軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖破壞特征實(shí)測研究

劉生優(yōu)衛(wèi) 斐（1.神華烏海能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市,016000; .中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,1008）

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軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖破壞特征實(shí)測研究

劉生優(yōu)1,2衛(wèi) 斐2
（1.神華烏海能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市,016000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008）

摘要針對敏東一礦16－3煤層頂板軟弱巖層存在強(qiáng)含水層的問題,采用工程類比和現(xiàn)場鉆孔沖洗液漏失量觀測的方法研究了軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖采動(dòng)破壞的特征,確定了冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度。工程類比預(yù)估的導(dǎo)水裂隙帶高度為43～90 m,冒落帶高度為10～34 m;實(shí)測結(jié)果表明導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)位于地表下246.22 m深度,距離煤層頂板83.78 m,冒落帶頂點(diǎn)位于地表下293.35 m處,距離煤層頂板36.65 m;現(xiàn)場實(shí)測和工程類比預(yù)計(jì)的兩帶高度基本吻合,驗(yàn)證了本文研究方法對軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖采動(dòng)破壞特征研究的可行性。

關(guān)鍵詞軟弱覆巖 強(qiáng)含水層 綜放開采 導(dǎo)水裂隙帶 冒落帶

煤層開采后,煤層及其圍巖產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞,頂板自下而上出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,覆巖變形破壞后形成的兩帶（冒落帶和裂隙帶）高度會(huì)嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn),一旦導(dǎo)水裂隙帶與地下水體相通,水體將直接涌向開采工作面,會(huì)造成淹井事故。

綜放開采已成為我國煤層開采的主要采煤方法,然而綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大且特征十分復(fù)雜,極易與地下水相通,對工作面生產(chǎn)造成安全隱患,所以確定頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。目前確定覆巖破壞高度的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、沖洗液法以及物探等,現(xiàn)有的研究和規(guī)范當(dāng)中關(guān)于覆巖兩帶高度確定主要適用于薄煤層和中厚煤層的綜采或普采,并不適用于綜放開采。以往有關(guān)綜放開采覆巖采動(dòng)破壞的研究主要集中在常規(guī)覆巖的條件下,利用理論分析、數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式可以得到解決,但涉及軟弱覆巖強(qiáng)含水層的條件先例很少。對于復(fù)雜的覆巖條件,由于不確定性因素增大,理論分析、數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用將受到限制,特別是覆巖為軟巖且有強(qiáng)含水層,綜放開采下頂板的破壞特征將極其復(fù)雜,兩帶高度難以確定,而現(xiàn)場實(shí)測則可以相對更準(zhǔn)確合理地解決該難題。

本文以敏東一礦10116302面為試驗(yàn)工作面,采用現(xiàn)場鉆孔沖洗液漏失量觀測并輔助以工程類比方法,研究軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖采動(dòng)破壞特征,得到了覆巖的兩帶高度,為指導(dǎo)本礦井的安全生產(chǎn)和類似工程條件的兩帶高度確定提供參考和指導(dǎo)。

1　工程概況

敏東一礦首采盤區(qū)主采16－3煤層,煤層平均厚度21.5 m,工作面采用綜放開采。礦井水文地質(zhì)勘探得到,煤層頂板至上而下賦存3層砂巖含水層,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且沉積不穩(wěn)定,對工作面有充水危險(xiǎn)。根據(jù)勘探報(bào)告礦井正常涌水量700 m3/h,最大涌水量1070 m3/h。首采工作面試采時(shí),采空區(qū)與探放孔水量總計(jì)達(dá)800 m3/h,工作面頂板淋水嚴(yán)重,造成了工作面停產(chǎn)。根據(jù)鉆孔勘探資料,煤層頂板覆巖組成以砂巖為主,且都為軟弱巖層,由于放頂煤開采的采放高度大,采動(dòng)破壞性影響所形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度大且規(guī)律性差,導(dǎo)致覆巖的破壞特征非常復(fù)雜。

