不同覆巖類型高強度采動裂隙發(fā)育特征對比研究

李江華，王東昊，黎 靈，郭文硯

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤層開采覆巖破壞規(guī)律及其形態(tài)分布特征是礦井預(yù)防水害、壓架等安全事故發(fā)生的關(guān)鍵。覆巖破壞特征的研究主要包括現(xiàn)場觀測、相似材料模擬試驗、數(shù)值模擬分析及理論分析等[1]。20世紀(jì)70年代，劉天泉院士提出了覆巖破壞 “三帶”模型，其中垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶(合稱“兩帶”)高度的確定是頂板水害預(yù)測預(yù)報及防水(砂)安全煤巖柱留設(shè)的重要依據(jù)。同時隨著大采高和綜放開采技術(shù)的快速發(fā)展，相應(yīng)條件下的覆巖“兩帶”特征研究也取得了突破性進(jìn)展[2]。張宏偉等[3]研究了石炭—二疊系特厚煤層綜放開采的覆巖破壞特征；孫慶先等[4]測得了侏羅系大采高綜采和綜放工作面的“兩帶”發(fā)育特征；馮國財?shù)萚5]通過現(xiàn)場觀測分析了白堊系特厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度與采高的關(guān)系；楊達(dá)明等[6]得出了厚松散層軟巖綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。隨著水體下綜放開采技術(shù)不斷推廣應(yīng)用，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)增多。許延春等[7]根據(jù)實測資料建立了適用于綜放開采工作面“兩帶”高度計算的經(jīng)驗公式；張玉軍等[8]研究了鄂爾多斯盆地侏羅系煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律；白利民等[9]統(tǒng)計了中硬覆巖下一次采全高導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式；陳連軍等[10]研究了上覆巖層內(nèi)裂縫萌生演化特征，提出覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的確定方法。

筆者在上述研究的基礎(chǔ)上，通過對比分析覆巖類型劃分方法和覆巖破壞經(jīng)驗公式，明確了覆巖破壞高度預(yù)計選取標(biāo)準(zhǔn)。采用現(xiàn)場沖洗液消耗量和鉆孔電視觀測方法，對比分析了堅硬巖層和軟弱巖層高強度開采條件下覆巖破壞裂隙發(fā)育特征。對于近距離煤層特厚煤層開采，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》(以下稱《“三下”采煤指南》)[11]中給出的綜合采厚公式已不適用。通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了近距離高強度開采綜合采厚計算公式，可為類似地質(zhì)條件下高強度開采覆巖破壞高度預(yù)計提供依據(jù)。

1 高強度采動裂隙發(fā)育高度預(yù)計方法

1.1 覆巖類型劃分方法

巖體的強度和質(zhì)量等級對工程設(shè)計、布置、運營等環(huán)節(jié)均起重要的作用[12]。根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[13]，按飽和單軸抗壓強度將巖石堅硬程度劃分為堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖共5類(表1)。表1的巖石強度劃分方法主要用于采礦開挖巖體的防護(hù)、建筑物地基的承載能力和變形計算、采動地表移動變形計算及水利水電工程等領(lǐng)域。然而，礦井防治水中預(yù)計采動覆巖破壞高度時，基于巖石力學(xué)強度統(tǒng)計出有規(guī)律的經(jīng)驗公式，根據(jù)工程實際按照巖石單軸抗壓強度將煤層頂板覆巖劃分為堅硬、中硬、軟弱和極軟弱共4種類型(表2)，定量化劃分范圍與工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)有一定的差異。

表1 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)巖石堅硬程度分類Table 1 Standard for engineering classification of rock mass

表2 “兩帶”覆巖巖石強度分類Table 2 Rock strength classification of caved and fractured zones strata

