頂板導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的臺(tái)階式發(fā)育特征

王曉振，許家林,2，韓紅凱，鞠金峰，邢延團(tuán)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008; 4.陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713602)

采動(dòng)頂板導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律及其發(fā)育高度的確定是進(jìn)行煤礦防水煤巖柱留設(shè)、保水采煤設(shè)計(jì)、防治水措施制定、覆巖隔離注漿充填采煤設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)[1-4]。長期以來，水體下采煤主要參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》、《煤礦防治水細(xì)則》以及《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T 1091—2008)等文件[5-7]，來計(jì)算導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度(以下簡稱“導(dǎo)水裂隙高度”)。傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)是，采厚越大，頂板巖性越堅(jiān)硬，導(dǎo)水裂隙高度越大，但同樣采高、同一概化巖性條件下不同區(qū)域?qū)严陡叨葘?shí)測(cè)結(jié)果存在明顯差異的現(xiàn)象及原因，并未引起足夠重視。

除了煤層采厚和頂板巖性因素外，覆巖導(dǎo)水裂隙的發(fā)育特征還受開采尺寸和開采方法的影響。對(duì)于面寬一定的單個(gè)工作面，導(dǎo)水裂隙高度隨著走向開采尺寸的增大逐步增加[1]，一定尺寸后，達(dá)到最大值。文獻(xiàn)[8]基于早期煤炭開采不同方法，對(duì)比研究了興隆莊礦分層開采和綜放開采對(duì)導(dǎo)水裂隙的影響，得出相同采厚條件下綜放開采由于一次采動(dòng)破壞遠(yuǎn)大于分層開采使得導(dǎo)水裂隙高度較大的結(jié)論。但系統(tǒng)分析相同采厚情況下綜放和一次采全高綜采對(duì)導(dǎo)水裂隙高度影響的研究不多。隨著煤層開采條件日益復(fù)雜，頂板巖層賦存條件千差萬別、變化多樣，導(dǎo)水裂隙高度的研究和確定方法也越來越多[9-13]，但是由于忽略了具體條件下頂板巖層賦存結(jié)構(gòu)的差異，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。

巖層移動(dòng)的關(guān)鍵層理論是研究不同覆巖條件下采動(dòng)巖層移動(dòng)過程及其對(duì)采動(dòng)裂隙發(fā)育影響的基礎(chǔ)理論，為研究各種巖層條件下導(dǎo)水裂隙高度變化規(guī)律提供了理論武器[14-15]?；诖耍S家林等研究了關(guān)鍵層位置對(duì)導(dǎo)水裂隙的影響規(guī)律并進(jìn)一步提出了基于關(guān)鍵層的導(dǎo)水裂隙高度判別新方法，將導(dǎo)水裂隙高度判別與具體的覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)條件緊密結(jié)合，充分考慮了不同區(qū)域地層結(jié)構(gòu)的差異性，明顯減小了傳統(tǒng)方法將頂板巖性進(jìn)行均化引起的判別誤差[16-17]。筆者將在以往研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙高度判別方法，進(jìn)一步研究關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)影響下頂板導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的變化特征，并闡述其工程意義，從而進(jìn)一步提升該判別方法的適用性和準(zhǔn)確性，為煤礦頂板水害防治提供有價(jià)值參考和借鑒。

1 導(dǎo)水裂隙帶高度隨采厚變化特征的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)

1.1 單一薄、中厚煤層開采和厚煤層分層開采

導(dǎo)水裂隙高度與采厚直接相關(guān)，“三下”采煤規(guī)程或相關(guān)規(guī)范中列出了基于大量實(shí)測(cè)結(jié)果擬合而來的導(dǎo)水裂隙高度Hd計(jì)算表達(dá)式，通常有兩種形式:① 導(dǎo)水裂隙高度與累計(jì)采厚的近似分布式函數(shù)關(guān)系;② 導(dǎo)水裂隙高度采厚比與分層層數(shù)的近似雙曲線函數(shù)關(guān)系?！叭隆辈擅阂?guī)程的計(jì)算公式，采用的是第1種形式;《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中采用第2種形式。以往在國內(nèi)較為常用的是傾角0°～54°薄及中厚煤層和厚煤層分層開采條件下的計(jì)算式(表1)，但該公式明確表示其應(yīng)用范圍為單層采厚1～3 m、厚煤層分層開采累計(jì)采厚不超過15 m，超越該限制的開采條件理論上不能適用。

