近距離上行開(kāi)采煤層圍巖裂隙發(fā)育實(shí)測(cè)分析

王明亮

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 大陽(yáng)泉礦，山西 陽(yáng)泉 045000)

經(jīng)過(guò)多年高強(qiáng)度開(kāi)采，朔里煤礦已處于衰老期，為延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，對(duì)處于3煤和5煤采空區(qū)之間被遺棄的4煤進(jìn)行開(kāi)采，4煤與下方5煤平均間距為9 m，屬于典型的近距離煤層上行開(kāi)采。該煤層處于上下煤層采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)，5煤采高3 m.為了4煤的安全開(kāi)采，對(duì)4煤進(jìn)行上行開(kāi)采的可行性研究及對(duì)4煤圍巖裂隙發(fā)育情況進(jìn)行分析十分必要[1-3].

1 采區(qū)及試采工作面概況

上行試采的413工作面位于礦井Ⅲ采區(qū)，采區(qū)位于黃灣復(fù)式向斜之中，以中部的王黃背斜為界，采區(qū)分布在-200 m以下的盆底之中，四周分別與西一、西二、西三(已報(bào)廢)、南一、南二5個(gè)采區(qū)相鄰，其上限分別以各采區(qū)下階段工作面機(jī)巷為界，采區(qū)形態(tài)呈不規(guī)則腎狀，采區(qū)面積約2.2 km2，采區(qū)內(nèi)3煤、5煤均已回采完畢，4煤層埋藏量207.7萬(wàn)t.

上行試采4煤的工作面概況：413工作面位于-200 m水平，工作面標(biāo)高-182.5～-209.2 m，地面標(biāo)高+33 m，地面位置位于副井口西南約800 m處，工作面可采走向長(zhǎng)度為1 000 m，傾斜長(zhǎng)度128 m，該面上覆11313工作面(已回采完畢)，下伏11511、11513工作面(已回采完畢)，左鄰111采區(qū)邊界，右靠西一后期石門(mén)。

該面煤層原始沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層總厚1.05～1.60 m，平均1.34 m，含一層泥巖夾矸厚0.15～0.40 m，平均0.24 m. 夾矸以上煤層厚0.30～0.60 m，平均0.42 m，夾矸以下煤厚0.50～1.00 m，平均0.68 m. 煤層傾角2°～8°，平均傾角4°. 煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 4煤底板破裂分區(qū)實(shí)測(cè)

2.1 實(shí)測(cè)內(nèi)容

采用長(zhǎng)壁垮落法開(kāi)采煤層后，在采空區(qū)上覆巖層中自下而上一般會(huì)出現(xiàn)垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，上覆巖(煤)層會(huì)發(fā)生移動(dòng)、斷裂、裂隙與離層[4].

觀測(cè)巖層的冒落、斷裂及離層現(xiàn)象對(duì)研究采場(chǎng)巖層穩(wěn)定性和礦壓顯現(xiàn)特征與規(guī)律具有重要作用。下伏5煤采空區(qū)上覆巖層“三帶”分布高度和4煤底板巖層的裂隙發(fā)育程度作為4煤安全上行開(kāi)采的重要技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)作為判別4煤上行開(kāi)采可行性的重要依據(jù)，因此必須對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。

根據(jù)朔里煤礦采動(dòng)破壞區(qū)內(nèi)上行開(kāi)采的實(shí)際情況，決定采用鉆孔窺視和巖芯破壞程度分析方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，主要實(shí)測(cè)內(nèi)容如下：

1) 5煤采空區(qū)上覆巖層“三帶”分布高度。

2) 4煤底板巖層破壞及裂隙發(fā)育程度。

2.2 實(shí)測(cè)鉆孔施工

為了進(jìn)行鉆孔窺視探測(cè)和巖芯破壞程度分析，需布置鉆孔窺視儀攝像頭通道并對(duì)巖層進(jìn)行取芯，因此在井下現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔。依據(jù)現(xiàn)有巷道布置系統(tǒng)，在現(xiàn)有5煤底板巷道中施工鉆孔，鉆孔穿過(guò)5煤采空區(qū)、4煤至4煤頂板巖層。

在5111軌道巷的頂板鉆孔，鉆孔方向?yàn)镹252°，與巷道水平夾角81°，以50°仰角向上施工。鉆孔布置在下伏5煤采場(chǎng)邊界附近，避免了布置在5煤采空區(qū)正下方施工中易發(fā)生的卡鉆事故；同時(shí)采場(chǎng)邊界上覆巖層的“三帶”分布高度一般高于采場(chǎng)中部，此區(qū)域的“三帶”高度即5煤“三帶”的最大高度，鉆孔施工示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 鉆孔施工示意圖

2.3 鉆孔窺視探測(cè)分析

為了觀測(cè)研究下伏5煤采空區(qū)上覆巖層“三帶”分布高度和4煤底板巖層的裂隙發(fā)育程度，利用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀進(jìn)行鉆孔窺視探測(cè)分析。

根據(jù)攝錄的鉆孔壁圖像可看出，從孔口至孔底，鉆孔壁整體上較為粗糙，裂隙發(fā)育，部分區(qū)域孔壁破碎嚴(yán)重。對(duì)整個(gè)鉆孔內(nèi)揭露巖層的破裂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)巖層的破裂形式和破裂程度對(duì)鉆孔壁劃分為：基本完整區(qū)、輕度破裂區(qū)、中度破裂區(qū)、重度破裂區(qū)[4-5]. 鉆孔窺視探測(cè)情況及破裂分區(qū)的巖性描述、起止位置及破裂形式見(jiàn)表2.

