含水層下“三軟”煤層首采工作面覆巖破壞與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

李新華，張向東，李東發(fā)，杜濤濤，李 磊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；3.神華國能和豐煤電公司 沙吉海煤礦，新疆 和布克賽爾 834411；4.天地科技股份有限公司，北京 100013)

含水層下“三軟”煤層首采工作面覆巖破壞與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

李新華1，2，張向東1，李東發(fā)3，杜濤濤4，李 磊4

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；3.神華國能和豐煤電公司 沙吉海煤礦，新疆 和布克賽爾 834411；4.天地科技股份有限公司，北京 100013)

針對新疆某礦含水層下“三軟”煤層首采工作面可能存在的頂板垮落溝通含水層造成工作面突水災(zāi)害的問題，通過現(xiàn)場鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔電視探測和巖芯資料，確定了首采工作面覆巖破壞“兩帶”分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上結(jié)合工作面礦壓觀測和UDEC數(shù)值模擬，分析了覆巖破壞發(fā)展與礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系。研究表明，B10煤層B1003W01工作面的“兩帶”垮采比為2.75～2.81，垮落帶高度18.7～19.7m，裂采比為11.39～13.59，導(dǎo)水裂縫帶高度為77.4～82.26m；首采工作面周期來壓步距為10.8～14.7m，巷道變形影響區(qū)域為超前工作面50m，煤體應(yīng)力開始變化在超前10m范圍，峰值距離煤壁2m位置。首采工作面在“三軟”條件下，“兩帶”發(fā)育高度達到含水層，周期來壓步距短對工作面形成較頻繁的動載作用，以及煤體應(yīng)力峰值離煤壁近的綜合作用是造成工作面容易出現(xiàn)淋水，發(fā)生煤壁片幫和架前冒頂?shù)脑颉?/p>

含水層；“三軟”煤層；首采工作面；覆巖結(jié)構(gòu)；礦壓顯現(xiàn)

Underground Pressure Law and First Mining Working Face Overburden Rock Broken with Three Soft Coal Seam under Aquifer

1 礦井概況

沙吉海井田位于新疆和什托洛蓋中新生代凹陷盆地中東部，和什托洛蓋復(fù)式向斜的北翼，庫倫鐵布克背斜的南翼。B10煤層位于侏羅系西山窯組含煤地層的中部，設(shè)計可采儲量約為0.13Gt，厚度為0.82～8.67m，平均厚5.68m；首采區(qū)煤層厚度3.97～7.98m，平均厚度6.8m，煤層傾角為7～16°，煤層的層理不太明顯，但垂直高角度裂隙、縱向節(jié)理較為發(fā)育。B10煤層堅固性系數(shù)為0.95，頂板堅固性系數(shù)為1.47，底板堅固性系數(shù)為1.27，屬于典型的“三軟”條件。含水層巖性為中砂巖、粗砂巖、礫巖、細砂巖，即位于煤層上方18.4m的粉砂巖，厚度9.8m；煤層上方40.3m的礫巖，厚度15.8m；煤層上方56.1m的粗砂巖，厚度22.1m。

B1003W01綜放工作面為三采區(qū)西翼第1個工作面，工作面斜長211m，上下巷道沿煤層走向布置，長約2300m。工作面采用綜合機械化放頂煤開采，采用四柱雙伸縮支撐掩護式ZF10000/22/42D型放頂煤液壓支架，機采高度3.4m，放煤高度3.86m，采放比1∶1.4。

在礦井首采面開采過程中發(fā)現(xiàn)頂板圍巖不穩(wěn)定，工作面架前漏冒、煤壁片幫[1-3]嚴重，工作面不同位置及兩巷頻繁出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。該礦屬于典型的“三軟”條件， 因在工作面上方巖層有含水層，在開采影響條件下產(chǎn)生破壞， 上覆含水層的水經(jīng)過采動裂縫進入工作面， 易使工作面出現(xiàn)淋水，嚴重時可能發(fā)生突水。覆巖破壞高度是開展水體下采煤的關(guān)鍵參數(shù)，也是確定合理采厚和防水安全煤巖柱合理留設(shè)尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，準確掌握覆巖破壞高度礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[4-6]是實現(xiàn)水體下安全開采的必要前提。

2 首采工作面覆巖破壞“兩帶”分布規(guī)律

2.1 現(xiàn)場觀測

2.1.1 觀測方法

根據(jù)煤炭行業(yè)標準《導(dǎo)水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》要求及B1003W01 首采工作面的布置情況，在工作面布設(shè)了3 個采后“兩帶”觀測孔，采后“兩帶”觀測孔位于B1003W01 工作面走向方向上距離切眼450m，此位置基本頂已經(jīng)充分垮落，采動裂隙發(fā)育充分，覆巖破壞高度發(fā)育已達到最大值。CH01 觀測孔在工作面傾向上距離軌道巷20m，CH02 觀測孔位于工作面中間位置，距運輸巷100m，CH03 觀測孔在工作面傾向上距離運輸巷20m。觀測孔的布置情況如圖1所示。