表1 傾角0°～54°薄及中厚煤層和厚煤層分層開采時(shí)導(dǎo)水裂隙高度計(jì)算公式[6]
Table 1 Formula for height of water flowing fracture byslicing method in medium seam and thick seam miningwith dip angle from 0° to 54°[6]

巖性計(jì)算公式(1)/m計(jì)算公式(2)/m堅(jiān)硬Hd=100∑M1.2∑M+2.0±8.9Hd=30∑M+10中硬Hd=100∑M1.6∑M+3.6±5.6Hd=20∑M+10軟弱Hd=100∑M3.1∑M+5.0±4.0Hd=10∑M+5極軟弱Hd=100∑M5.0∑M+8.0±3.0

注:∑M為累計(jì)采厚;公式應(yīng)用范圍:單層采厚1～3 m，累計(jì)采厚不超過15 m;±號(hào)項(xiàng)為中誤差。

根據(jù)表1中的公式和應(yīng)用條件，取誤差正值(下同)，按照采厚0.5 m的變化間隔，繪制了不同巖性條件下采高由1 m增加至累計(jì)采厚15 m時(shí)導(dǎo)水裂隙高度的變化曲線(圖1)。由圖1可知，在采厚變化的初期(1～6 m)，導(dǎo)水裂隙高度隨采高的變化較大，相同采厚引起的導(dǎo)水裂隙高度差異較大，而在采厚增加到一定程度之后，導(dǎo)水裂隙高度隨采厚增加的增幅減小。主要原因是在厚煤層分層開采條件下，累計(jì)采厚越大，分層開采層數(shù)越多，重復(fù)采動(dòng)程度越來越高，后期分層開采的煤層頂板破碎程度增加，相當(dāng)于巖性越來越軟弱，巖性差異和采厚增加的影響也明顯減弱。采厚增加到一定程度之后，同樣巖性下，采厚增加幾乎不會(huì)引起導(dǎo)水裂隙高度的增大。

圖1 分層開采導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的變化Fig.1 Change of water flowing fracture height with mining height increasing by slicing method

1.2 放頂煤開采

隨著放頂煤采煤法的引入，厚煤層分層開采方法被逐步取代，國內(nèi)學(xué)者對(duì)放頂煤條件下的導(dǎo)水裂隙高度發(fā)育特征做了大量研究，形成了基于實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的計(jì)算式(表2)并給出了其適應(yīng)范圍[18]。根據(jù)公式，得出圖2(a)所示的導(dǎo)水裂隙高度隨采厚變化曲線，其中，圖例中的“+”表示用表2公式計(jì)算時(shí)，取正值。隨采厚增加，導(dǎo)水裂隙高度呈連續(xù)甚至近線性的增加趨勢(shì)。眾所周知，隨著采礦機(jī)械化水平的提高，采用一次采全高綜采的方式成為主流，神東礦區(qū)上灣煤礦一次全采高度甚至達(dá)到8.8 m，與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)公式原始數(shù)據(jù)獲取的開采條件產(chǎn)生巨大差異，傳統(tǒng)計(jì)算公式的適用性已經(jīng)受到限制。但是目前并沒有3～8 m采高綜采方式下系統(tǒng)的導(dǎo)水裂隙高度實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和較為統(tǒng)一的計(jì)算公式可以參考。

