補連塔煤礦綜采大采高覆巖破壞“兩帶”高度實測研究

楊俊哲，賈林剛，宋桂軍，趙立欽

(1.神華神東煤炭集團有限公司，陜西 神木 719315；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

當采用全部垮落法管理頂板開采煤層時，覆巖巖層發(fā)生位移、變形和破壞，煤層直接頂板垮落，在垮落帶上方產(chǎn)生裂縫帶，若巖層采深采厚比較大，在覆巖中形成明顯的垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶的“三帶”特征，其中垮落帶和裂縫帶可與上覆巖層中的含水層導通，形成導水裂縫帶，嚴重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。因此，在開采覆巖中含水煤層時，預計導水裂縫帶的高度至關重要，可以預防發(fā)生潰水潰砂事故。在這方面我國專家學者做了很多研究工作，形成了眾多實用科研成果，為水體下采煤采取的防護措施提供了科學的依據(jù)[1-3]?！叭龓А钡男纬杉鞍l(fā)育高度，不僅與采厚、覆巖巖性、煤層傾角等地質條件因素有關，而且與采煤方法密切相關，對于厚煤層開采，可采用分層開采、綜采放頂煤開采和綜采一次采全高的開采方法，其中分層開采經(jīng)歷了普采、綜采等發(fā)展階段，歷時較長，其“兩帶”高度的研究成果較多，已經(jīng)形成了普遍采用的經(jīng)驗公式[4]；綜采放頂煤開采近年來關于“兩帶”的研究也逐漸增多[5-9]，相對而言，大采高一次采全高研究成果及實例較少[10]，而采用之前分層開采的經(jīng)驗公式進行預計，又不能滿足生產(chǎn)要求，因此，探測研究厚煤層一次采全高的“兩帶”高度具有重要的理論價值和現(xiàn)實的指導意義。

1 地質采礦條件

補連塔煤礦是神東煤炭集團骨干礦井之一，位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，生產(chǎn)規(guī)模20Mt/a，面積34.45km2。主要可采煤層1-2煤、2-2煤和3-1煤層。12511綜采工作面位于1-2煤五盤區(qū)，煤層底板標高+1042.7～+1061.1m，傾角為1°～3°，屬于近水平煤層，工作面長度319.1m，推采長度3139.3m，采用綜采垮落法一次采全高開采，設計采高7.4m。工作面上覆基巖厚度為233～271m，煤層直接頂為砂質泥巖，厚度2.4～12.7m，平均厚度7.7m，巖質較軟。煤層基本頂為砂質泥巖，厚度74.5～152.1m，平均厚度96.1m。松散層厚度為0～27m。覆巖中含有多層礫巖層，其間含水豐富，給井下煤層的開采造成了一定的安全隱患，導水裂縫帶為主要充水通道。準確預測導水裂縫帶的高度，可為做好井下排水工作、提高水害防治提供依據(jù)。

2 兩帶高度實測分析

2.1 鉆孔布置

為了準確探測補連塔煤礦綜采大采高一次采全高的導水裂縫帶的高度，在12511工作面的切眼中部位置和工作面推進方向距切眼約900m的位置布置2個“兩帶”采后探測鉆孔，在鉆進過程中，全孔取巖芯并進行完整性分析，并采用鉆孔沖洗液漏失量觀測、彩色鉆孔電視觀測的方法進行綜合觀測分析。

2.2 鉆孔水位及沖洗液漏失量觀測

在采后鉆孔鉆進過程中，沖洗液漏失量的消耗、孔內水位變化、以及鉆進過程中掉鉆、卡鉆、吸風等異?，F(xiàn)象，都是判斷裂縫帶發(fā)育高度的依據(jù)。鉆孔開孔孔徑為φ190mm，鉆孔深至24.80m處下尺寸為φ160mm套管固井及封堵松散層含水層，之后采用孔徑φ133mm鉆具繼續(xù)鉆進至243.00m結束，通過鉆探所取巖芯分析，鉆孔位置距孔口242.10m處應為煤層底板，即終孔深度在1-2煤底板下約0.9m處。從24.8m處開始采用清水鉆進，并進行漏失量觀測，圖1為鉆孔沖洗液漏失量隨鉆進深度變化曲線，在孔深24.80～130.71m處沖洗液漏失量變化不大，總體趨勢趨于平緩，在原生裂隙的作用下，在24.80～130.71m范圍內間歇性有小幅度增大；自孔深130.71m開始，沖洗液漏失量有明顯增大，至134.74m處沖洗液循環(huán)中斷，全部漏失，單位時間、單位進尺漏失量同單位時間漏失量的變化趨勢基本一致，在孔深134.74～136.74m之間連續(xù)進行注水，孔內未返水。說明在距孔口130.71m以下孔內裂隙較發(fā)育，且多處連續(xù)裂隙致使孔內漏水嚴重，應為采動影響裂隙發(fā)育較好且導通性良好區(qū)域。

