伊犁礦區(qū)覆巖“兩帶”發(fā)育特征及對工作面涌水的影響研究

崔志中，崔樹彬

(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) 煤炭資源與安全開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 創(chuàng)新研究院，山東 新泰 271200)

煤層開采打破了圍巖原始應(yīng)力平衡，頂板失穩(wěn)后發(fā)生斷裂、垮落等非連續(xù)變形，產(chǎn)生采動裂隙并逐步向上發(fā)展，該范圍巖體滲透性大大增強(qiáng)，移溝通上部含水層成為工作面的直接充水水源。因此，覆巖破壞特征是水體下采煤成功與否的關(guān)鍵因素，也是確定合理采厚和防水安全的重要判據(jù)。準(zhǔn)確掌握覆巖破壞特征是實(shí)現(xiàn)水體下安全開采的必要前提。采動影響下的覆巖破壞是一個極其復(fù)雜的災(zāi)害力學(xué)問題，諸多學(xué)者對采動巖體裂隙發(fā)育及其擴(kuò)展規(guī)律等做了深入研究。謝和平[1-3]研究了采動巖體分形裂隙網(wǎng)絡(luò)隨采寬增加的演化規(guī)律；余學(xué)義等[4-6]闡述了覆巖中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定條件與采動損害之間的關(guān)系；張玉軍等[7-9]研究得出了多分層開采后的覆巖裂隙演化特征，推導(dǎo)出水平分層綜放開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)計公式；肖樂樂等[10]分析了薄基巖淺埋厚煤層綜放條件下的覆巖運(yùn)移破壞過程，得到了采動裂隙發(fā)育規(guī)律；劉濤[11]對淺埋薄基巖煤層上覆頂板在回采動壓影響下的穩(wěn)定性及隔水性進(jìn)行了相關(guān)研究；王振榮等[12]提出多煤層重復(fù)采動條件下導(dǎo)水裂隙帶高度的觀測方法，并以此研究了重復(fù)采動條件下的覆巖運(yùn)移對導(dǎo)水裂隙帶的影響規(guī)律；曾一凡等[13]研究得出風(fēng)化會進(jìn)一步增加基巖富水性，并修正了導(dǎo)水裂隙帶的計算公式；邢延團(tuán)[14]研究了巨厚洛河組下煤層開采，得出采高變化時導(dǎo)水裂隙帶高度并沒有明顯變化，發(fā)育范圍主要受覆巖關(guān)鍵層控制，而薄基巖條件下基巖內(nèi)很難形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，隨工作面推進(jìn)全厚度斷裂[15]。

但上述研究成果集中在我國東部礦區(qū)，如兗州、徐州、皖北、兩淮、平莊等礦區(qū)，為實(shí)現(xiàn)水體下安全開采、提高煤層開采上限和資源回收率起到了促進(jìn)作用。而我國新疆地區(qū)煤炭資源開發(fā)較晚，覆巖破壞實(shí)測工作仍處于起步階段，實(shí)測數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，覆巖破壞特征尚未研究清楚，給礦井的防治水工作帶來了極大困難，煤炭資源不能高效開采，制約了新疆地區(qū)煤炭產(chǎn)能的發(fā)揮。伊犁礦區(qū)煤層厚度大、埋深淺，基巖具有薄且軟的沉積特征，地表第四系孔隙含水層是本區(qū)中等富水含水層。煤層采厚均在5m以上，高強(qiáng)度開采加劇了覆巖采動裂隙的發(fā)育高度和破壞程度，導(dǎo)致工作面涌水量巨大。因此，亟需開展伊犁礦區(qū)覆巖破壞特征研究，準(zhǔn)確掌握采動裂隙發(fā)育形態(tài)，分析礦井充水規(guī)律并合理評價煤層開采對覆巖含水層的影響，為礦井安全開采提供重要依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

伊犁四礦21-1煤為礦井首采煤層，位于侏羅系水西溝群下統(tǒng)八道灣組上段(J1b2)，八道灣組(J1b)為屬陸相碎屑巖沉積，分為上下兩段，厚度58.03～506.86m，平均256.37m。21-1煤厚度約為8.24m，其上部為灰色中砂巖，分層厚度57.36m，巖石遇水易松散，巖層柱狀如圖1所示。