此外，如果利用傳統(tǒng)公式所計(jì)算的導(dǎo)水裂隙高度數(shù)值反算煤礦企業(yè)常用的裂采比，會(huì)發(fā)現(xiàn)裂采比隨采厚增加呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)(圖2(b))，并非定值，利用該值來簡單估算導(dǎo)水裂隙高度的方法并不科學(xué)。因此，計(jì)算導(dǎo)水裂隙高度時(shí)不應(yīng)對(duì)所有開采區(qū)域一概而論或者機(jī)械化地借鑒裂采比數(shù)值，即便同一個(gè)礦井也應(yīng)區(qū)別考慮。

表2 綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式
Table 2 Formula for height of water flowing fracture byfully mechanized top-coal caving mining

巖性裂隙帶高度Hli/m堅(jiān)硬巖層Hli=100M0.15M+3.12±11.18中硬巖層Hli=100M0.23M+6.10±10.42軟弱巖層Hli=100M0.31M+8.81±8.21

注:①M(fèi)為采厚，m;② 公式應(yīng)用范圍為采厚3.0～10.0 m。

圖2 綜放開采導(dǎo)水裂隙高度及對(duì)應(yīng)裂采比隨采厚的變化Fig.2 Change of water flowing fracture height and its ratio to mining height with increasing mining thickness

2 導(dǎo)水裂隙帶高度隨采厚的臺(tái)階式變化特征

上覆巖層由于厚度和強(qiáng)度不同，導(dǎo)致其承載特性不同，厚度大、強(qiáng)度高的巖層具有典型的控制作用，其中對(duì)局部巖層運(yùn)動(dòng)起控制作用的巖層稱為亞關(guān)鍵層，對(duì)直至地表所有巖層起控制作用的巖層稱為主關(guān)鍵層。地層中可能不存在亞關(guān)鍵層，但是必然存在主關(guān)鍵層，此時(shí)的主關(guān)鍵層為地層中惟一的關(guān)鍵層[15]。

基于關(guān)鍵層位置及其破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)水裂隙演化的影響規(guī)律，形成了基于關(guān)鍵層位置的頂板導(dǎo)水裂隙高度預(yù)計(jì)方法[16-17]，認(rèn)為只有當(dāng)關(guān)鍵層位置距開采煤層小于某一臨界高度時(shí)，該關(guān)鍵層破斷裂縫才會(huì)貫通成為導(dǎo)水裂隙，且受該關(guān)鍵層控制而同步破斷的上覆巖層破斷裂縫也會(huì)貫通成為導(dǎo)水裂隙。當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層位于臨界高度(7～10)M以內(nèi)時(shí)，導(dǎo)水裂隙將發(fā)育至基巖頂部，導(dǎo)水裂隙高度等于或大于基巖厚度;當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層位于臨界高度(7～10)M以外時(shí)，導(dǎo)水裂隙將發(fā)育至臨界高度(7～10)M上方最近的關(guān)鍵層底部，導(dǎo)水裂隙高度等于該關(guān)鍵層距開采煤層的高度，據(jù)此可以對(duì)不同覆巖關(guān)鍵層條件下的導(dǎo)水裂隙高度進(jìn)行判別。

該方法彌補(bǔ)了以往計(jì)算方法中將覆巖巖性統(tǒng)一均化的不足，而且在采煤方法和煤層采厚上沒有限制，不同礦區(qū)均可以使用，提出以來引起了同行的廣泛關(guān)注，但目前還未基于該方法對(duì)煤層開采厚度變化引起的導(dǎo)水裂隙高度變化特征進(jìn)行深入探討。而在工程實(shí)踐中，卻經(jīng)常需要弄清楚具體的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)條件下，采厚應(yīng)該多少才能保障導(dǎo)水裂隙不溝通含水層。下面以具體的實(shí)例說明導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的變化特征。