2　煤層開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

工程現(xiàn)場多用經(jīng)驗(yàn)公式以及工程類比預(yù)測兩帶的高度,但由于放頂煤采動(dòng)破壞所形成的兩帶高度大,雖然我國一些專家學(xué)者也提出了綜放開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)計(jì)算公式,但主要是針對于某一礦區(qū),不能適用于全國。目前對綜放開采覆巖破壞發(fā)育高度的預(yù)計(jì)主要是根據(jù)本礦井或類似條件礦井綜放開采覆巖破壞高度的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行類比分析。我國部分礦井綜放開采條件下的覆巖破壞高度實(shí)測結(jié)果見表1。

表1　我國部分礦井綜放開采條件下的覆巖破壞高度實(shí)測結(jié)果

根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露,結(jié)合表1類似工程條件下得到的綜放開采覆巖破壞高度,通過計(jì)算得到敏東一礦16－3煤層厚度為5.15～17.05 m時(shí),預(yù)計(jì)冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約分別為10～34 m和43～90 m,詳見表2。

3　16－3煤層開采兩帶高度現(xiàn)場實(shí)測

3.1實(shí)測鉆孔布置

為進(jìn)一步確定16－3煤層開采覆巖破壞高度,需要對首采盤區(qū)進(jìn)行兩帶（冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶）高度實(shí)測研究。根據(jù)工作面回采情況,將實(shí)測鉆孔布置在10116302工作面開切眼前方500 m處,由地面豎直向下打采前孔T1,在工作面推過采前孔T1 30 d后,在附近位置布置采后孔T2,兩鉆孔平面距離為5.68 m,故可認(rèn)為具有相同的地質(zhì)特征。布置采前孔和采后孔的目的是進(jìn)行采前和采后裂隙發(fā)育的對比驗(yàn)證,更為準(zhǔn)確地確定兩帶高度。

表2　16－3煤層綜放開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)結(jié)果

3.2實(shí)測程序

現(xiàn)場實(shí)測分析鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位變化和巖芯形態(tài),判斷開采前原始地層裂隙發(fā)育程度及開采后導(dǎo)水裂隙帶、冒落帶頂點(diǎn)位置。

（1）鉆孔沖洗液漏失量觀測。鉆孔每鉆進(jìn)0.6 m記錄一次鉆孔沖洗液的漏失量,同時(shí)記錄鉆探時(shí)間,計(jì)算單位時(shí)間鉆孔沖洗液漏失量。

（2）水位觀測。在鉆孔每一次進(jìn)鉆前觀測鉆孔水位,并對鉆孔內(nèi)水位位置進(jìn)行記錄。

（3）鉆孔巖芯取樣。采前孔T1從孔深240 m以后開始取芯,采后孔T2從孔深150 m以后開始取芯。

4　實(shí)測結(jié)果及分析

4.1采前孔T1實(shí)測結(jié)果及分析

4.1.1鉆孔沖洗液漏失量觀測結(jié)果及分析

采前孔單位時(shí)間鉆孔沖洗液漏失量變化曲線如圖1所示。

圖1　采前孔單位時(shí)間沖洗漏失量

圖1顯示單位時(shí)間沖洗液漏失量平均為0.038 L/s,可以看到在整個(gè)觀測過程中,沖洗液消耗量基本上沒有隨孔深增加而增加,只在局部位置160 m和290 m左右有一定變化,沖洗液循環(huán)正常,沒有出現(xiàn)中斷或全部漏失的現(xiàn)象。由于采前鉆孔距離工作面很遠(yuǎn),可以認(rèn)為采動(dòng)對觀測過程及結(jié)果影響很小,觀測結(jié)果描述了原始地層鉆進(jìn)過程中沖洗液的消耗情況,為采后孔的觀測提供了原始的數(shù)據(jù)背景值,便于對比分析。

4.1.2鉆孔水位埋深觀測結(jié)果及分析

采前孔水位埋深與孔深的關(guān)系如圖2所示,由圖2可知,鉆孔在150 m處水位埋深為42 m,基本與煤層覆巖的第二含水層水位埋深接近,在整個(gè)鉆進(jìn)過程中,鉆孔水位埋深變化范圍為42～64.4 m。隨著鉆孔深度不斷增加,鉆孔水位呈下降趨勢。

