頂板導(dǎo)水裂縫帶高度有一定影響。

(4) 煤層傾角

煤層傾角決定采空區(qū)內(nèi)垮落巖塊是否發(fā)生運動，從而影響覆巖破壞狀況和高度。學(xué)界普遍認(rèn)可的成果是，當(dāng)煤層傾角小于35°時，垮落帶和裂縫帶的高度隨煤層傾角增大而緩慢增大；煤層傾角介于35°～45°時，垮落帶和裂縫帶的高度隨煤層傾角增大迅速增長；煤層傾角介于45°～60°時，垮落帶和裂縫帶高度又隨煤層傾角的增大而迅速下降。由此可見，傾角對導(dǎo)水裂縫帶高度影響較大。

(5) 工作面斜長

研究表明，工作面傾向斜長是影響頂板導(dǎo)高的重要因子。導(dǎo)高隨傾向斜長的增長而增加，并存在一個極限值，當(dāng)傾向斜長超過該值時，導(dǎo)水裂縫帶高度不再繼續(xù)增加。

3 導(dǎo)水裂縫帶高度監(jiān)測

3.1 監(jiān)測原理

通過實時監(jiān)測頂板裂縫發(fā)育引起的頂板鉆孔內(nèi)水壓、滲漏流量及變化實現(xiàn)導(dǎo)水裂縫高度監(jiān)測。主要監(jiān)測項目包括：鉆孔內(nèi)水壓及滲漏流量、鉆孔孔口流量及水壓、煤層回采高度、工作面推進位置與推進速度等。最終通過水壓及滲漏量的變化確定垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育位置，分析回采高度、推進速度等因素對導(dǎo)水裂縫帶高度的影響[8]。

3.2 監(jiān)測方案

(1) 監(jiān)測鉆孔

監(jiān)測鉆孔布置于196F風(fēng)巷(與1190皮帶巷

交叉點)以里70 m處，見圖2。鉆孔方位N16°，傾角30°，孔深126 m。監(jiān)測孔向上逆傾向穿越9s煤頂板、9-1s煤和7s煤，終孔層位為7s頂板；同時，監(jiān)測鉆孔穿過了1980年1196I分層的采空區(qū)，見圖3。鉆孔水平投影長109 m，終孔點至9s煤頂板垂距為48 m。

(2) 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)進入孔總長為109 m，監(jiān)測鉆孔內(nèi)布置8個流量和壓力傳感器，重點監(jiān)測段為9s煤頂板以上19～42 m。同時，在監(jiān)測孔孔口安裝孔口壓力表、流量計、控水閥門等，以控制監(jiān)測水壓和流量。

(3) 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測孔內(nèi)水壓力、流量；孔口進水壓力及流量；工作面回采高度及推進距離等。

圖2 1196F 導(dǎo)水裂縫帶主帶高度監(jiān)測孔平面圖

圖3 1196F 導(dǎo)水裂縫帶主帶高度監(jiān)測孔剖面圖

3.3 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測歷時40天。

(1) 監(jiān)測系統(tǒng)孔口注水壓力

監(jiān)測系統(tǒng)孔口水壓力歷時曲線如圖4所示。該曲線揭示：①監(jiān)測孔鉆進時鉆孔出水位置為9s煤頂板以上垂高31 m處；② 從2015年6月4日至6月22日孔口水壓力穩(wěn)定在0.42 MPa，說明該時間段內(nèi)工作面推采位置距離監(jiān)測孔終孔點平距超過20 m，頂板導(dǎo)水裂縫仍未進入監(jiān)測范圍；③ 自6月23日起導(dǎo)水裂縫帶超前距進入監(jiān)測范圍，孔口水壓力表降至0.28 MPa；④ 6月26日，孔口水壓又回升至0.72 MPa，該現(xiàn)狀估計是由頂板9s煤與9-1s煤之間白砂矸遇水膨脹阻塞鉆孔周圍導(dǎo)水裂縫引起的。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)孔口表水壓歷時曲線

(2) 監(jiān)測孔內(nèi)滲漏量及變化

在流量、壓力傳感器中，反映導(dǎo)水裂縫帶高度最大值的是8#傳感器。由監(jiān)測節(jié)點及其滲漏量變化曲線圖5可以看出：①6月23日16時12分30秒突然出現(xiàn)滲漏量最大值1.6 m3/h，導(dǎo)水裂縫開始發(fā)育； ②之后，導(dǎo)水裂縫發(fā)育集中于17時58分至18時29分30秒時段內(nèi)，該時段內(nèi)平均滲漏流量0.3 m3/h，最大滲漏流量1.4 m3/h，導(dǎo)水裂縫充分發(fā)育；③其后，至24日0時52分，滲漏流量減小為0，推測該現(xiàn)象是由9s煤頂板白砂矸遇水膨脹，很快堵塞已形成導(dǎo)水裂縫引起的；④在24日0時52分之后，記錄顯示該監(jiān)測節(jié)點已經(jīng)被導(dǎo)水裂縫帶破壞；⑤該監(jiān)測節(jié)點代表的裂縫高度為9s煤頂板以上28～32 m，即監(jiān)測鉆孔孔口標(biāo)高之上39～44 m(由于地層傾角影響)； ⑥導(dǎo)水裂縫超前發(fā)育距離為18～22 m。