圖1 工作面覆巖破壞觀測孔布置

2.1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

覆巖破壞觀測鉆孔開孔直徑98mm，觀測段以上層位擴孔直徑為156mm，止水套管直徑為127mm，觀測段成孔直徑為98mm。

圖2 B1003W01 工作面覆巖破壞觀測孔位置

套管規(guī)格為φ127mm×5mm，坐管層位為B131煤層底板的泥質(zhì)粉砂巖中，其目的是對觀測段以上的含水層進行止水，消除上覆含水層對沖洗液漏失量觀測工作的干擾，確保觀測數(shù)據(jù)的有效性，同時也可以避免上覆含水層水順鉆孔涌入工作面。CH01 鉆孔坐管深度為176.57m，CH02 鉆孔坐管深度為190.78m，CH03 鉆孔的坐管深度為216m。

2.1.3 鉆孔施工

自2015 年4 月26 日至2015 年7 月25 日，在沙吉海煤礦B1003W01 工作面設(shè)計施工了覆巖破壞觀測鉆孔CH01，CH02 和CH03，歷時90d，獲取了有效的觀測數(shù)據(jù)：鉆孔沖洗液法漏失量、鉆孔水位、鉆進速度、鉆進異常情況、鉆探取芯和地質(zhì)描述等資料。

2.2 觀測結(jié)果分析

2.2.1 工作面上部觀測結(jié)果

CH01孔的鉆孔沖洗液漏失量觀測從177.78m 開始，至197.15m 沖洗液全部漏失，鉆孔水位變化觀測從177.78m 開始，至201.53m 孔內(nèi)測不到水位。

CH01孔處的B10 煤頂板埋深約為273.10m，煤層采厚為6.80m，經(jīng)綜合分析計算，CH01 孔觀測到的導(dǎo)水裂縫帶頂點的孔深初步判定為197.15m，導(dǎo)水裂縫帶高度為75.95m；垮落帶頂點的孔深初步判定為254.4m，垮落帶高度為18.70m。

鉆孔電視反映的CH01 孔的B10 煤層底板埋深約275m，導(dǎo)水裂縫帶頂點位于孔深197.60m，導(dǎo)水裂縫帶觀測高度為77.40m；垮落帶頂點位于孔深258.10m，垮落帶觀測高度為16.90m。

2.2.2 工作面中部觀測結(jié)果

CH02孔的鉆孔沖洗液漏失量觀測從195.10m 開始，至214.85m 沖洗液全部漏失，鉆孔水位變化的觀測從195.10m 開始，至224.08m 孔內(nèi)測不到水位。

CH02孔處的B10 煤頂板埋深約為292m，煤層采厚為7.0m。經(jīng)綜合分析計算，CH02 孔觀測到的導(dǎo)水裂縫帶頂點的孔深初步判定為209.74m，導(dǎo)水裂縫帶高度為82.26m；垮落帶頂點的孔深初步判定為273m，垮落帶高度為19m。

根據(jù)鉆孔電視成像資料反映的采動裂隙的發(fā)育與分布特征，可以確定，CH02 孔的B10 煤層底板埋深約292m，CH02 孔的導(dǎo)水裂縫帶頂點位于孔深209.95m，導(dǎo)水裂縫帶觀測高度為82.05m，垮落帶頂點位于孔深272.30m，垮落帶觀測高度為19.70m。

2.2.3 工作面下部觀測結(jié)果

CH03孔的沖洗液觀測從221.06m 開始，至233.38m 沖洗液全部漏失，242.28m 測不到水位。

CH03孔處的B10 煤頂板埋深約為309m，該位置B10 煤厚約7.0m，留底煤厚約1.0m，實際采厚為6.0m。經(jīng)綜合分析計算，CH03 孔觀測到的導(dǎo)水裂縫帶頂點的孔深初步判定為230.48m，導(dǎo)水裂縫帶高度為78.52m。

根據(jù)鉆孔電視成像資料反映的采動裂隙的發(fā)育與分布特征，可以確定，CH03 孔的導(dǎo)水裂縫帶頂點位于孔深227.35m，導(dǎo)水裂縫帶高度為81.55m。

