淺埋厚煤層工作面導水裂隙帶發(fā)育高度研究

王子升

(國家能源集團神東技術研究院，陜西 神木 719300)

地下煤層被采出以后，頂板覆巖垮落斷裂，根據(jù)上覆巖層的破斷變形情況，將回采結束后的上覆巖層分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，垮落帶和裂隙帶統(tǒng)稱為導水裂隙帶[1-3]。導水裂隙帶是溝通采空區(qū)與上覆含水層的導水通道，若導水裂隙帶的發(fā)育高度大于或等于開采煤層與頂板含水層的間距，含水層中的水就會通過導水裂隙涌入開采工作面或巷道，造成煤層突水。因此，準確確定工作面導水裂隙帶高度對防止地下水流失及礦井防治水具有重要指導意義。導水裂隙帶的發(fā)育受礦井現(xiàn)場地質和技術條件的綜合影響，影響導水裂隙帶高度發(fā)育的因素主要包括煤層埋深、采高、圍巖性質、工作面推進速度等[4-6]。為了研究導水裂隙帶的發(fā)育程度和規(guī)律，長期以來專家學者們進行了大量的研究和探索。研究導水裂隙帶高度的手段和方法主要有理論分析法[7]、物理實驗法[8]、計算機數(shù)值模擬法[9]、鉆孔沖洗液漏失量觀測法[10]、物探法[11]、鉆孔電視法[12]以及井下分段注水法[13]等。通過長期的研究，眾多專家學者對傳統(tǒng)深埋工作面導水裂隙帶發(fā)育高度的研究有了充分認識，為諸多礦井的安全生產提供了重要保障[15-17]。

隨著我國東部礦區(qū)煤炭資源開采殆盡，煤炭開采逐漸往西部地區(qū)轉移，西部礦區(qū)成為新的能源開發(fā)重點戰(zhàn)略區(qū)域。不同于東部礦區(qū)的深井開采，淺埋厚煤層是西部礦區(qū)工作面開采的顯著特點[18-20]。與常規(guī)深井煤層開采相比，淺埋煤層的頂板大都為單一關鍵層結構，少數(shù)為雙關鍵層結構，因此淺埋煤層覆巖破斷、垮落規(guī)律存在明顯差異，上覆基巖不易形成穩(wěn)定結構。此外，厚煤層大采高導致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤層開采后頂板立即發(fā)生冒落，頂板覆巖裂隙發(fā)育明顯。目前，針對淺埋厚煤層導水裂隙帶發(fā)育高度的影響還在探索階段，尚沒有形成完畢的研究體系。寸草塔二礦31204工作面是典型淺埋厚煤層開采工作面，本文綜合采用相似模擬試驗、井下分段注水監(jiān)測以及鉆孔電視觀測對31204工作面的導水裂隙帶高度進行研究確定。研究成果不僅可以為寸草塔二礦的安全生產提供理論技術支持，也能為相似淺埋厚煤層工作面的開采提供指導借鑒。

1 工程概況

寸草塔二礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，屬于神東礦區(qū)。神東礦區(qū)煤炭資源儲量豐富，煤層埋深淺且賦存條件優(yōu)越，地質構造簡單，有利于大規(guī)模開采。但礦區(qū)地表植被稀少，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，容易受到礦井開采影響而發(fā)生破壞。礦區(qū)煤層上覆基巖薄，含水層距淺部主采煤層近，開采不當便會造成水資源流失及礦井突水等事故。

寸草塔二礦31204工作面位于2-2煤22115和22117采空區(qū)下方，3-1煤回風大巷西北側，31205綜采工作面西南側，為3-1煤層二盤區(qū)第四個工作面，如圖1所示。工作面地面標高1269.5～1331m，底板標高1006～958m，煤層厚度為6.35～7.39m，平均煤厚6.87m，工作面采用放頂煤開采，是典型淺埋厚煤層開采工作面。工作面內含水層為侏羅系-白堊系志丹群砂巖裂隙含水層、侏羅系直羅組裂隙含水層、侏羅系延安組裂隙含水層及2-2煤至3-1煤層間基巖裂隙水。若31204工作面開采不當將導致導水裂隙帶發(fā)育程度高，工作面通過導水裂隙帶與含水層溝通，含水層介質孔隙完全充滿水分，這些水分沿著導水裂隙帶的裂隙滲入工作面，不僅給工作面生產帶來突水潰沙的危險還會造成地下水流失。因此有必要對工作面導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律及高度進行研究，從而達到合理控制導水裂隙帶高度的要求，為工作面安全開采和地下水保護提供足夠保障。

