弱膠結地層大采高工作面覆巖“兩帶”發(fā)育高度研究

呂文斌，杜明澤，管彥太，趙寶相，牟 義

(1.內蒙古上海廟礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299； 2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

我國煤礦水文地質條件復雜，突水事故時有發(fā)生，是煤礦五大災害事故之一。近年來，隨著西部煤炭資源的開發(fā)，煤炭資源開采深度、開采規(guī)模、開采范圍及開采強度的不斷加大，煤礦生產(chǎn)受水害威脅愈加嚴峻[1-3]。西北深埋侏羅紀煤田存在大批弱膠結軟巖礦井，由于煤層埋藏較深，頂板含水層富水性不均一[4，5]，導致在煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生多起水砂突涌災害，且災害呈現(xiàn)出新的特點，砂源來自砂巖含水層本身，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。

覆巖破壞裂隙發(fā)育特征是引起頂板水害的關鍵因素之一。采礦活動必然造成地下巖體應力的重新分布和巖體的破裂損傷，這種損傷極大地改變了巖體的滲透性，巖體在滲透水壓作用下微裂紋的萌生、擴展、貫通，直到最后宏觀裂紋產(chǎn)生導致失穩(wěn)破壞發(fā)生災變[6，7]。部分學者對于弱膠結巖體的性能以及覆巖破壞“兩帶”發(fā)育高度進行了研究。許延春等[8]基于40多個礦區(qū)實測資料，得出綜放開采條件下垮落帶、導水裂隙帶發(fā)育高度的預計公式；杜明澤等[9]從煤礦區(qū)地下水污染防控的角度，闡述了基于巖層控制的導水裂隙帶發(fā)育高度調控技術現(xiàn)狀；方杰等[10]通過現(xiàn)場實測，得出了軟弱覆巖厚煤層綜放開采工作面的垮采比和裂采比；馮國財?shù)萚11]基于實測數(shù)據(jù)，得出了白堊系特厚煤層綜放開采導水裂縫帶高度與采高的關系；孫慶先等[12]以神華寧煤集團紅柳煤礦1121工作面為例，研究了軟覆巖綜采一次采全高工作面“兩帶”高度；翟志偉等[13]采用礦用本安型鉆孔成像軌跡檢測裝置分析了不同深度段孔內原生裂隙和次生裂隙發(fā)育情況，獲得了七一煤礦9101 回采工作面覆巖破壞發(fā)育高度；尹嘉帝等[14]以潘二礦18111 工作面為例，采用相似模擬、數(shù)值模擬和理論分析，綜合探討了工作面開采過程覆巖裂隙的動態(tài)演化規(guī)律；王振榮等[15]提出了多煤層重復采動條件下導水裂隙帶高度的觀測方法，并將其成果應用于布爾臺煤礦，取得了良好的效果。然而，由于弱膠結巖體遇水易劣化，部分裂隙會發(fā)生彌合，采用傳統(tǒng)的地面和井下鉆孔注水觀測、鉆孔電視觀測難以準確的判斷垮落帶和導水裂隙帶的界限，且鉆孔易塌孔，鉆孔電視成像較為模糊，給“兩帶”發(fā)育高度的判斷帶來難度。光纖監(jiān)測[16]和并行電法監(jiān)測技術[17]是近年來逐漸成熟的技術，對于地層受力變形、地層視電阻率變化有較強的敏感性。鑒于此，在分析弱膠結巖體力學特性的基礎上，采用分布式光纖測試法和并行電法測試技術進行現(xiàn)場實測，并與經(jīng)驗預計公式進行對比，以期獲得弱膠結礦區(qū)工作面開采覆巖破壞規(guī)律，同時為弱膠結地層“兩帶”監(jiān)測提供新的技術手段。

1 工程背景

1.1 工作面概況

新上海一號煤礦111084綜采工作面位于一水平一采區(qū)，為首采區(qū)8煤布置的第二個工作面。煤層平均厚度2.9m，最大3.4m，開采深度358～414m，地面標高+1314.8m，工作面標高+903.13～+949.63m，工作面推進長度1868m，傾斜長度203.7m。工作面頂?shù)装鍘r層巖性以砂質泥巖、細-中砂巖為主。2014年7月—12月，工作面先后發(fā)生4次突水潰砂災害。分析認為，工作面開采導水裂隙帶波及到了上覆直羅組含水層，導致災害的發(fā)生。

圖1 111084工作面位置

1.2 地層條件

井田地質由老到新依次為三疊系延長組(T3y)、侏羅系延安組(J2y)、侏羅系直羅組(J2z)、白堊系志丹群(K1zd)、古近系(E)及第四系(Q)。其中含煤地層為侏羅系延安組，蓋層為白堊系、古近系及第四系；三疊系延長組為侏羅系含煤巖系的基底。

