王臺(tái)鋪煤礦條帶開(kāi)采覆巖“三帶”高度實(shí)測(cè)研究

萇 珂

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦，山西 沁水 048000）

井工開(kāi)采中覆巖“三帶”的研究對(duì)于生產(chǎn)作業(yè)安全、礦山環(huán)境保護(hù)及地表復(fù)墾等具有重要意義，多年來(lái)一直是研究的重點(diǎn)方向[1-2]。然而現(xiàn)有研究多數(shù)集中在長(zhǎng)壁垮落法工作面方面，對(duì)于條帶開(kāi)采覆巖“三帶”的研究較少[3]。本文以王臺(tái)鋪煤礦XV2317 南條帶工作面為研究背景，通過(guò)采用井下壓水試驗(yàn)法對(duì)條帶開(kāi)采后覆巖的“三帶”高度進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。

1 工程概況

XV2317 南條帶工作面處于朝天宮村西北部，徐家?guī)X村東部，西王臺(tái)村北部，王臺(tái)鋪礦排矸井筒西側(cè)。工作面位于二水平二盤區(qū)，煤層底板標(biāo)高為+634～+646 m，地面標(biāo)高為+815～+867.5 m。工作面走向長(zhǎng)度為344.54～348.32 m，傾向長(zhǎng)度為133～184.76 m，面積為54 740.5 m2。XV2317 工作面所采煤層為15#煤層，回采范圍內(nèi)煤層總厚度為1.8～3 m，平均厚度為2.7 m。煤層傾角為1°～3°，平均1.5°。煤層黑色，亮煤，碎塊狀，半金屬光澤，裂隙較發(fā)育，夾矸為泥巖，屬于較穩(wěn)定煤層。煤層普氏硬度為2～4，夾矸普氏硬度為1～2。

煤層無(wú)偽頂，煤層直接頂、老頂均為石灰?guī)r，厚8.33 m，深灰色，致密，中厚層狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，上部裂隙發(fā)育，方解石脈充填，含蜓類化石；直接底為鋁土泥巖，厚7.71 m，淺灰～灰白色，致密，塊狀，具滑面，有滑感，底部含黃鐵礦結(jié)核豐富；老底為石灰?guī)r，深灰色，中厚層狀，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，少量裂隙，方解石脈充填，頂部裂隙面含少量黃鐵礦斑晶。

2 實(shí)測(cè)方法及方案

2.1 實(shí)測(cè)方法

壓水實(shí)驗(yàn)作為測(cè)量覆巖“三帶”范圍的一種有效技術(shù)手段已被廣泛應(yīng)用，總體來(lái)說(shuō)，可以劃分為井下壓水試驗(yàn)和地表壓水試驗(yàn)兩類。由于井下壓水試驗(yàn)具有施工量小、施工簡(jiǎn)便、試驗(yàn)周期短等顯著優(yōu)點(diǎn)，且在鉆孔位置的選擇及方向精度的控制方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面得到廣泛應(yīng)用。

井下壓水試驗(yàn)的試驗(yàn)原理為通過(guò)在巷道向采空區(qū)內(nèi)頂板巖層打設(shè)鉆孔，通過(guò)壓水試驗(yàn)過(guò)程中獲得的流速及注水壓力等數(shù)據(jù)判定巖層內(nèi)孔隙及裂隙發(fā)育情況，進(jìn)而掌握覆巖“三帶”的發(fā)育范圍。為實(shí)現(xiàn)端頭堵漏，鉆孔施工過(guò)程中孔底位置應(yīng)高于覆巖裂隙帶范圍，鉆孔孔底一般應(yīng)高于裂隙帶最高處10～20 m。測(cè)試時(shí)，鉆孔兩端應(yīng)該施工堵漏，并采用分段加壓注水的方法分別測(cè)試鉆孔不同位置的流速及注水壓力等指標(biāo)。最終，通過(guò)對(duì)鉆孔不同位置的注水流速及壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定“三帶”的發(fā)育范圍。一般而言，流速大且漏水量大的位置就是裂隙高度發(fā)育的位置，反之，巖層完整性較好。井下壓水試驗(yàn)法如圖1。

