大平煤礦綜放開采頂板裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究

連躍東,朱 偉

(1. 山西大平煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200; 2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

水體下壓覆煤炭資源在我國各大生產(chǎn)礦區(qū)都存在，諸如地表水、松散含水層以及富含水基巖含水層等，都對地下煤層的安全開采造成安全隱患。水體下煤炭資源開采在我國已有60余年的開采研究歷史，取得了豐碩的成果，對各類型煤層開采導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律都有了較為準(zhǔn)確的掌握，極大程度上保障了煤礦水體下安全開采和頂板水害的綜合防治[1-2]。對于厚煤層綜放開采工藝，其有著高產(chǎn)高效的優(yōu)勢以及對不良地質(zhì)條件的高度適應(yīng)性得到了廣泛的應(yīng)用，關(guān)于綜放開采導(dǎo)水裂縫帶，專家學(xué)者進(jìn)行了較多的研究。導(dǎo)水裂縫帶的現(xiàn)場原位探測通常有地面鉆探、井下鉆探以及物探等方式[3-5]，有時多種方式結(jié)合互相驗(yàn)證以確保觀測成果的可靠性。滕永海[6]等通過實(shí)測研究了潞安礦區(qū)厚煤層綜放裂縫帶發(fā)育規(guī)律，并與分層開采裂縫帶進(jìn)行了對比分析。劉貴[7]等采用實(shí)測和物理模擬研究了彬長礦區(qū)特厚煤層綜放開采裂縫帶發(fā)育規(guī)律，得到工作面間留設(shè)一定寬度隔離煤柱可有效抑制覆巖破壞高度。文獻(xiàn)[8-10]分別通過鉆探實(shí)測、物探以及數(shù)值理論方法研究了淮南、康平以及龍口海域綜放覆巖破壞規(guī)律。許家林[11]等考慮頂板覆巖結(jié)構(gòu)特性，分析了關(guān)鍵層對于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的控制作用，并指導(dǎo)解決了現(xiàn)場的生產(chǎn)問題。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了多個地表大型水體下采煤工程實(shí)踐[12-14]，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

煤層特定開采工藝條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度和規(guī)律是水體下采煤安全實(shí)施的主控因素，關(guān)系到防水安全煤巖柱的留設(shè)、開采工藝的選擇和防治水工作的開展。大平煤礦近期規(guī)劃開采濁漳河下壓煤資源，礦井尚缺乏綜放開采導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測資料。本文以該礦3108工作面為觀測試驗(yàn)工作面，采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測方法探測綜放開采覆巖破壞的發(fā)育特征，為濁漳河下安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)采礦條件

大平煤礦為山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)和個人聯(lián)合持股煤炭開采企業(yè)，年生產(chǎn)能力120萬t，主采二疊系下統(tǒng)3#煤層，厚度5.8～6.0 m，傾角2～5°，采用綜采放頂煤工藝，全部陷落法管理頂板。本次觀測試驗(yàn)工作面為一采區(qū)北翼3108工作面，工作面寬度196 m，推進(jìn)長度290 m。地表較為平坦，平均標(biāo)高約+886 m，3#煤層底板標(biāo)高約+570～575 m，鉆孔揭露第四系厚15～20 m。本礦井位于沁水煤田，屬于典型的石炭二疊系含煤地層，頂板覆巖主要以各類砂巖、泥巖和砂泥巖為主，交互沉積，其中,頂板主要含水層為K8砂巖含水層以及K10砂巖含水層，距離煤層頂板約30 m和96 m。3108工作面距離濁漳河河床較近，地表潛水位較高，工作面開采后形成了大面積塌陷積水區(qū)，最大積水深度達(dá)到4 m，如圖1所示。

圖1 觀測孔布設(shè)位置圖

2 綜放裂縫帶高度原位探測

覆巖破壞地面鉆探勘測通過在采空區(qū)代表性的位置施工鉆孔，觀測鉆進(jìn)過程中水文參數(shù)包括沖洗液消耗量以及鉆探水位等和異常鉆探現(xiàn)象來綜合分析確定裂縫帶發(fā)育高度，其探測原理如圖2所示，該探測方法可以準(zhǔn)確測定水文參數(shù)隨頂板深度的變化規(guī)律。到目前為止，國內(nèi)已進(jìn)行了約500個導(dǎo)水裂縫帶高度探測鉆孔，為準(zhǔn)確掌握覆巖破壞規(guī)律提供了基礎(chǔ)資料。

L—工作面寬度；h1—垮落帶；h2—裂隙帶；h3—彎曲帶；H—埋深
圖2裂縫帶發(fā)育與鉆探探測示意圖

為了獲得綜放導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，大平煤礦在3108工作面布設(shè)了D1和D2兩個鉆孔(圖1)，位于運(yùn)巷內(nèi)側(cè)20 m，距離切眼位置超過100 m，滿足布孔要求。根據(jù)鉆孔水文觀測數(shù)據(jù)，繪制了各觀測參數(shù)隨鉆孔深度的變化曲線，如圖3(D1鉆孔為例)所示，以掌握水文參數(shù)隨孔深不斷向煤層采空區(qū)接近變化情況，確定不同層位巖層破壞和裂隙發(fā)育情況。

