萬利一礦煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度研究

智國軍，劉 潤(rùn)，楊瑞剛，曹志國，鞠金峰，趙富強(qiáng)

(1.國能包頭能源有限責(zé)任公司 萬利一礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；3.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008；4.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

萬利一礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)，屬典型的干旱半干旱礦區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱。礦井主采3-1煤和4-2煤，屬于近距離煤層群開采條件；由于煤層埋藏淺、采高大，煤炭開采引起的導(dǎo)水裂隙必然會(huì)對(duì)區(qū)域水系環(huán)境造成影響，導(dǎo)致地下水流失、地表生態(tài)破壞等[1，2]。因此，開展萬利一礦淺埋煤層群開采條件下的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度研究對(duì)于指導(dǎo)礦井科學(xué)實(shí)施保水采煤與生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

有關(guān)東勝及周邊類似礦區(qū)淺埋煤層大采高條件下的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律，已有不少學(xué)者開展研究[3-6]，并取得豐富研究成果。余學(xué)義等[3]結(jié)合力學(xué)模型和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)陜北淺埋煤層賦存條件，對(duì)比研究了一次采全高和限高留煤柱兩種開采方法對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，為保護(hù)地表含水層提供了依據(jù)。楊俊哲等[4]綜合采用鉆孔沖洗液漏失法和鉆孔電視觀測(cè)相結(jié)合方法，對(duì)補(bǔ)連塔煤礦大采高綜采的覆巖“兩帶”高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)。然而，對(duì)于諸如萬利一礦這種煤層群、大采高開采條件的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育，卻較少涉及。雖然《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”)中已給出了用于預(yù)計(jì)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[7]，且該公式也已得到許多工程實(shí)踐的驗(yàn)證，但萬利一礦煤層5m左右的大采高開采條件已超出上述統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式采高3m以內(nèi)的適用條件，直接利用該經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度的判斷顯然是不合適的。巖層控制的關(guān)鍵層理論的提出為研究掌握采動(dòng)巖層運(yùn)動(dòng)及其引起的裂隙演化規(guī)律提供了重要理論依據(jù)[8，9]，基于這一理論許家林等研究提出了基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)新方法[10，11]；由于其考慮煤層頂板巖層具體賦存情況，因而預(yù)計(jì)結(jié)果精度相比“規(guī)程”經(jīng)驗(yàn)公式明顯提高，并在多個(gè)礦井的實(shí)際工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證。然而，該方法仍然是針對(duì)單一煤層開采條件提出。對(duì)于萬利一礦這種煤層群開采條件，覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育實(shí)際是下部第二層煤層開采對(duì)上部第一層煤層已破裂頂板的進(jìn)一步擾動(dòng)和運(yùn)移擴(kuò)展后的疊加結(jié)果；如何確定下煤層開采對(duì)上煤層覆巖已發(fā)育裂隙的擾動(dòng)和擴(kuò)展程度，是判斷煤層群重復(fù)開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育的關(guān)鍵。本文改進(jìn)形成了煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的判別方法，據(jù)此開展了萬利一礦煤層群大采高開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計(jì)，并利用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔工程探測(cè)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，以期為礦區(qū)類似開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度確定提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)開采條件

工程探測(cè)試驗(yàn)區(qū)選擇在萬利一礦三盤區(qū)，對(duì)應(yīng)于3-1煤和4-2煤的首采工作面。其中，3-1煤層厚4.96～5.56m，平均5.35m，煤層傾角平均3°，回采工作面為31301綜采面，平均采高5.1m；4-2煤層厚4.5～5.20m，平均4.85m，煤層傾角平均2.6°，回采工作面為42301綜采面，平均采高4.8m。試驗(yàn)工作面及探測(cè)鉆孔布置如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高1422～1443m，3-1煤層底板標(biāo)高1298～1307m，4-2煤底板標(biāo)高1248～1253m，兩煤層間距平均50m左右。煤層頂板巖層賦存情況如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)工作面及探測(cè)鉆孔布置

圖2 W4鉆孔柱狀及其關(guān)鍵層位置判別結(jié)果

2 煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的理論預(yù)計(jì)