圖1 井下壓水試驗(yàn)法

2.2 實(shí)測(cè)方案

為測(cè)試XV2317 南條帶工作面覆巖“三帶”分布特征，在工作面的回風(fēng)及運(yùn)輸巷（XV23173）設(shè)計(jì)并施工兩個(gè)壓水鉆孔，分別編號(hào)為1#和2#。1#鉆孔深度77 m，2#鉆孔深度81 m，兩鉆孔均按一定傾角打入工作面?zhèn)软敯鍘r層內(nèi)，傾角分別為58°和66°。施工過(guò)程中，鉆孔開(kāi)口先使用Φ140 mm 鉆頭鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔穿過(guò)垮落帶范圍后，在鉆孔內(nèi)安裝Φ120 mm 套管，并在套管外側(cè)焊接配套的法蘭盤及閘閥，后使用高標(biāo)號(hào)水泥將鉆孔外壁與空隙進(jìn)行密封處理。最后，采用Φ95 mm 鉆頭鉆進(jìn)至鉆孔終孔，并關(guān)閉套管閘閥，從而防止采空區(qū)積水及有毒有害氣體通過(guò)鉆孔涌入工作面。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為保證試驗(yàn)測(cè)得的注水流速及壓力等指標(biāo)具有可對(duì)比性，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)保證每次注水水頭壓力（0.5 MPa）及注水時(shí)間（30 min）保持不變，并記錄試驗(yàn)過(guò)程中的鉆孔深度、流速、注水壓力及壓水時(shí)間等數(shù)據(jù)。

3.1 1#鉆孔分析

1#鉆孔試驗(yàn)得到的詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可以繪制出XV2317 南工作面1#鉆孔不同深度處的流速曲線，如圖2。

表1 XV2317 南工作面1#鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 XV2317 南工作面1#鉆孔流速曲線

由圖2 及表1 可知，隨著鉆孔深度的增加，流速基本呈降低趨勢(shì)。當(dāng)鉆孔深度小于15 m 時(shí)，注水流速大于12 L/min，而注水壓力在0.50 MPa 以下。這表明該范圍內(nèi)巖體較為破碎，巖層內(nèi)裂隙十分發(fā)育。當(dāng)鉆孔深度處于20～60 m 范圍時(shí)，注水流速相較于鉆孔深度小于15 m 時(shí)急劇降低，注水流速為4～8 L/min，注水壓力為0.6～0.9 MPa。這表明相較于鉆孔淺處位置巖層，該位置處巖層裂隙發(fā)育程度明顯降低。當(dāng)鉆孔深度大于65 m 時(shí)，注水流速大大降低，流速基本處于1.2 L/min 以下，注水壓力則增高至1.2 MPa 以上。這表明該位置處巖層節(jié)理裂隙極不發(fā)育。綜上，可以認(rèn)為鉆孔深度15～20 m 位置對(duì)應(yīng)于垮落帶與裂隙帶的分界處，鉆孔深度60～65 m 位置對(duì)應(yīng)于裂隙帶與彎曲下沉帶分界處。根據(jù)1#鉆孔傾角計(jì)算得出垮落帶范圍為12.45～16.6 m，裂隙帶最高位于49.80～53.95 m。

3.2 2#鉆孔分析

2#鉆孔試驗(yàn)得到的詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以繪制出XV2317 南工作面2#鉆孔不同深度處的流速曲線，如圖3。

表2 XV2317 南工作面2#鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 XV2317 南工作面2#鉆孔流速曲線

由圖3 及表2 可知，當(dāng)鉆孔深度小于10 m 時(shí)，注水流速大于11.5 L/min，而注水壓力在0.47 MPa 以下。這表明該范圍內(nèi)巖體較為破碎，巖層內(nèi)裂隙十分發(fā)育。當(dāng)鉆孔深度處于15～65 m 范圍時(shí)，注水流速相較于鉆孔深度小于10 m 時(shí)急劇降低，注水流速為2.5～7.5 L/min，注水壓力為0.6～0.8 MPa。這表明相較于鉆孔淺處位置巖層，該位置處的巖層裂隙發(fā)育程度明顯降低。當(dāng)鉆孔深度大于65 m 時(shí)，注水流速大大降低，流速基本處于0.6 L/min 以下，而注水壓力則增高至0.9 MPa 以上。這表明該位置處巖層節(jié)理裂隙極不發(fā)育。綜上，可以認(rèn)為鉆孔深度10～15 m 位置對(duì)應(yīng)于垮落帶與裂隙帶的分界處，鉆孔深度65～70 m 位置對(duì)應(yīng)于裂隙帶與彎曲下沉帶分界處。根據(jù)2#鉆孔傾角計(jì)算得出垮落帶范圍為8.8～13.2 m，裂隙帶最高位于57.2～61.6 m。

4 結(jié)論

根據(jù)1#鉆孔計(jì)算得出垮落帶位于煤層上方12.45～16.6 m 范圍內(nèi)，裂隙帶最高位于煤層上方49.80～53.95 m 處。根據(jù)2#鉆孔計(jì)算得出垮落帶位于煤層上方8.8～13.2 m，裂隙帶最高位于煤層上方57.2～61.6 m 位置處。綜合兩鉆孔結(jié)果可以確定XV2317 南條帶工作面垮落帶高度約為8.8～16.6 m，裂隙帶上限為49.8～61.6 m。