2.1 綜放工作面實(shí)例

以彬長礦區(qū)亭南礦二盤區(qū)206工作面為例(圖3)，工作面寬200 m，走向推進(jìn)長度2 239 m，回采4煤層，煤層平均厚度接近20 m，煤層實(shí)際開采厚度7～11 m，上覆洛河組含水層平均厚度361.5 m，煤層距離該含水層176.11～178.80 m。沿工作面推進(jìn)方向存在ZK9-1和ZK9-2兩個(gè)地質(zhì)鉆孔(圖3)，兩個(gè)鉆孔附近煤層實(shí)際采厚分別為7.5 m和9.0 m。運(yùn)用基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙高度判別方法，計(jì)算了2個(gè)鉆孔附近煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度(圖4)。

圖3 工作面平面Fig.3 Ichnography of working face

圖4 亭南煤礦二盤區(qū)鉆孔柱狀Fig.4 Lithological column in No.2 section of Tingnan Coal Mine

為了反映考慮覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)時(shí)導(dǎo)水裂隙高度的發(fā)育特征，在圖5中對(duì)比了基于不同計(jì)算方法的導(dǎo)水裂隙高度判別結(jié)果，其中曲線“傳統(tǒng)方法(中硬巖層+)”表示按照表2提供的3～10 m綜放開采中硬巖性條件取誤差正值所得的導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的變化特征。另外2條曲線分別是基于不同鉆孔柱狀關(guān)鍵層位置的計(jì)算結(jié)果。以圖4中ZK9-1柱狀為例，采厚以0.5 m為間隔增大，按照10倍采厚計(jì)算受影響的臨界關(guān)鍵層層位，當(dāng)采厚在3～7 m內(nèi)變化時(shí)，臨界高度值為30～70 m，均小于17.1 m 粗砂巖亞關(guān)鍵層底界與煤層間距(71.9 m)，此時(shí)導(dǎo)水裂隙高度均發(fā)育至該粗砂巖亞關(guān)鍵層底部，采厚變化導(dǎo)水裂隙高度不變。當(dāng)采厚繼續(xù)增大至7.5 m時(shí)，臨界高度值為75 m，大于71.9 m，該粗砂巖亞關(guān)鍵層破斷形成導(dǎo)水裂隙并且受該關(guān)鍵層控制而同步破斷的上覆巖層破斷裂縫也會(huì)貫通成為導(dǎo)水裂隙，此時(shí)導(dǎo)水裂隙高度將繼續(xù)向上發(fā)育至厚度31.4 m的亞關(guān)鍵層的底界面，導(dǎo)水裂隙高度為147.4 m。此后采厚增加至14.5 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙高度不變。導(dǎo)水裂隙高度突變位置取決于采厚變化與關(guān)鍵層層位關(guān)系。按照柱狀關(guān)鍵層位置將上述過程反映為隨采厚的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在關(guān)鍵層控制作用下導(dǎo)水裂隙高度隨采厚增加呈現(xiàn)近似臺(tái)階式變化。同理，如果采高相同，當(dāng)覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)(即鉆孔柱狀不同)，導(dǎo)水裂隙高度也是不同的。以圖5所示的曲線為例，當(dāng)煤層采厚均為8 m時(shí)，基于不同鉆孔覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水裂隙高度分別是147.4 m和89.3 m。但傳統(tǒng)方法則可能認(rèn)為頂板巖性均屬于中硬巖性，采高不變，即便不同柱狀情況下也僅能得到同一個(gè)導(dǎo)水裂隙帶高度判別結(jié)果，無法體現(xiàn)具體巖層結(jié)構(gòu)差異。

圖5 亭南礦基于不同方法的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculated results based on different methods at Tingnan coal mine