2.1 基于關(guān)鍵層位置的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法

覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度確定是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地層含水層受采動(dòng)破壞程度、科學(xué)制定保水采煤對(duì)策等的重要基礎(chǔ)。由于“規(guī)程”中采用的經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)公式采取了對(duì)覆巖巖性均化統(tǒng)計(jì)的方法，忽略了關(guān)鍵層在巖層破斷運(yùn)動(dòng)中的控制作用，導(dǎo)致在某些特定開采條件下的預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)際偏差較大。為了提高導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性，許家林等[10，11]結(jié)合覆巖關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)水裂隙演化的影響規(guī)律，提出了“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)新方法”。其具體判別流程為：根據(jù)地質(zhì)勘探得到的具體覆巖柱狀，采用關(guān)鍵層判別軟件KSPB[9]進(jìn)行覆巖關(guān)鍵層位置的判別，然后從開采煤層頂界面開始判斷覆巖(7～10)倍采高范圍外是否存在關(guān)鍵層；若存在，則導(dǎo)水裂隙帶高度為(7～10)倍采高范圍外第1層關(guān)鍵層底界面至煤層間的距離；若不存在，則導(dǎo)水裂隙帶高度將大于或等于基巖厚度。該預(yù)計(jì)方法的可靠性已得到現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)工程案例的驗(yàn)證。

上述判別方法主要用于單一煤層開采條件，對(duì)于諸如萬利一礦這種近距離煤層群開采條件，可在其基礎(chǔ)上做相應(yīng)的改進(jìn)。由于兩層煤重復(fù)開采引起的覆巖運(yùn)動(dòng)并不等同于單一煤層的一次開采，因此，上述判別方法中的采高選取并不能單純按兩煤層采高累加直接進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)按照兩煤層累計(jì)的等效采高M(jìn)d進(jìn)行判斷。等效累計(jì)采高即是下煤層開采引起的巖層運(yùn)動(dòng)波及至上煤層位置時(shí)的下沉量與上煤層采高之和；按此等效累計(jì)采高在上煤層位置進(jìn)行判別。即按照上煤層頂界面以上(7～10)Md范圍外是否存在關(guān)鍵層進(jìn)行判斷。等效累計(jì)采高計(jì)算公式為：

Md=M1+Hb

(1)

Hb=M2-D(KP-1)

(2)

式中，Hb為下煤層開采引起的巖層運(yùn)動(dòng)波及至上煤層位置時(shí)的下沉量，m；M2為下煤層采高，m；D為上下煤層間距，m；KP為兩煤層之間巖層的殘余碎脹系數(shù)，一般取值1.05～1.1[12]；當(dāng)Hb<0時(shí)，說明下煤層的采高量已被煤層間采動(dòng)破壞巖層的碎漲抵消，此時(shí)的等效累計(jì)采高即為上煤層采高M(jìn)1。

2.2 試驗(yàn)區(qū)煤層群開采的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

根據(jù)上述理論預(yù)計(jì)方法，首先對(duì)W4鉆孔柱狀進(jìn)行了關(guān)鍵層位置的判別，判別結(jié)果顯示3-1煤上覆頂板中存在2層關(guān)鍵層，4-2煤和3-1煤之間存在1層關(guān)鍵層。其次，對(duì)3-1煤開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行判斷；根據(jù)3-1煤5.1m的平均采高，取10倍采高，則3-1煤頂界面以上10倍采高之外已不存在關(guān)鍵層，由此3-1煤開采后的導(dǎo)水裂隙應(yīng)發(fā)育至基巖頂界面(即裂隙已發(fā)育至2.82m的表層砂土中)。當(dāng)再次開采4-2煤時(shí)，根據(jù)式(1)所示公式，按照1.05的碎脹系數(shù)取值，則4-2煤開采后巖層運(yùn)動(dòng)波及至3-1煤位置對(duì)應(yīng)的下沉量為2.6m，相應(yīng)兩層煤重復(fù)開采后的等效累計(jì)采高為7.7m。如此，從3-1煤頂界面向上按照10倍的等效累計(jì)采高進(jìn)行判斷，此范圍外同樣不存在關(guān)鍵層。即，4-2煤開采后的導(dǎo)水裂隙依然處于基巖頂界面以上，3-1煤開采及3-1煤與4-2煤重復(fù)開采這兩種條件下導(dǎo)水裂隙的發(fā)育高度相同。