圖3 D1鉆孔水文參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系圖

D1鉆孔在鉆進(jìn)深度160 m進(jìn)尺以上沖洗液消循環(huán)正常，消耗量非常小，約為0.01～0.03m3/m(每鉆進(jìn)1 m消耗沖洗液立方數(shù))，觀測提鉆后水位為2.4～3.6 m。可以看出該段地層中原生裂隙不發(fā)育，巖層導(dǎo)水性較差。160～190 m進(jìn)尺區(qū)間內(nèi)，取芯鉆進(jìn)沖洗液消耗量有所增大，約為0.03～0.26 m3/m，但沖洗液循環(huán)正常；提鉆后孔內(nèi)水位3.6～5.3 m，有下降趨勢，幅度較??；注水試驗(yàn)顯示基本不漏失。繼續(xù)取芯鉆進(jìn)190～220 m層段，沖洗液消耗量呈現(xiàn)明顯增加，孔內(nèi)返漿量明顯減小，特別是在孔深194 m處，沖洗液消耗量從0.3 m3/m突增至1.7 m3/m，向下消耗量大幅度增加，至208 m孔內(nèi)沖洗液循環(huán)中斷。提鉆后水位下降較快，由6.4 m陡增至24 m，下降幅度逐漸加大，至孔深203 m水位已下降至86 m，至212 m孔內(nèi)水完全漏失，測不到水位。特別在經(jīng)過孔深192～200 m層段，有輕微卡鉆現(xiàn)象，鉆取巖芯出現(xiàn)縱向高角度裂縫，巖芯裂隙較發(fā)育，如圖4所示。種種現(xiàn)象顯示鉆孔已聯(lián)通下部開采導(dǎo)水裂縫帶。

圖4 D1鉆孔裂縫帶頂界面位置巖層裂隙情況

通過分析各水文觀測數(shù)據(jù)成果，按照水文參數(shù)變化的起點(diǎn)作為確定導(dǎo)水裂縫帶高度的依據(jù)，D1鉆孔頂板深度約為304 m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂點(diǎn)孔深為192.38 m，該孔裂縫帶高度約為304-192.38=111.62 m。兩個鉆孔觀測數(shù)據(jù)綜合分析成果如表1所示。

表1 裂縫帶高度觀測成果表

通過對D1和D2兩個綜放觀測孔水文觀測數(shù)據(jù)綜合分析，3108工作面綜放導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為頂板以上105.53～112.62 m，裂采比為19.18～19.42。綜放開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育較為充分和劇烈，由于3108工作面開采地表塌陷積水情況下，井下未發(fā)生涌水量異常增大情況，因此從生產(chǎn)實(shí)際佐證了導(dǎo)水裂縫帶高度遠(yuǎn)小于頂板巖層厚度，并未與地表水體導(dǎo)通。

3 綜放開采覆巖破壞裂縫帶發(fā)育規(guī)律

大平煤礦地理位置屬于山西沁水煤田潞安礦區(qū)，其地質(zhì)采礦條件與相鄰潞安礦區(qū)煤礦相差無幾，開采煤層均為二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層，開采工藝為綜采放頂煤，全部陷落法管理頂板，將類似地質(zhì)采礦條件下厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶觀測結(jié)果進(jìn)行類比分析，如表2所示。

可以看出，大平煤礦所在潞安礦區(qū)綜放開采導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測結(jié)果具有較好的集中性。在采厚5.2～6.0 m情況下，實(shí)測裂縫帶絕對高度達(dá)到頂板以上102.27～116.3 m，綜合各礦裂采比均值為19.54。采用回歸方法，獲取導(dǎo)水裂縫帶最大高度計算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Hli=20 M(1)

式中,M為煤層綜放有效采厚，m。以式(1)計算大平煤礦綜放開采導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度，可作為地表河流水體下采煤防水安全煤巖柱的留設(shè)依據(jù)。

表2沁水煤田潞安礦區(qū)綜放覆巖破壞實(shí)測結(jié)果

4 巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

鉆孔鉆進(jìn)過程中，對部分巖層進(jìn)行了取芯，取芯段深度主要位于風(fēng)化帶以下裂縫帶頂界面以上縱向空間，這部分巖層將承擔(dān)阻隔地表水下滲的作用，研究此段巖層的巖性以及隔水特性具有重要意義。通過取芯情況可以看出，所取巖芯為各類砂巖、泥巖交互沉積，其中泥巖覆存比例較高，達(dá)到50%以上。部分巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3巖石力學(xué)試驗(yàn)成果表

通過兩個鉆孔取樣巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，各巖層均有吸水軟化現(xiàn)象，軟化系數(shù)為0.29～0.85，低于0.5的試件占比達(dá)到70%，巖層遇水軟化膨脹，極大地限制了導(dǎo)水裂縫帶在巖層中的上位擴(kuò)展，堵塞了上覆水體的滲流通道，具有很好的阻隔水性能，對地表濁漳河下開采比較有利。

5 結(jié) 論

(1)大平煤礦3#厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測高度為頂板以上105.53～112.62 m，裂采比為19.18～19.42，厚煤層綜放裂隙帶高度發(fā)育較為劇烈，綜放裂縫帶高度與采厚基本成正比，具有統(tǒng)一性。經(jīng)驗(yàn)公式可以作為相關(guān)煤柱留設(shè)依據(jù)。

(2)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，裂縫帶頂界面以上巖層具有軟化特征，巖層隔水性能良好，有利于抑制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育擴(kuò)展。

(3)研究成果為下一步礦井濁漳河下壓煤資源開采和頂板水害防治提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。