導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的臺(tái)階式發(fā)育特征，對(duì)厚煤層放頂煤合理采放總厚度的確定尤其重要。在綜放開采工程實(shí)際中，頂煤的放出高度不易控制，因此更應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域鉆孔柱狀的關(guān)鍵層位置判別結(jié)果，來準(zhǔn)確判斷放煤高度的安全范圍。比如采厚在什么范圍變化時(shí)不對(duì)導(dǎo)水裂隙高度產(chǎn)生影響，什么范圍處于可能引起導(dǎo)水裂隙高度臺(tái)階式突變的敏感范圍，從而在確保安全的前提下最大限度地回收煤炭資源，提高采出率。當(dāng)然，在一些特殊覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)下，希望通過限制開采高度來降低導(dǎo)水裂隙高度的方法可能收效甚微。以圖5中基于ZK9-2鉆孔柱狀所得的導(dǎo)水裂隙高度變化曲線為例，采厚在9～14 m，導(dǎo)水裂隙高度均為147.9 m，也就是說一定關(guān)鍵層條件下，如果采高變化范圍沒有超出導(dǎo)水裂隙高度產(chǎn)生臺(tái)階的范圍，則采高變化并不引起導(dǎo)水裂隙高度的變化，因此該條件下期望通過將采厚從14 m降低到9 m來減小導(dǎo)水裂隙高度，效果不會(huì)很明顯。從另一角度考慮，在一定范圍內(nèi)增加采高也并不會(huì)增大導(dǎo)水裂隙高度。亭南礦二盤區(qū)206面在該鉆孔位置附近可以增加放煤厚度將總采厚提高至14 m，也不會(huì)增加導(dǎo)水裂隙高度。

2.2 綜采工作面實(shí)例

神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦31401工作面基巖厚120～190 m，煤層采高為4.4 m，在工作面推進(jìn)過程中，連續(xù)發(fā)生了數(shù)十起工作面突水事故[19-21]。獲取該工作面內(nèi)未突水區(qū)域和突水區(qū)域的鉆孔柱狀并進(jìn)行了關(guān)鍵層位置判別，結(jié)果如圖6所示。實(shí)際采厚條件下導(dǎo)水裂隙高度因覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)不同而存在明顯差異。若根據(jù)該柱狀繪制導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的變化曲線(圖7)，發(fā)現(xiàn)隨采厚變化導(dǎo)水裂隙高度同樣存在臺(tái)階式變化特征。而且由于不同開采位置關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)不同，其臺(tái)階變化的位置和突變值也存在差異。如果按照?qǐng)D7突水區(qū)域覆巖結(jié)構(gòu)判斷，采高只能限制在3 m，超過該值則存在突水風(fēng)險(xiǎn)。而如果按照?qǐng)D7未突水區(qū)域覆巖結(jié)構(gòu)判斷，如果煤厚很大，采高甚至可以達(dá)到9 m。工程實(shí)際中，工作面推進(jìn)長度一般4 000～5 000 m，若按照采高相同、頂板均概化為中硬巖性，利用傳統(tǒng)方法(表2公式)計(jì)算，所有推進(jìn)位置的導(dǎo)水裂隙高度僅為一個(gè)固定值，所有區(qū)域均不應(yīng)發(fā)生異常突水。但事實(shí)上工作面推進(jìn)方向上由于覆巖關(guān)鍵層位置變化造成導(dǎo)水裂隙高度異常發(fā)育并引發(fā)了突水事故。補(bǔ)連塔礦31401工作面就是這樣一個(gè)典型的案例。這充分體現(xiàn)了掌握工作面覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)差異的重要性。

2.3 覆巖結(jié)構(gòu)差異對(duì)導(dǎo)水裂隙高度的影響

關(guān)鍵層的賦存特征及其對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)的控制特點(diǎn)，決定了當(dāng)覆巖中存在多層關(guān)鍵層時(shí)，導(dǎo)水裂隙高度隨采高的變化必然呈現(xiàn)臺(tái)階式發(fā)育，臺(tái)階的落差取決于關(guān)鍵層位置、厚度以及相鄰關(guān)鍵層之間的距離。通常情況下，關(guān)鍵層厚度越大、強(qiáng)度越高，關(guān)鍵層作用越明顯，其所控制的層間巖層厚度一般越大，導(dǎo)水裂隙高度發(fā)生臺(tái)階變化的特征越顯著，突變較為明顯，這種情況下如果頂板均為含水性較為豐富的巖層，那么處于導(dǎo)水裂隙高度臺(tái)階變化臨界位置的采厚在小范圍變化時(shí)，則可能引起導(dǎo)水裂隙高度和涌水量較大范圍的增加，從而增加頂板水害防治的難度甚至出現(xiàn)異常突水。