圖1 31204工作面布置

2 相似模擬試驗

實驗室相似模擬試驗是研究導水裂隙帶發(fā)育高度和規(guī)律的有效手段。實驗室相似模擬試驗不僅能預測導水裂隙帶的大致高度、確定現(xiàn)場鉆孔的觀測范圍，而且能直觀動態(tài)演示上覆巖層的垮落、破斷和裂隙發(fā)育過程，揭示淺埋煤層工作面采動過程中的導水裂縫帶的演化規(guī)律。因此，筆者首先采用相似模擬試驗對導水裂隙帶的發(fā)育展開研究。

2.1 試驗設計

寸草塔二礦工程地質條件簡單，參照31204工作面綜合柱狀圖設計相似試驗模型如圖2所示。二維平面試驗臺尺寸為270cm×20cm×300cm(長×寬×高)，煤層埋深271.47m，設計試驗幾何相比為1：100，模型最終尺寸為270cm×20cm×280cm(長×寬×高)。試驗選取細河沙、石膏和碳酸鈣為膠結材料，云母粉作為分層材料。模型鋪設完成后，為便于觀察測量，在模型平面繪制10cm×10cm的網格。在模型兩側各留20cm邊界煤柱以消除邊界效應，工作面每次開挖10cm，待覆巖發(fā)育穩(wěn)定后開始下一循環(huán)的開挖。

圖2 相似試驗模型

2.2 試驗結果

模型開挖過程如圖3所示，頂板覆巖的垮落破斷隨工作面推進呈現(xiàn)動態(tài)演化過程。隨工作面開挖，頂板覆巖的發(fā)育變化大致分為三個階段。

1)階段一：垮落帶發(fā)育階段。受尺寸效應影響，工作面開挖初期頂板覆巖不發(fā)生變形，但隨著工作面開采距離增加，煤層頂板逐漸變形破斷和垮落。工作面推進到45m時，煤層被采出后，頂板下方出現(xiàn)較大空洞，直接頂在自重力的作用下發(fā)生斷裂垮斷，垮落巖塊充滿采空區(qū)，垮落帶高度為16.4m。

2)階段二：導水裂隙帶快速發(fā)育階段。直接頂垮落后隨工作面繼續(xù)推進，頂板下方采空區(qū)空洞不斷加大，頂板也隨之繼續(xù)變形垮落。受張拉力影響，工作面后方和煤壁位置首先產生縱向裂隙，其后工作面中部上覆頂板產生橫向裂隙直至離層。當工作面推進至100m時，基本頂懸露步距達到極限，基本頂及其上覆隨動層大面積垮落。采空區(qū)上方覆巖形成梁結構，梁邊緣位置的覆巖因受拉形成縱向切落裂隙自下而上發(fā)展，這些試驗現(xiàn)象都是典型的“兩帶”特征，此時導水裂隙帶高度為22.6m。工作面推進至130m時，頂板覆巖離層裂隙發(fā)育明顯，采空區(qū)垮落巖塊逐漸被壓實，未垮落巖層彎曲變形明顯。

3)階段三：導水裂隙帶穩(wěn)定階段。隨著工作面開挖，采空區(qū)垮落巖石壓實范圍和壓實程度均得到明顯發(fā)展，頂板變形垮落速度也逐漸變緩。當工作面推進至200m時，頂板離層裂隙基本閉合，也不再有新的切向裂隙產生，導水裂隙帶發(fā)育趨于穩(wěn)定，隨工作面繼續(xù)開挖至終采線，導水裂隙帶高度基本不再發(fā)生變化。

工作面全部回采結束且待覆巖充分發(fā)育穩(wěn)定后，觀測發(fā)現(xiàn)導水裂隙帶的最終形態(tài)呈“梯形”分布，發(fā)育高度約為49.7m。

3 現(xiàn)場實測

導水裂隙帶發(fā)育高度的現(xiàn)場實測方法很多，但研究發(fā)現(xiàn)鉆孔法是目前觀測精度最高的方法[21，22]，因此，采用井下分段注水法和鉆孔電視法進行現(xiàn)場實測。

3.1 井下分段注水監(jiān)測

井下分段注水法現(xiàn)場觀測時不僅要考慮現(xiàn)場施工和觀測的便利性，也要保證探測鉆孔的角度和長度能穿透頂板導水裂隙帶。根據(jù)寸草塔二礦的現(xiàn)場實際生產條件，待31204工作面回采結束頂板覆巖充分發(fā)育穩(wěn)定后，選取31205輔運巷中部布置鉆窩對31204采空區(qū)導水裂隙帶發(fā)育高度進行分段注水監(jiān)測，井下分段注水監(jiān)測如圖4所示。前述相似模擬試驗研究確定的導水裂隙帶高度為49.7m，為充分保證導水裂隙帶的最大發(fā)育高度及考慮施工方便，預測實際導水裂隙帶高度為60m，即鉆孔垂高不低于60m，最終設計鉆孔仰角為45°，鉆孔斜長85m。