2 弱膠結巖體物化性能及覆巖類型劃分

2.1 巖體耐崩解性

在鉆孔B37埋深325～400m段進行取樣，選取該段部分泥巖、 進行崩解試驗，泥巖在開始階段崩解為片狀[18，19]，隨后向泥漿狀態(tài)轉變。泥巖的軟化劣化特征與其礦物成分有關，泥質膠結物的溶解和黏土礦物的吸水膨脹，使得泥巖遭受結構性破壞；砂巖在3h后基本崩解完全，說明深埋侏羅紀煤田砂巖表現(xiàn)出明顯的流砂屬性。

2.2 弱膠結巖體遇水力學性能

在8煤頂板取心，采用WES-1000B型數(shù)字式萬能試驗機對不同含水狀態(tài)下巖石的單軸抗壓強度進行測試。不同含水狀態(tài)單軸抗壓強度如圖2所示，由圖2可知，隨著含水率的增大，巖石的抗壓強度依次衰減，說明弱膠結泥巖遇水軟化劣化，單軸抗壓強度降低。

圖2 不同含水狀態(tài)單軸抗壓強度

2.3 覆巖強度類型劃分

通過對8煤和15煤進行取心測試，8煤層頂?shù)装宓奶烊缓?.30%～12.69%，飽和抗壓強度為7.20～67.53MPa，天然抗拉強度0.20～6.91MPa。15煤層頂?shù)装宓奶烊缓?.90%～25.87%，飽和抗壓強度為2.48～48.40MPa?？傮w來看，泥巖力學強度偏低，大多數(shù)小于20MPa；砂巖單軸抗壓強度相對較大，強度0～70MPa不等。采用加權的方法，計算近8煤的基巖平均飽和單向抗壓強度為16.67MPa，屬于軟弱巖層；15煤的基巖平均飽和單向抗壓強度為22.82MPa，屬于中硬巖層。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》(以下簡稱《“三下”開采指南》)[20]覆巖巖石強度分類標準，巖體屬于軟弱～中等。

3 弱膠結地層覆巖破壞“兩帶”高度實測

分布式光纖技術在地層變形監(jiān)測中已經(jīng)有較為廣泛的應用，通過監(jiān)測波長變化轉換成地層的應變情況，獲得地層的受力狀態(tài)，正值表示地層受力，負值表示地層受壓。并行電法通過采動前后地層電阻率的變化信息，判斷覆巖破壞的發(fā)育高度。新上海一號煤礦泥巖遇水軟化泥化，采動裂隙易彌合，導致鉆孔電視等常規(guī)方法不能及時捕捉導水裂隙帶發(fā)育情況，因此，采用分布式光纖和并行電法手段，彌補常規(guī)手段的不足，以期為類似地層條件提供技術參考。

3.1 覆巖破壞監(jiān)測布置情況

考慮8煤工作面已經(jīng)開采完畢，在15煤層采用光纖、電法兩種方法對工作面開采覆巖破壞情況進行監(jiān)測，獲得弱膠結地層工作面開采垮采比和裂采比。114152工作面處于侏羅系延安組地層中，煤層傾角3°～13°，平均5.7°，工作面可采走向長1615m，切眼長201.4m，平均采厚為3.7m，煤層開采速度8m/d。工作面及頂?shù)装逯饕獮槟嗌盎?，主要揭露的巖層巖性為15煤、泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖、粗砂巖。114152工作面上部與8煤間距平均約為73.45m，下部與16煤間距平均間距為12.02m。

在114152工作面布置巖層破壞鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)(包括光纖、電法兩種方法)，施工1個地面垂直鉆孔LD-1，孔深475m，終孔層位為15煤頂板上方10m處。光纖裝設完成后進行水泥漿封孔，地面留有采集裝置。鉆孔埋深3根傳感光纜，根據(jù)現(xiàn)場實際條件，1#傳感光纜實際安裝長度為465.4m，2#傳感光纜實際安裝長度為467.04m，3#傳感光纜實際安裝長度為467.04m。電法電纜共96個電極，其中1號電極在地下465.4m，96號電極在地下37.9m，控制垂深427.5m。光纖數(shù)據(jù)初次采集回采工作面運輸巷退尺位置距離鉆孔177m，電法數(shù)據(jù)初次采集回采工作面回風巷退尺位置距離鉆孔340m，采用首次采集數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)初值。隨工作面的不斷推進，直至獲得推過鉆孔位置200m的數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)測結果分析