2.2.4 覆巖破壞“兩帶”規(guī)律

實測鉆孔CH01，CH02 和CH03 位置的B10 煤層埋深依次為273.10，292 和309m，煤層實際采厚依次為6.80，7.0 和6.0m，最終確定出沙吉海煤礦B10 煤層B1003W01 工作面CH01 鉆孔的垮落帶高度為18.70m，垮采比為2.75，導(dǎo)水裂縫帶高度為77.40m，裂采比為11.39；CH02 鉆孔的垮落帶高度為19.70m，垮采比為2.81，導(dǎo)水裂縫帶高度為82.26m，裂采比11.75；CH03 鉆孔的導(dǎo)水裂縫帶高度為81.55m，裂采比13.59。

B10煤覆巖以中、粗砂巖和泥巖為主，含少量礫巖，在垂向上，煤層直接頂板為相對堅硬的粉砂質(zhì)泥巖，頂板約60m 以上為膠結(jié)程度差的厚層粗砂巖，自然狀態(tài)強度很低，遇水易松散，不具有形成結(jié)構(gòu)的自承能力，抗采動破壞能力差，受采動后整層都發(fā)生崩塌下沉，不利于控制采動裂隙的進一步發(fā)展。

從裂隙發(fā)育形態(tài)上看，受軟弱地層影響，B10 煤覆巖破壞不夠充分，以高角度縱向延展裂隙為主，偶見縱橫交錯裂隙，部分軟弱巖層段受采動后遇水發(fā)生局部塌落現(xiàn)象。

3 首采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律監(jiān)測分析

3.1 首采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

3.1.1 支架監(jiān)測方案

在首采工作面的10號、20號、30號、40號、45號、50號、55號、60號、70號、80號、90號、100號和110號中間架上分別布置1臺支架在線監(jiān)測系統(tǒng)，每臺壓力記錄儀監(jiān)測1個前柱和1個后柱壓力，記錄工作面推進過程中支架前后柱的壓力變化情況。

頂板周期來壓與工作面的推進和支架的初撐力密切相關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況劃分了3個階段進行分析。第1階段選擇2015年1月4日至2015年1月28日，該階段為監(jiān)測初期，工作面累計推進67.7m，平均推進度為2.8m/d；第2階段選擇2015年3月至2015年4月，期間工作面累計推進107m，平均推進度為2m/d；第3階段選擇2015年6月至7月份，期間工作面累計推進182.4m，平均推進度為3.5m/d。

3.1.2 觀測結(jié)果

周期來壓分析以支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來壓的主要指標。

動載系數(shù)是指頂板周期來壓期間的支架平均工作阻力與非來壓期間工作面支架工作阻力的比值。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過分析得到工作面頂板的周期來壓規(guī)律，由于受初撐力難控制的影響，動壓系數(shù)大，最大平均達到1.62，如表1所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，工作面頂板周期來壓步距在不同階段具有一定的差別，在監(jiān)測初期，周期來壓步距及動載系數(shù)受初撐力低的影響，在第2階段和第3階段現(xiàn)場要求提高初撐力，但從第2階段的平均動載系數(shù)來看，現(xiàn)場對初撐力的管理仍然較差，主要與煤層及頂?shù)装遘浫跤嘘P(guān)，不同推進度下頂板的周期來壓步距不同，工作面推進速度加快使頂板周期步距加大。

表1 頂板周期來壓步距分析結(jié)果

3.2 首采工作面巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

3.2.1 巷道變形規(guī)律

根據(jù)巷道變形觀測，主要發(fā)生頂?shù)装逡平?，而且以下巷變形為主，上巷監(jiān)測無變化。測點1布置在下巷1940m位置；測點2布置在下巷1980m位置。巷道變形監(jiān)測情況見圖3。

圖3 巷道變形監(jiān)測

由圖3(a)可知，工作面超前50m范圍內(nèi)，頂板離層呈直線變化，離層量不斷增加，推進至端頭附近時，頂板離層達到最大，使得下端頭位置變形比較嚴重。

由圖3(b)可知，工作面超前50m范圍外，巷道頂板位移變化小，采動影響程度??；進入工作面超前50m范圍時，巷道頂板位移變形急劇變化，呈直線位移趨勢，推進至端頭附近時，巷道頂板位移量達到最大。

3.2.2 巷道支承壓力分布規(guī)律

首采工作面超前支承壓力監(jiān)測具有特殊性，表現(xiàn)為支承壓力影響范圍不明顯，根據(jù)現(xiàn)場實測曲線(圖4)，煤體應(yīng)力開始變化在超前10m范圍，峰值離煤壁近，僅距離煤壁2m位置，主要受垂向節(jié)理發(fā)育分布影響。