鉆孔注水漏失量變化如圖5所示，31204工作面回采完成覆巖發(fā)育穩(wěn)定后，各層位巖石破壞彎曲狀態(tài)不同，鉆孔注水漏失量也因而表現(xiàn)出差異。鉆孔傾斜長度29m(垂直高度20.5m)之前的孔段位于區(qū)段煤柱上方，此段巖層不受采動影響，無新生裂隙產生，鉆孔注水僅滲入到覆巖原生裂隙中，因此鉆孔注水漏失量較小，其值均在7L/min以下。鉆孔傾斜長度大于29.0m后，鉆孔注水漏失明顯，其值普遍較高，最大為25.2L/min，最小為11.3L/min，說明頂板覆巖進入導水裂隙帶范圍。導水裂隙帶范圍巖層垮落破斷嚴重，原生裂隙擴展發(fā)育，新生裂隙數(shù)量急劇增加，造成了鉆孔注水漏失量的增加。沿著鉆孔傾斜方向繼續(xù)發(fā)展，孔深大于75.0m(垂直高度53.0m)后鉆孔注水漏失量又出現(xiàn)明顯下降，其值與初始煤柱上方孔段大體一致，說明此段巖層已穿出導水裂隙帶，巖層不再發(fā)生破壞，完整程度好。由以上分析可知，75m孔深是鉆孔注水漏失量的明顯分界點，因此推斷鉆孔斜深75m以內巖層為導水裂隙帶范圍，即導水裂隙帶高度為53.0m。

圖5 鉆孔注水漏失量

3.2 鉆孔電視監(jiān)測

為保證監(jiān)測結果的準確性，且遵循一孔多用的原則，鉆孔注水漏失量監(jiān)測完成后又在同一鉆孔進行鉆孔電視監(jiān)測，鉆孔電視監(jiān)測結果如圖6所示。由圖6可看出：不同孔深時鉆孔電視成像結果表現(xiàn)出明顯的差異性?？咨?4.0m(垂直高度9.9m)處位于區(qū)段煤柱上方，不受采動影響，鉆孔孔壁光滑完整，無明顯裂隙出現(xiàn)，僅少量原生裂隙分布?？咨?1.0m(垂直高度21.9m)處，鉆孔孔壁粗糙程度顯著增加，層向裂隙發(fā)育明顯，巖石開始出現(xiàn)破碎，說明此區(qū)段已位于導水裂隙帶范圍內?？咨?2.0m(垂直高度29.7m)處孔壁坍塌，巖石破碎嚴重，且觀測過程中此位置鉆孔電視探頭被破碎巖石卡住，說明巖石垮落嚴重，此段巖層仍處于導水裂隙帶范圍內?？咨畲笥?9.0m(垂直高度48.8m)后，鉆孔孔壁又逐漸趨于完整，不再有明顯破碎和裂隙出現(xiàn)，說明自孔深大于69m后頂板覆巖已穿出導水裂隙帶范圍。由此判斷，導水裂隙帶為孔深69.0m以內的巖層范圍，即導水裂隙帶為煤層上方48.8m的垂直巖層范圍。

圖6 鉆孔電視監(jiān)測結果

3.3 導水裂隙帶高度綜合分析

從研究數(shù)據(jù)來看，實驗室相似模擬試驗得到寸草塔二礦31204工作面導水裂隙帶高度為49.7m，井下分段注水法與鉆孔電視法現(xiàn)場監(jiān)測得到的結果分別為53.0m和48.8m，最大研究結果與最小研究結果誤差值僅為7.9%，說明了研究結果的可靠性。

從操作實用性來看，實驗室相似模擬試驗研究成本低且研究周期短，但實驗室試驗不可避免地會忽略很多現(xiàn)場的地質和生產因素，從而對研究結果造成偏差。井下分段注水法對鉆孔兩端的封堵要求高，若封堵效果不好也會對試驗結果造成偏差。此外，井下分段注水法不能直觀呈現(xiàn)頂板覆巖的發(fā)育形態(tài)且成本較高。鉆孔電視法對觀測地點要求低，且操作簡單、實用性高，能將頂板覆巖的發(fā)育形態(tài)以圖片的形式直接呈現(xiàn)出來?？梢?，鉆孔電視法是最簡便有效的現(xiàn)場觀測手段。

4 結 論

1)采用相似模擬試驗對淺埋厚煤層工作面的導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及高度進行了初步預測，研究表明導水裂隙帶隨工作面的推進呈動態(tài)發(fā)展過程，其最后發(fā)育形態(tài)為不規(guī)則的“梯形”。

2)采用井下分段注水法與鉆孔電視法對導水裂隙帶的發(fā)育高度進行了現(xiàn)場監(jiān)測，不同現(xiàn)場監(jiān)測方式得到結果相近，但不同實測方式的操作性和適用性存在差異。

3)淺埋厚煤層工作面導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律不同于常規(guī)深埋工作面，為保證工作面安全生產，應提前對工作面導水裂隙帶發(fā)育高度進行準確預測。