圖1 鉆孔沖洗液漏失量觀測曲線

2.3 彩色鉆孔電視觀測分析

彩色鉆孔電視把裝有高清晰攝像頭和多點強光源的密閉透明探頭深入到鉆孔中進行連續(xù)拍攝，記錄鉆孔內的實時整體狀態(tài)，其影像可真實反映出孔內地質體的完整性、裂隙走向、裂隙寬度等裂隙產(chǎn)狀特征，是目前探測巖層裂隙發(fā)育狀態(tài)的有效手段，具有清晰、直觀、深度直接可視的特點。

本次鉆孔電視觀測從孔口開始，探測至距孔口231.51m的位置結束。在孔深130.22m以上巖層出現(xiàn)的裂隙細微、近水平，且均為橫向裂隙，為原生裂隙或受采動影響而產(chǎn)生的細小離層裂隙；在孔深130.22～130.34m之間首次出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙縱向長度約0.1m(圖2)，同時在孔深134.10～134.37m之間出現(xiàn)縱向長度約為0.27m的縱向裂隙，在孔深144.43～145.55m之間有一處長度1.12m的高角度近垂向裂隙，巖體發(fā)育形態(tài)較破碎，且在145.63m以下多處出現(xiàn)較發(fā)育裂隙。縱向裂隙出現(xiàn)的位置與鉆進過程中沖洗液漏失量增大并不返水的位置基本一致，裂隙的分布形態(tài)呈現(xiàn)采動影響特征，巖體破壞嚴重，裂隙縱橫交錯。從201.00m開始，巖層破壞程度加劇，較上部巖層孔壁更為破碎，裂隙密度較大，不僅出現(xiàn)大量縱橫裂隙相互連通，而且還出現(xiàn)有散亂巖層碎塊，而且有較多明顯空區(qū)，局部有壓實的痕跡，從該段以下均為形態(tài)特征相似的破碎巖體，整體分析，具有明顯采動垮落特征，該處應為巖層采動垮落帶頂部(圖3)。

圖2 孔深130.1～130.35m段孔壁展開

圖3 孔深201.0～201.7m段孔壁展開

2.4 鉆孔巖芯分析

鉆進過程中所取巖芯，不僅能判斷出覆巖巖性、巖體層位位置及厚度等基本巖層信息，而且通過取芯率及RQD值的大小，可以判斷出巖體的強度及破碎程度。巖體強度大小是開采后覆巖破壞發(fā)育高度的關鍵影響因素，低位巖層受采動影響劇烈，如果巖體強度較大，巖體呈塊體斷裂，所取巖芯取芯率較高，但RQD值較低，同時可從巖芯斷裂切口處發(fā)現(xiàn)劈裂破斷現(xiàn)象；如果巖芯強度較小，取芯率較低，同時RQD值更低，甚至呈現(xiàn)碎塊散體形態(tài)。高位巖層的強度大小直接影響到覆巖破壞高度，如果距離采空區(qū)距離較大的巖體強度較大，可形成關鍵層，阻礙覆巖破壞高度的進一步向上發(fā)展；如果是巖體強度較小，則可使巖體破壞高度進一步向上發(fā)展，在更高位巖層形成裂隙發(fā)育的最高位置。

補連塔煤礦12511工作面布置的鉆孔在鉆進過程中進行了全孔取芯，總體分析巖芯巖性及完整狀況，在所取巖芯的0～20.65m段為表土松散層及礫巖層，巖芯松散無膠結；松散層以下段為各類砂巖和泥巖互層，其中在 63.9～86.5m段和100～109m段出現(xiàn)礫巖層。在129m以上的巖芯，巖芯除松散層及礫巖層外，其他各層比較完整，取芯率達到85%以上，RQD值也基本在70%以上。在129m以下段各巖層巖芯出現(xiàn)不同程度的斷裂破碎，RQD值較低。圖4為鉆孔129.51～133.31m段所取巖芯，該巖芯為砂質泥巖，強度較低，雖然該段巖芯取芯率達到了96%，但RQD值只有28%，巖芯比較破碎，從鉆孔電視觀測反映出該段裂隙比較發(fā)育，且有縱向裂隙出現(xiàn)。圖5為距離煤層頂板較近的鉆孔巖芯，該段巖性為砂巖，雖然巖體強度較大，但受采動影響劇烈，塊體較小，巖體完整性較差，RQD值為56%。