圖1 巖層柱狀

礦井首采面21103工作面位于11采區(qū)南部+660m水平，走向長1700m，傾斜寬120m，傾角4°～9°，平均6°，煤層厚度8.5～4.8m，平均7.1m，埋深55～140m，平均埋深約102m，煤層頂?shù)装鍘r性均屬軟巖。工作面范圍內(nèi)古近系砂礫巖層普遍發(fā)育，可通過冒裂帶成為開采煤21-1的直接或間接充水因素。含水層水位標(biāo)高約+805.5m，水頭高度為17～74m，平均46m。工作面頂板基巖隔水層厚度為37～55m，平均44m，基巖巖性為泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖交互構(gòu)成，透水性差，具良好的隔水性。

2 工作面涌水規(guī)律

21103工作面正常推進(jìn)速度為8m/d，但回采過程中受地質(zhì)構(gòu)造、管理等因素，推進(jìn)速度快慢不一，導(dǎo)致過程中涌水量變化明顯，可分為以下階段：

初期少量涌水階段：正常推進(jìn)速度為8m/d，在0～500m范圍內(nèi)工作面勻速正常推進(jìn)，頂板出現(xiàn)規(guī)律性冒落，但0～245m范圍內(nèi)的覆巖中古近系砂礫巖層發(fā)育不明顯，工作面充水條件不足，涌水量極小。推進(jìn)245～500m范圍開始進(jìn)入進(jìn)入含水層下開采，下端頭架后頂板首次出現(xiàn)淋水，水量較小(1～3m3/h)，其它地方未出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，其原因是此處支護(hù)強(qiáng)度較大，頂板冒落不及時，裂隙帶向上發(fā)育時間長，導(dǎo)水通道發(fā)育不完全。

中期大量涌水階段：此事工作面推進(jìn)速度出現(xiàn)變化，導(dǎo)致覆巖破斷規(guī)律出現(xiàn)異常，由此導(dǎo)致工作面的涌水量起伏明顯，推進(jìn)速度越慢，覆巖裂隙發(fā)育越充分，工作面涌水量越大。當(dāng)工作面推進(jìn)至500m時，回風(fēng)巷推采速度慢，而運(yùn)輸巷正在調(diào)采，對回風(fēng)巷側(cè)頂板重復(fù)擾動，使裂隙帶發(fā)育高度增大，從而導(dǎo)通含水層，在上端頭架后頂板同樣出現(xiàn)淋水，最大涌水量23m3/h；當(dāng)工作面推至756m時短時間停采，頂板處于長時間懸臂狀態(tài)，裂隙帶向上發(fā)育充分，工作面整體出現(xiàn)淋水，工作面最大涌水量37m3/h，24h后水量減小至3m3/h。

末期涌水穩(wěn)定階段：工作面推采基本結(jié)束，覆巖破壞時間變長，覆巖裂隙以向上發(fā)展為主，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度緩慢穩(wěn)定增加，等發(fā)育至一定高度后覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使得工作面的涌水量出現(xiàn)緩慢增加-穩(wěn)定的變化規(guī)律。工作面推進(jìn)至1663m時(距終采線15m)，推采速度減慢，覆巖破壞時間變長，工作面初始涌水量為8m3/h，之后逐漸增大至20.5m3/h，隨后減小至12.4m3/h并穩(wěn)定。工作面回撤過程中，由于支架撤出使頂板冒落，撤出速度慢，使裂隙帶向上發(fā)育，從而出現(xiàn)淋水情況，自下端頭往上撤至11#支架時下端頭冒落，冒落區(qū)出現(xiàn)涌水，初始涌水量為33m3/h，之后涌水量減小穩(wěn)定至28m3/h。