3.2.1 光纖監(jiān)測結果分析

煤層開采后上覆巖層失去煤層支撐作用力成為懸空體，當其懸空面積隨工作面推進不斷增大，所受自重和上覆巖層壓力前期所引發(fā)巖體表征出彈性→塑性→大變形的過程。如果應變陡增具有連續(xù)性，并當其增大到一定程度后，保持相對穩(wěn)定時，通常認為是產(chǎn)生離層或裂隙發(fā)育穩(wěn)定。當其應變陡增不具有連續(xù)性時，并且應變變化數(shù)值差較大時，通常認為覆巖發(fā)生垮落或者產(chǎn)生較大裂隙；傳感光纜的斷裂，傳感光纜通常都有測試極限，采動引起頂板形變量一般較大，當其形變程度遠超過光纜抗拉強度或抗剪強度時，光纜就會被拉斷或錯斷。拉斷常常發(fā)生在彈性模量較小的巖體中或者巖性分界面，錯斷常常發(fā)生在巖體彈性模量較大的巖體或者相鄰巖層分界面。當其出現(xiàn)斷裂時，作為頂板垮落或者發(fā)生較大離層與裂隙的判別依據(jù)。

1#、2#、3#傳感光纜監(jiān)測結果如圖3所示。由圖3可知，隨著工作面向監(jiān)測鉆孔位置推進過程中，首先在上部白堊系的巖層中產(chǎn)生超前應力響應，并且隨著工作面靠近鉆孔位置，對應巖層內的拉應力值逐漸增大，并在巖層分界面處呈現(xiàn)顯著的“尖突”型拉應變特征，表現(xiàn)為巖層受力出現(xiàn)的離層特征，且層與層之間未溝通，僅是表現(xiàn)為層間離層，即高位離層。白堊系以下侏羅系地層，其整體以泥質類巖性為主，該地層范圍內的基本以壓應變?yōu)橹黧w，局部巖層出現(xiàn)拉應變特征，且根據(jù)應變變化特征與推進位置的對應關系，超前應力水平影響范圍達到100m。侏羅系地層中垂深在425.66m以下深度，整體變化趨勢比較均一，受采動影響呈垮落特征，即垮落帶高度為15煤頂板以上46.7m高度。在垂深397.33m以下深度，即細粒砂巖層位中，至425.6m這一位置雖然以壓應力為主，但局部呈現(xiàn)拉壓應變相互交替，且?guī)r層整體抗拉能力差，垂向裂隙發(fā)育，不斷產(chǎn)生且逐漸閉合，即產(chǎn)生了明顯的中位離層，判斷為導水裂隙帶高度，即導水裂隙高度達到15煤層頂板上方75m。在垂深340.04m，即泥巖與砂巖的分界面處，至397.33m這一區(qū)段，應變值整體偏小，局部呈現(xiàn)壓應變，巖體有發(fā)生下沉的趨勢，故判斷為擾動影響帶高度。

頂板巖體經(jīng)歷下沉、壓實、穩(wěn)定的狀態(tài)，其特征明顯，其中1#傳感光纜應變特征明顯，局部存在差異性，可作為“兩帶”發(fā)育高度的主要依據(jù)；2#傳感光纜下部靠近15煤層頂板巖層中應變特征整體呈現(xiàn)壓應變，局部無明顯的變化；3#傳感光纜在采動初期，下部傳感光纜受到超前應力影響局部發(fā)生破斷，對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定影響。頂板巖體經(jīng)歷下沉、壓實、穩(wěn)定的狀態(tài)，其特征明顯，其中在煤層頂板上面46.7m處為巖層直接垮落帶，75m處為導水裂隙帶形成高度。

3.2.2 并行電法監(jiān)測結果分析

監(jiān)測初始，工作面推進位置距離鉆孔較遠，尚未有明顯的電學特性的變化，以9月10日視電阻率表征原始未擾動巖層電性特征，作為背景值進行對比分析，背景電阻率分布中其值在0～555Ω·m范圍。上部白堊系地層大部分區(qū)域電阻率值分布范圍為150～550Ω·m，而在侏羅系地層范圍電阻率值整體較低，低于100Ω·m，這就從整體上反映了不同地層在電性參數(shù)上的差異，在同一地層的電阻率差異可能為裂隙發(fā)育、含水性不均一所致。

9月27日工作面回采位置距孔口209m，回采位置仍尚未進入有效監(jiān)測區(qū)。結合背景視電阻率剖面圖和當日視電阻率剖面圖對比分析，可以看出白堊系地層電阻率值幾乎沒有變化，表明采動對較上部巖層影響較小。而侏羅紀下部巖層局部區(qū)域視電阻率有少量增高，增高到60～80Ω·m左右，表明較下部巖層已經(jīng)受到巖層采動影響，分析認為是隨著回采工作面的推進，煤層采動超前應力集中，改變了巖層局部物理結構、水文地質特征等，進而影響了局部視電阻率分布，除了局部電阻率有變化之外，其它區(qū)域范圍內視電阻率變化相對較小，變化不明顯。10月12號所監(jiān)測的視電阻率剖面整體電阻率變化不明顯，特別是白堊系地層巖層電阻率值幾乎沒有變化，在侏羅系地層所監(jiān)測的電阻率值有少許變化，電阻率值浮動范圍不大，總的電阻率值控制在100Ω·m以內，沒有顯著的電性變化特征。10月13號日監(jiān)測視電阻率剖面電阻率值明顯發(fā)生巨大變化，此時工作面回采位置距離鉆孔69m，電阻率剖面顯示侏羅系呈現(xiàn)無限高阻，采動超前應力影響顯著。在地面下423m有少數(shù)電極連通，大部分監(jiān)測電極沒能有效測試電流、電位等電性信息，通過對比12號日電阻率剖面，分析認為地面以下130m電法監(jiān)測區(qū)域為無效區(qū)域，不可作為參考。總體而言，并行電法測試效果相對不佳，結果分析以光纖監(jiān)測結果為主，并行電法測試為輔。