3 覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的鉆孔探測(cè)

為了驗(yàn)證上述理論預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確，開展了試驗(yàn)區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的現(xiàn)場(chǎng)鉆孔工程探測(cè)。

3.1 鉆孔探測(cè)方案

目前，用于采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的最常用、最準(zhǔn)確方法為鉆孔沖洗液漏失量法，即通過在已回采的采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表施工探測(cè)鉆孔，通過記錄鉆孔鉆進(jìn)過程中的沖洗液漏失量及鉆孔內(nèi)水位變化情況，來判斷對(duì)應(yīng)覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況，進(jìn)而得到覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。本試驗(yàn)區(qū)探測(cè)方法即是采用該方法?？紤]到上下煤層回采工作面的同一側(cè)開采邊界在平面上基本處于重疊狀態(tài)(31301運(yùn)輸巷和42301輔運(yùn)巷)。因而，將地面探測(cè)鉆孔布置于該側(cè)開采邊界附近，距離巷道區(qū)段保護(hù)煤柱約70m，距離兩工作面切眼位置的水平距離為350m左右；鉆孔鉆進(jìn)終孔深度直至4-2煤底板，深度約170m。

為了直觀地觀測(cè)到孔壁裂隙發(fā)育及圍巖破壞情況，在鉆孔成孔后又采用鉆孔電視進(jìn)行了觀測(cè)，以和沖洗液漏失量法的觀測(cè)結(jié)果形成印證，增強(qiáng)觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 鉆孔沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化

鉆孔實(shí)際施工過程中的沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化情況如圖3所示。在鉆進(jìn)孔深2m后即出現(xiàn)孔口不返漿現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)沖洗液漏失量基本維持在2～4L/(m·s)范圍，直到鉆孔鉆進(jìn)至孔深49m位置，沖洗液漏失量開始下降，而后至50m孔深位置開始出現(xiàn)孔口返漿現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)沖洗液漏失量也進(jìn)一步降低(基本處于0.1～0.4 L/(m·s))。后續(xù)鉆進(jìn)過程中，僅在孔深78～79m位置出現(xiàn)沖洗液漏失量的暫時(shí)明顯升高，其它區(qū)段鉆進(jìn)過程中漏失量均偏?。恢敝零@進(jìn)至孔深94～101m范圍時(shí)，沖洗液又再次出現(xiàn)較大漏失；根據(jù)該區(qū)域?qū)?yīng)巖層柱狀，對(duì)應(yīng)孔深已接近3-1煤位置。繼續(xù)向下鉆進(jìn)過程中，沖洗液漏失量相對(duì)偏低，直至鉆進(jìn)至孔深132m位置時(shí)，沖洗液漏失量開始呈現(xiàn)上升區(qū)域，并在后續(xù)鉆進(jìn)過程中呈現(xiàn)一定波動(dòng)性；最終鉆進(jìn)至孔深147m位置時(shí)，沖洗液漏失量明顯升高(漏失量3～4L/(m·s))，且一直持續(xù)至終孔170m位置。

圖3 探測(cè)鉆孔沖洗液漏失量及水位變化曲線

另一方面，從鉆孔鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)水位的變化情況看，在孔深140m左右位置之前，雖然鉆孔沖洗液漏失量時(shí)有明顯偏高現(xiàn)象，但其孔內(nèi)水位一直呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；而在孔深140m以下鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液漏失量的升高伴隨著水位的顯著快速下降。最終，在鉆進(jìn)終孔位置時(shí)，孔內(nèi)水位保持在距孔底14.6m。

3.3 鉆孔電視觀測(cè)