表2 孔窺視探測(cè)情況表

鉆孔壁的破壞程度基本反映了巖層內(nèi)部破壞情況，由表2可以看出，整個(gè)鉆孔長(zhǎng)度內(nèi)的孔壁較為粗糙，孔內(nèi)破壞形式多樣，鉆孔所經(jīng)過(guò)巖層均屬于5煤采動(dòng)影響區(qū)。鉆孔壁從5煤頂板至4煤底板由下至上，經(jīng)歷重度破碎、中度破碎、輕度破碎、基本完整等形態(tài)，巖層破壞情況由嚴(yán)重至緩解。其中，處于重度破裂區(qū)和中度破裂區(qū)內(nèi)的巖層受5煤采動(dòng)影響最為強(qiáng)烈，尤其重度破裂區(qū)內(nèi)巖層破碎雜亂無(wú)章、縱橫裂縫密集、局部離層，初步判定處于不規(guī)則冒落帶內(nèi)；中度破裂區(qū)內(nèi)巖層破碎、出現(xiàn)裂縫和離層，但巖層破壞情況較重度破裂區(qū)稍輕，且裂縫情況略有規(guī)則，初步判定處于規(guī)則冒落帶內(nèi)；輕度破裂區(qū)和基本完整區(qū)內(nèi)巖層無(wú)破碎情況，且破壞形式以規(guī)則裂隙和裂縫為主，初步判定已處于裂縫帶內(nèi)。

從鉆孔窺視探測(cè)圖像初步判定，處于重度和中度破裂區(qū)內(nèi)巖層處于5煤采動(dòng)影響形成的采空區(qū)冒落帶內(nèi)，由于鉆孔位于下部采場(chǎng)邊界附近，“三帶”高度一般大于采場(chǎng)中部區(qū)域，因此5煤開(kāi)采后形成冒落帶最大高度約5.7 m，采空區(qū)中部區(qū)域冒落帶高度均應(yīng)小于5.7 m.

2.4 巖芯破壞程度分析

巖層的破碎情況與鉆孔取芯的成芯率相關(guān)，巖層若未受到采動(dòng)影響破壞，整體性強(qiáng)，則成芯率就高，否則，鉆孔取芯的成芯率就低。鉆孔成芯率的高低與下伏煤層采動(dòng)影響破壞程度有關(guān)，還與巖層中的膠結(jié)物、巖層中巖石強(qiáng)度、鉆探影響有關(guān)，所以需結(jié)合其他方法綜合判定冒落帶、裂隙帶高度。鉆孔巖芯率變化曲線見(jiàn)圖2.

圖2 鉆孔巖芯率變化曲線圖

從圖2可以看出，按時(shí)間統(tǒng)計(jì)巖芯率，其變化曲線總體呈低—高—低的拋物線狀，開(kāi)鉆前因泥巖強(qiáng)度低且?guī)r層受5煤采動(dòng)影響的作用，裂縫發(fā)育，巖石的整體性差，巖芯率較低；在鉆孔深度達(dá)到10 m時(shí)，巖芯率明顯升高，進(jìn)入整條曲線的峰值區(qū)，隨后巖芯率又明顯下降。從提取巖芯情況和與4煤底板垂直距離來(lái)看，峰值區(qū)位于4煤底板2.3～5.3 m處的細(xì)砂巖層內(nèi)，由于巖層較硬，且距離5煤垂直距離較大，受5煤采動(dòng)影響較開(kāi)鉆初期小，巖石的整體性較好；而后因進(jìn)入4煤、3煤煤層中，巖石整體性變差，導(dǎo)致鉆孔取芯率再次降低。從圖2可以看出，累計(jì)巖芯率變化曲線與按時(shí)間統(tǒng)計(jì)巖芯率變化曲線趨勢(shì)基本相同，同樣在鉆孔深度10 m時(shí)出現(xiàn)最高值，說(shuō)明巖層在此附近區(qū)域內(nèi)整體性變好，裂隙發(fā)育程度變低。

從圖2可以看出，兩種巖芯變化率均是在深度10 m處出現(xiàn)峰值區(qū)，4煤與5煤之間的巖層中此處整體性最好，裂隙發(fā)育程度變低，初步判定此區(qū)域巖層進(jìn)入裂隙帶。整個(gè)鉆孔巖芯率整體較低，可能是因下部煤層開(kāi)采后巖層呈現(xiàn)彎曲下沉運(yùn)動(dòng)，層間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

根據(jù)鉆孔巖芯破壞程度，結(jié)合鉆孔窺視探測(cè)結(jié)果，綜合分析得出：4煤、5煤之間巖層整體受5煤采動(dòng)影響，其中，靠近5煤頂板處巖層存在重度破裂區(qū)，巖層破碎，整體性較差，處于冒落帶范圍內(nèi)，冒落帶最大高度約5.7 m；靠近4煤底板巖層，巖層整體性較下部巖層好，巖層裂隙發(fā)育程度低，處于裂隙帶范圍內(nèi)；4煤處于5煤開(kāi)采后形成的冒落帶之上，處于裂隙帶下位巖層中。

3 結(jié) 論

根據(jù)鉆孔窺視探測(cè)結(jié)果結(jié)合鉆孔巖芯破壞程度分析得出：4煤、5煤之間巖層整體受5煤采動(dòng)影響，其中，靠近5煤頂板處巖層存在重度破裂區(qū)，巖層破碎，整體性較差，處于冒落帶范圍內(nèi)，冒落帶最大高度約5.7 m；靠近4煤底板巖層，巖層整體性較下部巖層好，巖層裂隙發(fā)育程度低，處于裂隙帶范圍內(nèi)；4煤處于5煤開(kāi)采后形成的冒落帶之上，處于裂隙帶下位巖層中。該分析結(jié)果可作為安全技術(shù)資料指導(dǎo)后期生產(chǎn)。