綜合光纖和并行電法監(jiān)測結果，考慮到15煤采厚相對較大，綜合判斷垮落帶發(fā)育高度為46.7m，導水裂隙帶發(fā)育高度為75m；114152工作面采高平均3.7m，經(jīng)計算，15煤垮采比為12.62，裂采比為20.27。111084工作面采高為3.4m，按照垮采比和裂采比進行推斷，得出111084工作面垮落帶、導水裂隙帶發(fā)育高度分別為42.9m、68.9m。

4 “兩帶”發(fā)育高度綜合判別

4.1 經(jīng)驗公式預計

111084工作面最大采高為3.4m，114152工作面平均采厚為3.7m，一次采高均大于3m，根據(jù)《“三下”開采指南》[17]，選擇厚煤層綜放開采垮落帶和導水裂隙帶高度(合稱“兩帶”)計算公式進行預計，預計公式見表1。

表1 綜放開采“兩帶”高度計算公式

根據(jù)經(jīng)驗公式，得出111084工作面垮落帶、導水裂隙帶發(fā)育高度分別為25.4m、78m；114152工作面垮落帶、導水裂隙帶發(fā)育高度分別為27.2m、84m。

4.2 數(shù)值模擬結果分析

基于114152工作面地層信息，選取114152工作面參數(shù)對開采過程進行了模擬，模擬每次開挖10m，開挖300m結束。工作面推進過程覆巖破壞特征如圖4所示。由圖4可知，隨著工作面向前推進，直接頂產(chǎn)生下沉、離層及周期性垮落，基本頂產(chǎn)生周期性斷裂，采動影響范圍不斷擴大。在工作面推進過程中，覆巖裂隙不斷向上發(fā)展，到開采210m后，導水裂隙帶高度為56.0m，工作面開采覆巖破壞形態(tài)為“馬鞍形”。

圖4 工作面推進過程覆巖破壞特征

4.3 “兩帶”發(fā)育高度綜合判別分析

通過現(xiàn)場實測、經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬結果，對比114152工作面開采垮落帶、導水裂隙帶發(fā)育高度，具體統(tǒng)計結果見表2。由表2可知，現(xiàn)場實測垮落帶高度較經(jīng)驗公式預計值大；導水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬值最小，其次為實測值，最大為經(jīng)驗預計值?，F(xiàn)場實測結果與經(jīng)驗公式預計結果存在一定的偏差，而《“三下”開采指南》中對于西部深埋侏羅紀煤田弱膠結松軟地層“兩帶”實測的樣本較少，本次測試可為弱膠結松軟地層“兩帶”探測提供新的技術手段，為類似礦井覆巖破壞提供參考。

表2 114152工作面“兩帶”發(fā)育高度結果

5 結 論

1)通過物理力學測試，得出新上海一號煤礦泥巖遇水易泥化，砂巖遇水劣化、崩解；弱膠結松軟巖體遇水強度降低，含水率越大，強度越低；泥巖力學強度偏低，大多數(shù)小于20MPa；砂巖單軸抗壓強度相對較大，強度0～70MPa不等，采用加權的方法，計算近8煤的基巖平均飽和單向抗壓強度為16.67MPa，屬于軟弱巖層；15煤的基巖平均飽和單向抗壓強度為22.82MPa，屬于中硬巖層，總體覆巖劃分為軟弱～中等類型。

2)考慮傳統(tǒng)的地面和井下鉆孔注水觀測、鉆孔電視觀測對于弱膠結松軟地層判斷模糊，采用光纖和并行電法綜合方法，15煤垮落帶、導水裂隙帶發(fā)育高度分別為46.7m、75m，垮采比為12.62，裂采比為20.27，與經(jīng)驗公式相比，垮落帶較預計值大，導水裂隙帶相對偏小?！丁叭隆遍_采指南》中弱膠結松軟地層實測樣本少，實測結果可為經(jīng)驗公式提供樣本參考，也為類型礦井覆巖破壞監(jiān)測提供技術手段。