開(kāi)采覆巖裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)應(yīng)用

岳 勃

(同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037001)

隨著礦井開(kāi)采深度的增加，上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度已經(jīng)逐漸成為制約礦井安全生產(chǎn)的問(wèn)題和隱患。覆巖裂隙帶高度受多方面因素影響，涉及時(shí)效問(wèn)題和動(dòng)力學(xué)知識(shí)，但對(duì)其進(jìn)行深入研究，可以通過(guò)分析覆巖裂隙帶形成機(jī)制，最終確定裂隙帶發(fā)育高度。同忻礦8309工作面回采時(shí)受覆巖含水層影響較大，為了避免工作面發(fā)生突水事故，需要對(duì)工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。本文通過(guò)理論分析覆巖運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律，采用導(dǎo)高觀測(cè)儀觀測(cè)技術(shù)確定了工作面導(dǎo)水裂隙帶高度，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工作面概況

同忻礦8309工作面位于三盤(pán)區(qū)的西南部，北東部為三盤(pán)區(qū)三條盤(pán)區(qū)大巷，北西為實(shí)煤區(qū)，南西至銀塘溝村保護(hù)煤柱，南東為8307回采工作面。工作面標(biāo)高818～842m，走向長(zhǎng)度2770.5m，傾斜長(zhǎng)度200m。工作面主采C3～5#煤層，煤層厚度10.8～18.00m，平均厚度14.88m，煤層傾角0°～3°，平均傾角1.5°。

工作面北東部上覆為同家梁礦侏羅系11#、14#煤層采空區(qū)，其中，11#、14#煤層采空區(qū)與3-5#煤層層間距分別為208～239m、178～209m。工作面南西部上覆為白洞礦侏羅系11#、14#煤層采空區(qū)，其中，11#煤層采空區(qū)與3-5#煤層層間距分別為239～272m、209～243m。根據(jù)白洞礦 11#、14#煤層充水性圖，11#煤層采空區(qū)無(wú)積水，14#煤層采空區(qū)有積水，積水量20.4萬(wàn)m3。

2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

2.1 覆巖破壞形態(tài)

工作面回采前，覆巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，隨著工作面回采，應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，覆巖開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，發(fā)生變形破壞。覆巖變形破壞形式自上而下劃分為彎曲帶、裂隙帶和垮落帶三種形態(tài)，如圖1所示。

由圖1可知，工作面回采后，覆巖彎曲下沉逐漸垮落。覆巖三帶中，彎曲帶巖層未出現(xiàn)裂隙，裂隙帶和垮落帶巖層出現(xiàn)大量的裂隙。只有存在裂隙的巖層才能導(dǎo)水，因此，將裂隙帶與垮落帶共同稱(chēng)為覆巖導(dǎo)水裂隙帶。工作面頂板至裂隙帶頂端（與彎曲度交界處）的距離為覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

圖1 覆巖破壞形態(tài)

2.2 導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)分區(qū)

工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶由于巖層性質(zhì)、裂隙發(fā)育程度及頂板離層不同，裂隙帶不同高度導(dǎo)水能力也各不相同。根據(jù)裂隙發(fā)育程度及滲水量將導(dǎo)水裂隙帶劃分為微小、一般和嚴(yán)重導(dǎo)水裂隙帶，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)分區(qū)圖

微小、一般和嚴(yán)重導(dǎo)水裂隙帶裂隙發(fā)育程度、導(dǎo)水連通性、導(dǎo)水能力及滲水量各不相同，如表1所示。

表1 不同導(dǎo)水裂隙帶特點(diǎn)

微小、一般和嚴(yán)重導(dǎo)水裂隙帶裂隙發(fā)育高度占整個(gè)覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度不同，通常已經(jīng)垮落巖層高度和微小裂隙帶大約各占1/4，一般和嚴(yán)重導(dǎo)水裂隙帶共占大約1/2。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 觀測(cè)方案

采用導(dǎo)高觀測(cè)儀觀測(cè)技術(shù)對(duì)8309工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，其觀測(cè)原理示意圖如圖3所示。

圖3 導(dǎo)高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)原理圖

將相鄰的8307工作面聯(lián)絡(luò)巷作為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)硐室，向8309工作面采空區(qū)上方頂板施工導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)鉆孔。聯(lián)絡(luò)巷與8309工作面之間的區(qū)段煤柱寬度為20m，鉆孔的施工長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度。通過(guò)圖3中的膠囊將施工的鉆孔進(jìn)行封堵，采用注水控制臺(tái)向已封堵的鉆孔進(jìn)行注水，根據(jù)鉆孔漏水量來(lái)判定該段巖層裂隙發(fā)育程度及導(dǎo)水能力。用分段觀測(cè)的方法，每段觀測(cè)高度為1～2m，通過(guò)觀測(cè)每段漏水量最終確定8309工作面導(dǎo)水裂隙帶高度。8309工作面觀測(cè)鉆孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 8309工作面鉆孔布置示意圖