圖2　采前鉆孔水位埋深與孔深的關(guān)系

4.1.3采前鉆孔巖芯

采前孔從孔深240 m以后開始取芯,從取芯結(jié)果看巖性以礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖為主,巖層整體較為松散,膠結(jié)程度差,力學(xué)強(qiáng)度低,在礫巖層段夾雜大量礫巖塊,可以看出覆巖巖性整體比較軟弱,具有良好的儲(chǔ)水空間。

4.2采后孔T2實(shí)測結(jié)果及分析

4.2.1鉆孔沖洗液漏失量觀測結(jié)果及分析

采后孔單位時(shí)間沖洗液漏失量變化曲線如圖3所示。

圖3　采后孔單位時(shí)間沖洗漏失量

圖中顯示單位時(shí)間沖洗液漏失量平均為0.902 L/ s,在數(shù)量級(jí)上較采前孔有大幅增加,且有隨鉆孔深度增加而變大的趨勢,說明受工作面采動(dòng)影響,上覆巖層變形破壞,產(chǎn)生新的裂隙導(dǎo)致沖洗液消耗量大于原始地層。在孔深240～246 m和290～295 m范圍內(nèi)沖洗液漏失量相比采前孔出現(xiàn)突增現(xiàn)象,初步可以推測頂板導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶頂點(diǎn)分別處于兩高度范圍內(nèi)。

4.2.2鉆孔水位埋深觀測結(jié)果及分析

采后孔的水位埋深與孔深的關(guān)系如圖4所示,采后孔在150 m處水位埋深為45.30 m,與采前孔基本一致。水位埋深隨孔深增加而增加,在孔深243.22 m處水位埋深突增到67.5 m造成水位突然下降,結(jié)合在此處鉆孔沖洗液漏失量的突增,表明此處到達(dá)了導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)。過了導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)之后,水位稍有恢復(fù),在鉆孔293.35 m處,水位埋深又一次急劇增加到80.30 m,水位進(jìn)一步降低,說明此處裂隙發(fā)育程度很大,過水通道明顯,表明到達(dá)了冒落帶頂點(diǎn)。此后水位埋深最大為87.10 m。

圖4　采后孔水位埋深與孔深的關(guān)系

4.2.3采后鉆孔巖芯

采后孔從孔深150 m以后開始取巖芯,整個(gè)鉆孔所取巖芯完整性較差,巖層膠結(jié)松散,在沖洗液消耗嚴(yán)重的243～255 m處、287～310 m處巖芯非常破碎,與水位下降較快和鉆孔沖洗液漏失量消耗嚴(yán)重位置相吻合。

5　兩帶高度確定

5.1兩帶臨界面判斷標(biāo)準(zhǔn)

針對本次觀測,確定頂板兩帶臨界面判斷標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)水裂隙帶臨界面:沖洗液消耗量明顯增大且隨鉆進(jìn)有繼續(xù)增大趨勢,或漏光（不返水）;冒落帶臨界面:沖洗液消耗量突然增大,孔內(nèi)水位急劇下降或降至孔底;存在卡鉆、跳鉆、掉鉆嚴(yán)重現(xiàn)象。鉆孔巖芯的形態(tài)也可以對臨界面進(jìn)行輔助判斷。

5.2導(dǎo)水裂隙帶高度確定

綜合圖1和圖3對比分析采前孔T1和采后孔T2的單位時(shí)間鉆孔沖洗液漏失量可得,當(dāng)鉆孔鉆至243.22 m時(shí),沖洗液漏失量突然增大循環(huán)中斷,孔口不再返漿,意味著沖洗液全部消耗,根據(jù)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,該位置已經(jīng)接近導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn),結(jié)合巖芯形態(tài)分析,該處裂隙較為發(fā)育,所以造成了沖洗液漏失量的突然增大。繼續(xù)鉆進(jìn)至246.22 m處,沖洗液循環(huán)再度中斷,經(jīng)堵漏后向下鉆進(jìn)時(shí)沖洗液不返漿,全部漏失。經(jīng)鉆探取芯驗(yàn)證,該處巖芯破碎,且鉆孔在該處水位下降較快,故推測246.22 m處為導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)。