同一個(gè)工作面在由開切眼向收作線的推進(jìn)過程中，由于覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)不同，會(huì)存在導(dǎo)水裂隙高度并非固定值的情況，甚至可能因?yàn)椴町愝^大引起頂板異常出水。這也可以解釋同一個(gè)工作面采高相同情況下頂板涌水特征明顯差異甚至部分區(qū)域引發(fā)異常突水的原因。而基于傳統(tǒng)導(dǎo)水裂隙高度預(yù)計(jì)方法得出的結(jié)果很難對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行解釋?；陉P(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙高度判別方法正是因?yàn)橹苯涌紤]了采厚變化和具體的覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征，可以用于各類采煤工藝、開采煤厚和頂板巖層條件的導(dǎo)水裂隙高度判別，對(duì)其所適用的礦區(qū)和煤系地層也沒有特殊限制，因此具有更廣泛的適用性。

需要指出的是，一次采全高的綜采工作面在工作面布置和設(shè)計(jì)之前就應(yīng)該考慮覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)差異對(duì)導(dǎo)水裂隙高度的影響，一旦工作面形成了，采高確定了，支架的選型也就確定，實(shí)際回采中采高不可能發(fā)生很大變化，尤其是采高不大的綜采工作面。而綜放開采則有所不同，采高一定，放煤厚度不同，總的采厚就不同，而綜放的放煤高度差異容易被忽略，有時(shí)導(dǎo)致實(shí)際采厚異常。因此，綜放開采時(shí)基于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)得出的合理采厚和放煤高度就需要嚴(yán)格控制，在工程實(shí)際中的意義可能更為明顯。當(dāng)然，如果由于斷層、陷落柱等特殊地質(zhì)構(gòu)造的影響而引起導(dǎo)水裂隙高度異常，則另當(dāng)別論。

所以，工程實(shí)際中，掌握關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)影響下導(dǎo)水裂隙高度的變化特征，尤其是清楚地預(yù)判工作面采厚不變而因關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)變化或者采厚變化引起導(dǎo)水裂隙高度突變的可能性，對(duì)開展更嚴(yán)密科學(xué)的防治水工作和防范煤礦水害具有重要意義。

3 工程探測(cè)驗(yàn)證及應(yīng)用

3.1 亭南礦206工作面的鉆孔探測(cè)驗(yàn)證

以彬長礦區(qū)亭南礦巨厚洛河組下厚煤層開采導(dǎo)水裂隙高度探測(cè)結(jié)果為例，探測(cè)鉆孔Y1-1和Y3的位置如圖3所示。由于巨厚洛河組砂巖含水層的存在，鉆探揭露砂礫巖含水層時(shí)，便會(huì)發(fā)生消耗量增大、水位下降等現(xiàn)象，尤其是達(dá)到洛河組底段粗礫巖之后。因此，在判斷導(dǎo)水裂隙帶頂界時(shí)，除了按照導(dǎo)水裂隙高度探測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷以外[22]，重點(diǎn)以沖洗液大量漏失、孔內(nèi)水位持續(xù)下降、孔內(nèi)裂隙增多并存在豎向裂縫作為判定導(dǎo)水裂隙帶頂界的主要依據(jù)。