圖5 213.08～217.63m段巖芯

結合鉆孔電視觀測結果，在鉆孔巖芯裂隙比較發(fā)育的地方，所取巖芯完整性較差，在上部巖層裂隙不發(fā)育區(qū)域，巖體完整性較好。在129m以下位置，應進入到采動影響裂縫帶，巖芯出現(xiàn)縱向或斜向破斷痕跡(圖6)，在距離頂板較近位置的巖層，受到劇烈的采動影響，所取巖芯的取芯率較小，RQD值小于25%，甚至小于10%，巖體質量較差。

圖6 巖芯縱向及斜向裂口

2.5 實測“兩帶”高度的綜合分析確定

綜合沖洗液漏失量、彩色鉆孔電視探測結果及所取巖芯分析，綜合探測的結果比較一致， 導水裂縫帶頂點距孔口為130.22m，覆巖垮落帶頂點為201.10m，煤層采厚為7.4m，鉆孔煤層底板深度為242.10m，煤層頂板距離孔口垂深234.70m，導水裂縫帶和垮落帶高度計算公式分別為：

Hli=H-h裂+W

(1)

Hm=H-h垮+W

(2)

式中，Hli為導水裂縫帶最大高度，m；Hm為垮落帶最大高度，m；H為煤層頂板距離孔口垂深，m；h裂為裂縫帶頂點距離孔口垂深，m；h垮為垮落帶頂點距離孔口垂深，m；W為打鉆觀測時裂縫帶巖層的壓縮值，W=0.2M，M為開采煤層厚度，m。

經(jīng)計算補連塔煤礦12511工作面布置鉆孔探測分析計算所得導水裂縫帶高度為105.96m，為采厚的14.32倍；垮落帶高度為35.08m，為采厚的4.74倍。

3 一次采全高“兩帶”高度實測值與分層開采計算值對比

我國從20世紀50年代開始，眾多專家學者在許多煤礦開展了覆巖含水層及其他水體下采煤的專題研究，進行了垮落帶和裂縫帶的現(xiàn)場實地觀測，在大量實測數(shù)據(jù)的基礎上，歸納總結出了“兩帶”高度計算經(jīng)驗公式，這些公式是基于當時普遍采用的普采和分層綜采而得來的。

中硬煤層垮落帶高度計算公式為：

(3)

中硬煤層導水裂縫帶計算公式為：

(4)

把補連塔煤礦12511工作面的采厚M=7.4m代入，經(jīng)計算垮落帶高度Hk=15.96m，為垮落帶高度的2.16倍；導水裂縫帶高度為Hli=53.53m，裂采比為7.23。

補連塔煤礦大采高采用一次采全高實測的垮落帶高度是分層開采經(jīng)驗公式計算所得的2.2倍，導水裂縫帶高度為分層開采經(jīng)驗公式計算所得的1.98倍。綜采大采高一次采全高實測數(shù)據(jù)表明，大采高一次采全高與分層開采具有明顯差異，以前“規(guī)程”中的經(jīng)驗公式不適用于神東礦區(qū)的大采高兩帶高度的預測。

補連塔煤礦的實測導水裂縫帶高度和垮落帶的數(shù)據(jù)，計算所得的跨采比值和裂采比可作為補連塔礦其他工作面預測兩帶高度的有效參考值，同時也可為同類地質采礦條件下的其他煤礦預計“兩帶”高度作為類比范例。

4 結 論

(1)在煤層開采過程中，由于覆巖原生裂縫及施工因素的影響，采動裂縫帶高度的分析判定存在一定的誤差，鉆孔漏失量觀測分析是傳統(tǒng)的測定裂縫帶高度的方法，彩色鉆孔電視探測分析可直觀顯現(xiàn)裂隙的長度、范圍、寬度等巖層發(fā)育裂隙產(chǎn)狀，二者結合使用可相互印證覆巖裂隙發(fā)育的特征，是確定煤層采動裂隙發(fā)育高度的有效技術方法，可以準確地判定導水裂縫帶的高度。

(2)分析研究表明，補連塔煤礦綜采一次采全高7.4m厚煤層條件下，垮落帶高度為35.08m，是采高的4.74倍，導水裂縫帶高度為105.96m，是所采煤層厚度的14.32倍。該實測研究成果可作為補連塔礦其他工作面計算導水裂縫帶和垮落帶的依據(jù)，也可為其他相類似條件下煤礦開采預防水害威脅提供參考作用。

(3)綜采一次采全高開采強度大，頂板覆巖破壞劇烈，造成“兩帶”高度大于分層開采“兩帶”高度。經(jīng)與補連塔煤礦實測對比分析驗證，厚煤層分層開采經(jīng)驗公式計算所得垮落帶高度和導水裂縫帶高度與實測厚煤層一次采全高“兩帶”高度值相比存在較大誤差。