5.3冒落帶高度確定

如圖3所示,鉆孔鉆進(jìn)至293.35 m處位置時(shí),鉆孔沖洗液消耗量再一次突增達(dá)到最大值,對比采前孔在294.89 m消耗量也突然增加（如圖1所示）說明此處裂隙高度發(fā)育,但現(xiàn)場觀測到鉆孔依然有水位,不能斷定為冒落帶頂點(diǎn)。經(jīng)分析后采用清水繼續(xù)鉆進(jìn),當(dāng)鉆進(jìn)至319.9 m時(shí),由于巖粉較多,卡鉆情況嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)鉆進(jìn),此處距離煤層頂板僅為10 m,考慮安全起見決定終孔不再鉆進(jìn)。此時(shí)孔內(nèi)仍有水位而且鉆孔沖洗液漏失量有輕微降低,原因可能由于煤層上覆巖層較軟,冒落后經(jīng)長時(shí)間穩(wěn)定已被壓實(shí)未與采空區(qū)溝通,故最終推測293.35 m處為冒落帶頂點(diǎn)。

6　結(jié)論

（1）根據(jù)類似條件礦井綜放開采覆巖破壞高度實(shí)測結(jié)果類比分析,預(yù)計(jì)敏東一礦16－3煤層冒落帶高度約為10～34 m,導(dǎo)水裂隙帶高度約為43～90 m。

（2）綜合分析采前及采后鉆孔沖洗液漏失量、水位變化和鉆孔巖芯形態(tài),推測在孔深246.22 m處為導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn),距離16－3煤層頂板83.78 m,裂高煤厚比為10.88;孔深293.35 m處為冒落帶頂點(diǎn),距離16－3煤層頂板為36.65 m,冒高煤厚比為4.76。所以確定冒落帶高度為36.65 m,導(dǎo)水裂隙帶高度為83.78 m。

（3）現(xiàn)場實(shí)測和工程類比得到的兩帶高度吻合較好,兩者在相互驗(yàn)證的同時(shí)也說明了本文的研究方法對軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖采動(dòng)破壞特征研究的可行性。

（4）通過工程類比和現(xiàn)場實(shí)測研究軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖采動(dòng)破壞特征,得到煤層開采兩帶高度,在指導(dǎo)本礦井安全生產(chǎn)的同時(shí)也為類似工程條件兩帶高度的確定提供了借鑒意義。

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（責(zé)任編輯張毅玲）

Field research on failure characteristics of overburden of fully mechanized caving mining face under strong aquifer existed in weak overburden

Liu Shengyou1,2,Wei Fei2
（1.Shenhua Wuhai Energy Co.,Ltd.,Wuhai,Inner Mongolia 016000,China; 2.School of Mines,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu 221008,China）

AbstractAiming at the strong aquifer existed in weak overburden over the roof of No. 16-3 coal seam in Mindong No.1 Mine,the mining failure characteristics of overburden of fully mechanized caving mining face under the strong aquifer existed in the weak overburden were studied by using engineering analogy method and method of field measuring the leakage of drilling flushing fluid,and the heights of caving zone and water conducted zone were determined.It was estimated by engineering analogy method that the height of the water conducted zone was 43 m to 90 m and the height of the caving zone was 10 m to 34 m;the field measurement results indicated that the vertex position of the water conducted zone was 246.22 m under the ground surface and 83.78 m over the seam roof,the vertex position of the caving zone was 293.35 m under the ground surface and 36.65 m over the seam roof. The heights of“two zones”measured on the spot were very close to that estimated by engineering analogy,it validated the feasibility of the research method in this paper to study the mining failure characteristics of overburden of fully mechanized caving mining face under the strong aquifer existed in the weak overburden.

Key wordsweak overburden,strong aquifer,fully mechanized caving mining,water conducted zone,caving zone

作者簡介:劉生優(yōu)（1967－）,男,安徽省合肥市人,高級(jí)工程師,從事采礦方面的研究。

中圖分類號(hào)TD823

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A