Y1-1鉆孔位于206工作面，孔口標(biāo)高891.7 m，煤層底板標(biāo)高358.5 m，煤層底板埋深533.2 m，煤厚21.4 m，實(shí)際采放厚度7.5 m。窺視結(jié)果表明，在孔內(nèi)深度292～337 m出現(xiàn)多處環(huán)形裂縫，位于洛河組底界以上50 m范圍內(nèi)?？咨?71 m以下出現(xiàn)豎向裂隙，孔壁變形不規(guī)則，裂縫明顯增大。根據(jù)沖洗液漏失與水位變化情況，深324 m時(shí)進(jìn)入粗礫巖層后水位驟降、孔口不返漿，但鉆孔電視窺視該深度無明顯豎向裂縫，孔內(nèi)仍有較高水位。從孔深371.6 m向下，孔壁出現(xiàn)豎向裂隙，水位從389.1 m深度處開始明顯下降。綜合分析以孔口以下371.6 m處為導(dǎo)水裂隙高度頂界，判斷導(dǎo)水裂隙高度為140.2 m，探測(cè)信息如圖8所示。

圖8 Y1-1鉆孔探測(cè)信息Fig.8 Drilling information of borehole Y1-1

Y3鉆孔位于206工作面，孔口標(biāo)高1 069.6 m，煤層底板標(biāo)高367.6 m，煤層底板埋深702.0 m，煤厚19.3 m，實(shí)際采放厚度9 m。鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)在187 m深度套管以下孔壁有水，孔深186.0～203.0 m可看清孔壁;孔深203.0～483.0 m因水流較大無法看清孔壁;孔深483.0～517.7 m內(nèi)水流充滿孔但處于流動(dòng)狀態(tài);孔深517.7～564.7 m段孔內(nèi)充滿水可看清孔壁。孔深521.7～534.4 m孔壁完整，未見明顯裂隙?？咨?34.4～564.2 m孔壁發(fā)生明顯裂隙，且深度越大鉆孔變形越明顯。結(jié)合沖洗液漏失和孔內(nèi)水位變化情況，判斷孔深534.4 m處為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育頂界，導(dǎo)水裂隙高度為148.3 m。Y3鉆孔探測(cè)信息如圖9所示。

圖9 Y3鉆孔探測(cè)信息Fig.9 Drilling information of borehole Y3

實(shí)際探測(cè)結(jié)果表明(表3)，工作面不同采高條件下鉆孔探測(cè)的導(dǎo)水裂隙高度差異并非隨著采高增加而明顯增加，多發(fā)育至覆巖中宜君組底界面附近。實(shí)測(cè)結(jié)果與基于關(guān)鍵層位置的判別結(jié)果誤差較小。

實(shí)測(cè)表明，在亭南煤礦二盤區(qū)的開采條件下，采厚在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，并沒有引起導(dǎo)水裂隙高度的明顯變化，導(dǎo)水裂隙高度均發(fā)育至宜君組亞關(guān)鍵層下方，工作面開采厚度所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)水裂隙高度處于導(dǎo)水裂隙高度隨采厚變化的曲線平直階段，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的非線性變化特征。

根據(jù)本文研究結(jié)果，亭南礦二盤區(qū)206工作面理論上采厚可以增加至14 m，可在原基礎(chǔ)上多增加5 m放煤高度。以該工作面長度200 m計(jì)算，推進(jìn)長度2 200 m，密度1.36 m3/t，采出率80%，能夠多回收煤炭約239萬t。

3.2 應(yīng) 用

工程實(shí)際中，含水層下采煤應(yīng)根據(jù)工作面不同區(qū)域的鉆孔柱狀，確定具體覆巖關(guān)鍵層條件下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，進(jìn)行采厚的科學(xué)設(shè)計(jì)。如果不重視覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的差異性，則容易走向兩個(gè)極端，既有可能因預(yù)測(cè)不足引發(fā)異常頂板水害，也可能由于過于保守，造成經(jīng)濟(jì)上的不合理和資源的浪費(fèi)。尤其是厚煤層綜放開采時(shí)，更應(yīng)該形成含水層下厚煤層放頂煤開采時(shí)臨界采放總厚度確定方法。