圖5 8#監(jiān)測點滲漏流量歷時曲線

(3) 回采高度與推進距離

1196F工作面回采高度為3 m左右，現(xiàn)場監(jiān)測超前導(dǎo)水裂縫帶高度為28～32 m。

同時，由于9煤頂板屬于中硬易垮落類型頂板[9,10]，因此依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，采用式1經(jīng)驗估算1196F導(dǎo)水裂縫帶高度為30.1～41.3 m。

表1 9s煤頂板巖性及其工程地質(zhì)性質(zhì)

頂?shù)装迕Q巖石名稱厚度(m)抗壓強度(MPa)抗拉強度(MPa)巖性特征老 頂細(xì)砂巖14 9450 22 83 淺灰色～灰白色，內(nèi)含灰褐色細(xì)砂巖條帶，水平層理，植物化石成層分布。直接頂粉砂巖9 6543 53 15 致密均一，細(xì)膩有滑感，含層狀菱鐵質(zhì)礦物。直接底泥巖9 78341 75 淺黑～深灰色，塊狀含菱鐵質(zhì)結(jié)核

(1)

可見，現(xiàn)場監(jiān)測值與經(jīng)驗估算值基本一致，但略微偏小。其原因主要是由于此次現(xiàn)場監(jiān)測的是超前導(dǎo)水裂縫帶高度值，并非在工作面縱向(走向)剖面上采空區(qū)側(cè)的導(dǎo)水裂縫帶高度最大值，該在采后20天至1個月后在采空區(qū)側(cè)獲得。

另外，1196F 導(dǎo)水裂縫帶高度監(jiān)測期間，工作面風(fēng)巷、運巷與邊眼距離為表2所示。表2說明9s煤頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的超前距離為20 m左右。

表2 監(jiān)測期間1196F 推進距離監(jiān)測表

日期風(fēng)巷推進(m)運巷推進(m)日期風(fēng)巷推進(m)運巷推進(m)6月14日173159 56月30日137 4118 36月18日1651487月1日133 61156月23日151 3135 57月2日1301126月25日151 3135 57月3日1251106月26日148 61327月4日1221076月27日146128 87月5日118 2102 56月28日143124 57月6日11598 56月29日140121

4 結(jié)論

1196F工作面現(xiàn)場監(jiān)測9s煤頂板超前導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為28～32 m。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，采用經(jīng)驗公式估算1196F導(dǎo)水裂縫帶高度為30.1～41.3 m?，F(xiàn)場實測導(dǎo)水裂縫帶高度與經(jīng)驗估算值基本一致，略偏小，誤差在7.0%～22.5%之間，回顧監(jiān)測過程不難看出，誤差原因主要有兩點：

(1) 此次現(xiàn)場監(jiān)測的是超前導(dǎo)水裂縫帶高度值，工作面風(fēng)巷、運巷與邊眼距離沒有同步，在回采期間過程中，工作面導(dǎo)水裂縫超前發(fā)育的超前距為18～22 m，此時的導(dǎo)水裂縫帶未發(fā)育完全，故其值略低于真實值。所以應(yīng)在工作面縱向(走向)剖面上采空區(qū)側(cè)的導(dǎo)水裂縫帶高度最大值，即在采后20天至1個月后在采空區(qū)側(cè)獲得。

(2) 在進行動態(tài)監(jiān)測過程中鉆孔布置不足，由于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度受頂板巖性、巖層結(jié)構(gòu)類型以及工作面推進速度等因素影響，故在布置鉆孔時需要均勻分布，不能僅在風(fēng)道或者運道布置單一鉆孔，應(yīng)多點測量得出平均值，減小現(xiàn)場數(shù)據(jù)的誤差，針對最真實的導(dǎo)水裂縫帶高度數(shù)據(jù)進行保護煤柱的留設(shè)以及涌水量的預(yù)計等相關(guān)問題。

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Research on the dynamic monitoring about the development rule of water conducted zone

LIU Ming1,2,ZHANG Xiang-wei1,2,LIU De-min1,2

(1.HebeiKeyLaboratoryofMineDisasterPrevention,Yanjiao,101601,China;2.CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

After coal extraction,its overlying strata will be damaged and displacement,and has obvious zonality,usually presents caving zone,fractured zone and bend zone. Determining the height of water flowing fracture zone would provide the basis for the prevention and control of roof water,mining engineering layout,waterproof pillar design,and gas extraction. As a result of the constantly updating mining technology,and the difference of geological conditions,the height of water flowing fractured zone in different mining areas changes a lot,and does not completely match with the calculation results of prediction formula in some mining areas,so it is necessary to do field measurement to determine the actual height. Through the layout of water flowing fracture zone monitoring system in Jinggezhuang mine 1196F working face,and the browse of its development process,the morphological characteristics and maximum height,site monitoring shows that the water flowing fractured zone finally develops 28～32 m in height.

Water flowing fractured zone；Prevention and control of roof water；Monitor dynamically

2016-02-03

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(3142015019)，國家自然科學(xué)基金(51074075，41072188)

劉明(1989-)，男，河北秦皇島人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：水文地質(zhì)。E-mail:991722801@qq.com

TD745

A

1672-7169(2016)02-0015-05