3 覆巖運(yùn)移特征實(shí)測方案

3.1 觀測方法

鉆孔沖洗液漏失量觀測方法(簡稱鉆孔沖洗液法)通過直接觀測鉆進(jìn)過程中的鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位、鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)異常情況(卡鉆、掉鉆、鉆孔吸風(fēng))、鉆探取芯和地質(zhì)描述等資料來綜合判定垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度及其破壞特征[16]。采用GD3Q-GR型鉆孔全孔壁成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用反光錐鏡攝取360°孔壁圖像，由計算機(jī)對圖像進(jìn)行采集處理，形成連續(xù)的全孔壁展開圖像[17，18]。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

覆巖破壞觀測采后鉆孔設(shè)計開孔直徑168mm，套管直徑127mm，為了滿足觀測段鉆孔電視對孔徑的要求，基巖觀測段直徑不低于91mm。

3.3 鉆孔位置

根據(jù)工作面推進(jìn)過程中的涌水規(guī)律及21103工作面采空區(qū)地表地形施工條件，確定在距工作面切眼500m和800m的位置施工觀測孔CH01孔、CH02孔，如圖2所示。CH01觀測孔在工作面傾向上距離運(yùn)輸巷18m，CH02觀測孔在工作面傾向上距離回風(fēng)巷24m，2個采后觀測孔按距離切眼的距離由遠(yuǎn)及近先后施工。

圖2 21103工作面覆巖破壞觀測孔位置

4 觀測結(jié)果分析

4.1 覆巖特性分析

CH01鉆孔地表標(biāo)高+893.00m，終孔深度為65.78m，揭露的第四系地層厚23.29m，巖性以粘土、沙土為主；古近系地層厚4.43m，巖性以砂礫、粘土為主；侏羅系下統(tǒng)八道灣組上段38.06m，巖性由粘土巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖組成。CH02鉆孔地表標(biāo)高+910.00m，終孔深度為77.15m，揭露的第四系地層厚35.66m，巖性以粉砂土為主；古近系地層厚1.20m，巖性以砂礫為主；侏羅系下統(tǒng)八道灣組上段40.29m，巖性由粘土巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖組成。由此可以看出，煤層頂部直至地表全范圍內(nèi)均為軟弱巖層，無關(guān)鍵層控制覆巖運(yùn)移，工作面回采后彎曲下沉帶缺失。

4.2 鉆孔沖洗液漏失量觀測結(jié)果分析

4.2.1 CH01鉆孔觀測結(jié)果及分析

CH01鉆孔鉆進(jìn)至孔深39.53m時反液量開始變小，在孔深40.03～41.03m段，鉆孔沖洗液消耗量為0.054～0.207l/s·m，表明此段巖層裂縫不發(fā)育；從孔深41.24m開始，鉆孔沖洗液消耗量增大至0.983L/s·m，隨后在孔深41.59m處略減小至0.710L/s·m，在孔深41.73m消耗量增大至1.983L/s·m，在孔深41.98m處鉆孔沖洗液處于臨界返水狀態(tài)，在孔深42.34m處沖洗液循環(huán)徹底終止。鉆孔水位則從孔深41.24m處由距離孔底40.04m迅速下降至距離孔底11.19m，在孔深42.34～56.72m段水位距離孔底只有1.27～2.87m，至孔深59.62m后觀測不到水位，如圖3所示。

圖3 CH01孔沖洗液漏失量和鉆孔水位變化曲線

鉆探取芯結(jié)果顯示：在孔深39.34～49.51m層段巖芯較完整，巖性為粘土巖、細(xì)砂巖和粉砂巖，可見輕微的次生裂縫，裂縫面新鮮、無充填物，表現(xiàn)為采動裂縫發(fā)育特征，如圖4所示。鉆孔在鉆進(jìn)至50.7m之后多次出現(xiàn)掉鉆甚至輕微卡鉆現(xiàn)象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，下部層段巖芯基本已失去原有層序性，如圖5所示。