根據(jù)本文研究結(jié)果，以綜放開采為例，用圖10所示方法確定采厚:在工作面開采前，收集工作面內(nèi)全部可用鉆孔的全柱狀(全柱狀:包含從開采煤層到地表所有地層巖性信息的鉆孔柱狀)，進(jìn)行主要防控含水層的標(biāo)識(shí)和覆巖關(guān)鍵層位置的判別，以導(dǎo)水裂隙不直接溝通該含水層為標(biāo)準(zhǔn)，判斷含水層是否是關(guān)鍵層，計(jì)算含水層下方控制該含水層的關(guān)鍵層或與其緊鄰的下方一層關(guān)鍵層的底界面與開采煤層的距離，以10倍煤層采厚為標(biāo)準(zhǔn)，反算得出臨界采放總厚度，減去機(jī)采高度得出臨界的放煤高度。如果實(shí)際頂煤厚度小于該臨界放煤高度，則可以全厚放煤，否則應(yīng)根據(jù)臨界值限厚放煤。

表3 導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)結(jié)果
Table 3 Detection height of water flowing fracture

鉆孔位置采厚/m孔深/m底板埋深/m實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度/m基于關(guān)鍵層的判別值/mY1-1206工作面7.5430533.2140.2147.4Y3206工作面9.0600702.0148.3147.9

圖10 含水層下綜放合理采厚確定方法Fig.10 Determination method of reasonable mining thickness using top-coal mining method under aquifer

該方法在亭南煤礦二盤區(qū)207工作面進(jìn)行了應(yīng)用。207工作面為206工作面的鄰近工作面，開采條件與206工作面相近，其平面圖如圖3所示。工作面寬度200 m，設(shè)計(jì)推進(jìn)長度2 260 m，煤層平均厚度18.3 m，煤體密度1.36 t/m3。受上覆洛河組含水層威脅，設(shè)計(jì)時(shí)采用綜放工藝，但僅開采上分層，上分層實(shí)際煤層厚度平均9.0 m，考慮頂板水防治問題，設(shè)計(jì)回采厚度平均僅為7.5 m，采高3.5 m，放高4.0 m，剩余1.5 m頂煤不放煤。根據(jù)圖10所示方法，認(rèn)為該工作面頂煤可以全部放出，總采厚增至9 m不影響導(dǎo)水裂隙帶高度。因此，開采過程中實(shí)施全厚放煤，并安全回采結(jié)束。工作面實(shí)際推進(jìn)長度2 172.8 m，多采頂煤1.5 m，采出率按照80%計(jì)算，多回采煤炭約71萬t，有效提高了采出率。

4 結(jié) 論

(1)由于煤礦開采條件、采煤工藝方法發(fā)生了巨大變化，傳統(tǒng)導(dǎo)水裂隙高度計(jì)算公式就當(dāng)前煤礦開采條件而言具有一定局限性，其對(duì)頂板巖性均化處理的方式存在不足，且尚未明確煤厚3～8 m大采高一次采全厚條件下相對(duì)通用的導(dǎo)水裂隙高度計(jì)算方法。

(2)工作面在推進(jìn)方向上覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的區(qū)域性差異，決定了采動(dòng)頂板導(dǎo)水裂隙高度在同一個(gè)工作面的差異性是客觀存在的。運(yùn)用基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙高度判別方法，考慮覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的影響，得出導(dǎo)水裂隙高度隨采厚變化呈現(xiàn)臺(tái)階式發(fā)育而非連續(xù)線性變化的特征，臺(tái)階高度取決于關(guān)鍵層厚度及其所控制巖層的厚度。臺(tái)階落差越大，導(dǎo)水裂隙高度突變性越大。

(3)根據(jù)導(dǎo)水裂隙高度隨采厚的臺(tái)階式發(fā)育特征，對(duì)具體條件下導(dǎo)水裂隙高度進(jìn)行區(qū)域性判別，將更加符合工程實(shí)際，可以避免不必要的煤炭損失，提高資源采出率。研究成果指導(dǎo)了亭南礦二盤區(qū)207綜放工作面洛河組砂巖水下的開采實(shí)踐。