為了進(jìn)一步探究鉆孔孔壁裂隙發(fā)育情況，采用鉆孔電視進(jìn)行了孔內(nèi)攝像觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果可見，在鉆進(jìn)至孔深20～25m范圍時(shí)，孔壁異常破碎；根據(jù)附近地質(zhì)鉆孔揭露的巖層賦存情況，該范圍對(duì)應(yīng)為煤層和砂巖、泥巖交界的區(qū)域，考慮砂巖膠結(jié)性偏弱，導(dǎo)致采動(dòng)破壞后鉆進(jìn)成孔圍巖不完整。繼續(xù)向下探測(cè)過程中，孔壁陸續(xù)出現(xiàn)裂隙或破壞現(xiàn)象；直至孔深90m位置開始，孔壁出現(xiàn)裂隙或破壞發(fā)育的位置變得明顯密集；在孔深97～117m范圍，孔壁破壞程度明顯偏大，裂隙發(fā)育尺度明顯增高，孔壁表現(xiàn)出明顯的不完整現(xiàn)象，推斷已進(jìn)入3-1煤開采引起的垮落帶。而后探測(cè)至孔深118m以下位置時(shí)，探及3-1煤開采的遺留底煤，由此開始進(jìn)入3-1煤和4-2煤之間巖層。在孔深120～150m范圍內(nèi)探測(cè)時(shí)，孔壁雖陸續(xù)出現(xiàn)有裂隙和破壞現(xiàn)象，但其發(fā)育程度相對(duì)偏低，直至進(jìn)入孔深152m以下時(shí)，孔壁裂隙發(fā)育及其破壞程度明顯增高，推斷已進(jìn)入4-2煤開采引起的垮落帶。最后，探測(cè)至孔深165m左右位置時(shí)，孔內(nèi)受鉆進(jìn)泥漿沉淀和孔壁塌落巖石封堵，導(dǎo)致攝像探頭無法繼續(xù)下放。

3.4 覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度

綜合上述鉆孔沖洗液漏失量變化曲線以及鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果，可判斷該區(qū)域?qū)?yīng)3-1煤和4-2煤兩層煤開采引起的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度已發(fā)育至地表，對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶高度為170m；這與前述第2章節(jié)的理論預(yù)計(jì)結(jié)果相同。3-1煤垮落帶發(fā)育至孔深97m位置，按照3-1煤開采位置計(jì)算其對(duì)應(yīng)垮落帶高度為21m；4-2煤垮落帶發(fā)育至孔深152m位置，按照4-2煤開采位置計(jì)算其對(duì)應(yīng)垮落帶高度為18m。根據(jù)該鉆孔對(duì)應(yīng)3-1煤31301工作面5.1m的平均采高以及42301工作面4.8m的平均采高，其兩層煤開采后引起的覆巖綜合裂采比為17.2，3-1煤開采引起的覆巖垮采比為4.2，4-2煤開采引起的覆巖垮采比為3.8。

4 結(jié) 論

1)萬利一礦為典型淺埋煤層群大采高開采條件，上下煤層采高均已達(dá)到5m左右，難以采用國家“規(guī)程”中的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式對(duì)其覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)計(jì)；為此，綜合采用基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計(jì)方法以及鉆孔沖洗液漏失量和鉆孔電視觀測(cè)手段，獲得了該礦3-1煤和4-2煤重復(fù)開采后的覆巖垮落和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

2)理論預(yù)計(jì)結(jié)果顯示，3-1煤開采后覆巖導(dǎo)水裂隙即發(fā)育至基巖頂界面，再次開采4-2煤時(shí)，導(dǎo)水裂隙仍保持發(fā)育在基巖以上的表層砂土中，這一結(jié)果得到了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔工程探測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證，也證實(shí)了“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法”的可靠性。

3)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔工程探測(cè)結(jié)果顯示，兩煤層重復(fù)開采后的覆巖導(dǎo)水裂隙帶已發(fā)育至地表，對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶高度為170m，對(duì)應(yīng)綜合裂采比為17.2；上部3-1煤開采引起的覆巖垮落帶高度為21m，下部4-2煤開采引起的覆巖垮落帶高度為18m，兩煤層開采的覆巖垮采比分別為4.2和3.8。