圖4 CH01鉆孔39.34～49.51m段巖芯照片

圖5 CH01鉆孔50.45～55.87m段破碎巖芯照片

上述層段出現(xiàn)沖洗液漏失及鉆孔水位大幅下降直至孔內(nèi)水位全部消失的現(xiàn)象是覆巖受到采動破壞性影響，覆巖采動裂隙延伸擴(kuò)展，改變了巖層原有的完整性，增加了巖層滲透性，使得鉆孔沖洗液漏失量增加，直至循環(huán)中斷、孔內(nèi)水位全部漏失。由于沖洗液消耗出現(xiàn)在鉆孔自套管底部繼續(xù)往下鉆進(jìn)初期39.53m處，因此認(rèn)為裂隙帶頂點(diǎn)位置應(yīng)在39.53m處。鉆孔在鉆進(jìn)至50.70m之后多次出現(xiàn)掉鉆甚至輕微卡鉆現(xiàn)象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，可以初步判定垮落帶頂點(diǎn)在孔深50.70m處。

4.2.2 CH02鉆孔觀測結(jié)果及分析

CH02鉆孔的沖洗液漏失量從孔深57.24m開始變小至孔深59.14m全部漏失且不再返水，鉆孔水位變化的觀測從孔深57.24m開始至孔深64.58m觀測不到水位，如圖6所示。

圖6 CH02孔沖洗液漏失量和鉆孔水位變化

鉆探取芯反映在孔深57.34～64.02m層段巖芯較完整，巖性為粘土巖、細(xì)砂巖和粉砂巖，可見輕微的次生裂縫，裂縫面新鮮、無充填物，表現(xiàn)為采動裂縫發(fā)育特征。鉆孔在鉆進(jìn)至64.21m之后多次出現(xiàn)掉鉆甚至輕微卡鉆現(xiàn)象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，下部層段巖芯基本已失去原有層序性。由于煤層處于淺埋深薄基巖的沉積環(huán)境，沖洗液漏失量在57.24m開始變小，因此認(rèn)為裂隙帶頂點(diǎn)位置應(yīng)在套管底部以下，在孔深57.24m位置；鉆孔在鉆進(jìn)至64.21m之后同樣多次出現(xiàn)掉鉆甚至輕微卡鉆現(xiàn)象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，可以初步判定垮落帶頂點(diǎn)在孔深64.21m。

4.3 覆巖采動破壞鉆孔彩色電視成像觀測

4.3.1 CH01鉆孔彩色電視探測成果分析

通過CH01鉆孔的彩色電視探測，如圖7所示，鉆孔數(shù)據(jù)可以直觀地看到在觀測段的孔壁上是否有由于受采動而發(fā)育的孔洞和裂隙，從裂隙的發(fā)育規(guī)模與形態(tài)上，可分辨出裂隙是否為采動裂隙。

圖7 CH01鉆孔彩色電視探測成果

從圖7可知，鉆孔孔壁在39.36m以上，鉆孔孔壁較光滑，39.36m至50.44m處鉆孔孔壁有較明顯的裂隙，50.44m以下鉆孔孔壁呈現(xiàn)出明顯的采動冐落特征，因此從鉆孔孔壁的破壞程度，也直觀的反應(yīng)了巖層的冒落特征，即裂隙帶頂點(diǎn)位置應(yīng)在39.36m處，垮落帶頂點(diǎn)位置應(yīng)在50.44m處。

4.3.2 CH02鉆孔彩色電視探測成果分析

CH02鉆孔數(shù)據(jù)采集自孔深44.90m開始至71.10m結(jié)束，觀測段長度26.20m。根據(jù)探測資料，可以直觀地看到在觀測段的孔壁上發(fā)育有規(guī)模不等的孔洞和裂隙，從裂隙的發(fā)育規(guī)模與形態(tài)上，可分辨出裂隙是否為采動裂隙，CH02鉆孔與CH01鉆孔方法相同，在此不再贅述。根據(jù)鉆孔電視成像資料反映的采動裂隙的發(fā)育程度與分布特征，同樣明顯看出CH02孔的垮落帶頂點(diǎn)位于孔深64.96m，裂隙帶頂點(diǎn)位于孔深57.49m。