共布置3個(gè)鉆孔，分別為1#、2#、3#鉆孔，分別通過(guò)不同高度、角度滲水量來(lái)確定8309工作面導(dǎo)水裂隙帶高度。

3.2 觀測(cè)結(jié)果分析

1#、2#、3#鉆孔觀測(cè)仰角、長(zhǎng)度及導(dǎo)水裂隙帶高度如表2所示。

表2 鉆孔參數(shù)及導(dǎo)高值

1#鉆孔：

8309工作面覆巖高度為109.2～115.8m范圍時(shí)，該區(qū)域內(nèi)巖層滲水量為3.5～4.1L/min，小于5L/min，該段巖層滲水量小，導(dǎo)水連通性差，覆巖的裂隙帶未發(fā)育至此高度。工作面覆巖高度為84～105.7m時(shí)，該區(qū)域內(nèi)巖層滲水量為11.7～24.5L/min，部分區(qū)域大于20L/min，該段巖層滲水量大，導(dǎo)水連通性好，覆巖裂隙帶已發(fā)育至此高度。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，將1#鉆孔實(shí)測(cè)高度由107.7m降低到105.7m時(shí)，巖層滲水量由4.7L/min大幅度上升至14.8L/min。因此，通過(guò)1#鉆孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，8309工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為105.7m。

2#鉆孔：

8309工作面覆巖高度為109.9～116.8m范圍時(shí)，該區(qū)域內(nèi)巖層滲水量為4.3～5.2L/min，小于5L/min，該段巖層滲水量小，導(dǎo)水連通性差，覆巖的裂隙帶未發(fā)育至此高度。工作面覆巖高度為82.6～108.2m時(shí)，該區(qū)域內(nèi)巖層滲水量為11.7～24.5L/min，部分區(qū)域大于20L/min，該段巖層滲水量大，導(dǎo)水連通性好，覆巖裂隙帶已發(fā)育至此高度。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，將2#鉆孔實(shí)測(cè)高度由109.9m降低到108.2m時(shí)，巖層滲水量由5.6L/min大幅度上升至11.7L/min。因此，通過(guò)2#鉆孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，8309工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為108.2m。

3#鉆孔：

8309工作面覆巖高度為109.1～117.4m范圍時(shí)，該區(qū)域內(nèi)巖層滲水量為3.5～4.1L/min，小于5L/min，該段巖層滲水量小，導(dǎo)水連通性差，覆巖的裂隙帶未發(fā)育至此高度。工作面覆巖高度為84.9～107.1m時(shí)，該區(qū)域內(nèi)巖層滲水量為11.7～24.5L/min，部分區(qū)域大于20L/min，該段巖層滲水量大，導(dǎo)水連通性好，覆巖裂隙帶已發(fā)育至此高度。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，將3#鉆孔實(shí)測(cè)高度由109.1m降低到107.1m時(shí)，巖層滲水量由3.9L/min大幅度上升至9.1L/min。因此，通過(guò)3#鉆孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，8309工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為107.1m。

1#、2#、3#鉆孔觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度分別為105.7m、108.2m、107.2m，3個(gè)鉆孔觀測(cè)導(dǎo)高之間誤差較小，結(jié)合8309工作面地質(zhì)條件，避免發(fā)生突水事故。因此，將工作面導(dǎo)水裂隙帶高度取3個(gè)鉆孔觀測(cè)最大值H=108.2m。

4 結(jié)論

（1）同忻礦8309工作面為研究對(duì)象，理論分析了覆巖運(yùn)動(dòng)破壞后自上而下分為彎曲帶、裂隙帶和垮落帶，由于只有存在裂隙的巖層才能導(dǎo)水，因此，將裂隙帶與垮落帶共同稱(chēng)為覆巖導(dǎo)水裂隙帶。并根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶裂隙發(fā)育程度及滲水量，將其劃分為微小、一般和嚴(yán)重導(dǎo)水裂隙帶。

（2）采用導(dǎo)高觀測(cè)儀觀測(cè)技術(shù)對(duì)8309工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)布置3個(gè)鉆孔觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度分別為105.7m、108.2m、107.2m，為保證工作面安全回采，取觀測(cè)最大值H=108.2m為8309工作面導(dǎo)高。