圖4 煤體應(yīng)力分布曲線

4 覆巖破壞“兩帶”與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系

4.1 數(shù)值模擬分析

表2為首采工作面的巖層結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)關(guān)鍵層理論，分析得到“兩帶”范圍的巖層關(guān)鍵層，在“兩帶”范圍存在3層亞關(guān)鍵層，分別是直接頂泥巖亞關(guān)鍵層、礫巖亞關(guān)鍵層和粗砂巖亞關(guān)鍵層。

表2 巖層結(jié)構(gòu)特征

采用UDEC模擬軟件，沿工作面的走向方向進行剖面，模型走向長度為600m，巖層的高度為300m，采用摩爾-庫侖準則建立模型，邊界條件為：左、右邊界橫向位移及速度為0，底部邊界豎向位移及速度為0，重力加速度為9.8N/kg，建立UDEC模型結(jié)合“兩帶”破壞與工作面礦壓觀測，分析覆巖演化過程與周期來壓、導(dǎo)水裂縫帶的關(guān)系。

4.2 “兩帶”發(fā)展與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系

(1)首采工作面主要礦壓顯現(xiàn) 礦井首采面開采過程發(fā)現(xiàn)頂板圍巖不穩(wěn)定，工作面架前漏冒、煤壁片幫嚴重，工作面不同位置及兩巷頻繁出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。

(2)周期來壓與煤壁破壞深度影響 綜合數(shù)值模擬與現(xiàn)場觀測分析可知，數(shù)值模擬得到第1硬巖亞關(guān)鍵層周期來壓步距10～15m，現(xiàn)場實測首采工作周期來壓步距10.8～14.7m，動載系數(shù)大，周期來壓期間的頂板對工作面煤壁載荷作用強度大，而且數(shù)值模擬分析表明，應(yīng)力峰值離煤壁近，造成煤壁2m深度范圍的煤體易發(fā)生破壞，如圖5所示(圖中縱橫坐標單位為m)，因此，周期來壓步距短，工作面反復(fù)經(jīng)歷較大載荷的作用，使煤壁的煤體發(fā)生破壞，從而使煤壁易發(fā)生片幫。

圖5 煤壁破壞區(qū)域

(3)“兩帶”發(fā)展導(dǎo)出導(dǎo)水裂縫帶巖層 粗砂巖為含水層，裂隙發(fā)展過程易形成通道。根據(jù)數(shù)值模擬分析和地質(zhì)資料可知，粗砂巖含水，隨工作面推進，覆巖破壞不斷向上發(fā)展，該關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，形成裂隙通道，引起了工作面的局部區(qū)域淋水。粗砂巖含水層與工作面形成導(dǎo)通通道，該巖層破壞，如圖6所示(圖中縱橫坐標單位為m)。

圖6 粗砂巖含水層裂隙發(fā)展

工作面直接頂為泥巖，當(dāng)上覆含水層的水導(dǎo)通到該巖層，容易遇水發(fā)生泥化，從而降低了巖層的強度，容易破碎造成架前冒頂。

(4)綜合作用的影響 綜上分析，首采工作面在“三軟”條件下，“兩帶”發(fā)育高度達到含水層，周期來壓步距短對工作面形成較頻繁的動載作用，以及煤體應(yīng)力峰值離煤壁近的綜合作用是造成工作面淋水、架前冒頂和煤壁片幫的原因。上述因素易形成惡性循環(huán)，礦壓顯現(xiàn)就變得難控制。

5 結(jié) 論

(1)得到了沙吉海煤礦B10煤層B1003W01 工作面的“兩帶”垮采比為2.75～2.81，垮落帶高度18.7～19.7m，裂采比為11.39～13.59，導(dǎo)水裂縫帶高度為77.4～82.26m。

(2)獲得了首采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。工作面頂板周期來壓步距在不同階段具有一定的差別，周期來壓步距為10.8～14.7m；超前50m范圍頂板位移開始變化，越靠近工作面，變形越快；煤體應(yīng)力開始變化在超前10m范圍，峰值離煤壁近，僅距離煤壁2m位置。

(3)分析了首采工作面礦壓顯現(xiàn)與“兩帶”破壞發(fā)展關(guān)系。首采工作面受“三軟”條件、“兩帶”發(fā)育高度、周期來壓步距短、來壓動載作用以及煤體應(yīng)力峰值離煤壁近的綜合作用是造成工作面淋水、架前冒頂和煤壁片幫的原因。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

2016-06-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.021

李新華(1972-)，男，寧夏中寧人，高級工程師，博士研究生，主要從事巖土工程和礦壓治理研究。

李新華，張向東，李東發(fā)，等.含水層下“三軟”煤層首采工作面覆巖破壞與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：83-86，46.

TD324

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1006-6225(2017)02-0083-04