綜上所述，受覆巖厚度及巖性影響，工作面采空區(qū)上部僅存在“兩帶”，即垮落帶和裂隙帶，無形成彎曲下沉帶的覆巖條件。在CH01孔位置采空區(qū)的裂隙帶頂點(diǎn)位置約為孔深39.5m處，垮落帶頂點(diǎn)約在孔深50.5m處，該處21-1煤層頂部埋深約為63.0m，因此該處采空區(qū)垮落帶高度12.5m，裂隙帶高度為23.5m。CH02孔位置采空區(qū)的裂隙帶頂點(diǎn)位置約為孔深57.4m處，垮落帶頂點(diǎn)約在孔深64.5m處，該處21-1煤層頂部埋深約為73.2m，因此該處采空區(qū)垮落帶高度8.7m，裂隙帶高度為15.8m。

5 覆巖運(yùn)移對工作面涌水的影響

觀測中，CH01孔對應(yīng)工作面調(diào)采期間，工作面推進(jìn)速度慢，導(dǎo)致覆巖變形破壞時間長、采動裂隙發(fā)育豐富，“兩帶”發(fā)育高度大與含水層溝通，導(dǎo)致工作面涌水量較大。而CH02孔對應(yīng)工作面均勻快速推采過程，該過程中均未出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，并且地面隨周期來壓出現(xiàn)有規(guī)律的沉陷。

沉陷步距與周期垮落步距相同，說明軟弱覆巖隨采隨冒，加之推采速度快，裂隙發(fā)育剛開始頂板就周期整體性垮落，如圖8所示，其中泥巖、粉砂巖等軟巖在垮落后快速壓實(shí)，彌合裂隙導(dǎo)水通道，減小了水害威脅。

圖8 薄基軟巖煤層大面積采空區(qū)覆巖破壞發(fā)育形態(tài)預(yù)想

結(jié)合21103工作面兩帶觀測和工作面出水分析，對21111工作面設(shè)計與支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，以減少21111工作面推進(jìn)過程中的涌水量及可能發(fā)生的安全事故。該工作面位于礦井+625m水平11采區(qū)西南部，位于21103工作面西部，如圖9所示。

圖9 工作面位置關(guān)系

一方面將工作面設(shè)計為利于快速推采的規(guī)整的長方形，推采速度控制在每班3刀，一天9刀的快速勻速的速度，保證冒落步距合理；另一方面對巷道頂板破碎的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，利于推采后上運(yùn)輸巷隨周期來壓能快速冒落。截止2019年7月底已經(jīng)推采800m，回采以來，工作面未出現(xiàn)出水現(xiàn)象，并且地面沉陷步距和垮落步距一致，表明工作面設(shè)計、支護(hù)方案及推采速度比較合理，保證了工作面頂板和地面的周期、快速、整體冒落。

6 結(jié) 論

1)伊犁礦區(qū)煤層埋深淺，頂部直至地表全范圍內(nèi)均為軟弱巖層，無關(guān)鍵層控制覆巖運(yùn)移，工作面采空區(qū)上部僅存在“兩帶”，即垮落帶和裂隙帶，無形成彎曲下沉帶的覆巖條件。

2)實(shí)測得出采空區(qū)“兩帶”發(fā)育特征對工作面涌水量的影響規(guī)律。采空區(qū)垮落帶高度12.5m和裂隙帶高度為23.5m時，工作面涌水量較大；采空區(qū)垮落帶高度8.7m和裂隙帶高度為15.8m，工作面涌水量極小。

3)得出工作面推進(jìn)速度對軟弱薄基巖覆巖“兩帶”發(fā)育特征的影響機(jī)制。推進(jìn)速度慢會給覆巖采動裂隙充分的發(fā)育時間，“兩帶”發(fā)育高度大，與含水層溝通導(dǎo)致工作面涌水量大；加快工作面推進(jìn)速度，全部軟弱覆巖會隨采隨冒，地表出現(xiàn)整體性、規(guī)律性沉陷，為充分發(fā)育的“兩帶”被快速壓實(shí)，彌合裂隙導(dǎo)水通道，減少工作面涌水。