1.2 厚煤層“兩帶”發(fā)育高度預(yù)計方法

我國許多學(xué)者研究了不同采礦和地質(zhì)條件的圍巖破壞裂隙演化特征，解決了諸多地下工程中的技術(shù)難題，取得了突破性進(jìn)展。20世紀(jì)80年代以來，現(xiàn)代化綜放開采技術(shù)得以快速發(fā)展，同時綜放工作面覆巖裂隙演化規(guī)律研究取得了突破性進(jìn)展，覆巖破壞高度確定方法主要有經(jīng)驗公式法、現(xiàn)場觀測法(地面和井下鉆孔注水觀測、鉆孔電視觀測及地球物理勘探等)、相似材料模擬及數(shù)值分析等。隨著綜放工作面現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的增多，《“三下”采煤指南》[11]給出了不同覆巖類型條件下單層厚煤層綜放開采垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度(2個)計算公式(表3)。

表3 綜放開采“兩帶”高度計算公式Table 3 Computational formula of caved and fractured zones heights for full-mechanized caving mining

2 堅硬覆巖高強度采動裂隙發(fā)育特征

2.1 現(xiàn)場觀測區(qū)概況

庫車礦區(qū)某礦開采下1和下5煤層，下1煤采厚3.5 m，大采高一次采全厚開采。下5煤層平均采厚9.7 m，采用綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。下5煤頂板以粉砂巖為主，泥巖、砂質(zhì)泥巖抗壓強度平均為68.3 MPa，粉砂巖抗壓強度為53.7 MPa，根據(jù)表2劃分標(biāo)準(zhǔn)頂板為堅硬類型。下5煤層5104工作面位于東翼一采區(qū)，其上部為下1煤采空區(qū)。工作面走向長度為3 122 m，傾向長度為240 m。

現(xiàn)場觀測過早，導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育至最大高度；觀測過晚則部分裂隙已壓實閉合，難以測得有效值。根據(jù)工作面開采狀況，將19-1鉆孔選定在距終采線1 000 m，距上平巷20 m處；19-2鉆孔選定在距終采線1 012 m，距下平巷30 m處(圖1)。設(shè)計松散層中下套管，鉆孔開孔孔徑為219 mm，鉆至第四系底界面以下3～5 m的基巖段，下放?140 mm套管。固管止水合格后，換?113 mm巖心管取心鉆進(jìn)，終孔位置在取得垮落帶高度特征后終止鉆進(jìn)。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 5104工作面“兩帶”孔布置Fig.1 Boreholes Lay-out plan of caved and fractured zones

圖2 5104工作面鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Borehole structure of No.5104 working face

2.2 現(xiàn)場觀測

2.2.1 鉆孔沖洗液和水位觀測

19-1鉆孔沖洗液消耗量和水位觀測結(jié)果如圖3所示。松散層由砂土及底部礫石組成，為防止塌孔，松散層段下套管，基巖段清水鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中共出現(xiàn)5次不返水，且鉆孔中水位逐漸下降。初次在68.74 m位置不返水，剛進(jìn)入基巖段，表明導(dǎo)水裂隙帶頂點已發(fā)育基巖頂界面，進(jìn)入松散層，導(dǎo)水裂隙帶頂點埋深小于68.74 m；導(dǎo)水裂隙帶中局部存在擾動但未破裂的巖層，鉆進(jìn)至該位置時有返水現(xiàn)象；131.15 m處沖洗液全部漏失，循環(huán)終止，鉆孔中已無水，出現(xiàn)“掉鉆”現(xiàn)象；鉆孔穿過下1煤層采空區(qū)后，并未發(fā)現(xiàn)完整巖層，表明下5煤開采垮落帶已發(fā)育至下1煤頂板，131.15 m為綜合開采垮落帶頂點位置。

圖3 19-1鉆孔沖洗液消耗量和水位變化Fig.3 Water consumption quantity and water level variation of borehole 19-1

19-2鉆孔鉆至松散層97.2 m，即距松散層底界面3.8 m時不返泥漿，沖洗液全部漏失，循環(huán)終止，并且該位置之后一直無返水，表明導(dǎo)水裂縫帶已發(fā)育至松散層，導(dǎo)水裂隙帶頂點小于97.2 m。

2.2.2 鉆孔電視觀測

19-2鉆孔電視觀測到采動裂隙已發(fā)育至基巖頂部，并進(jìn)入松散層，導(dǎo)水裂隙帶采動裂隙以縱向交叉為主，與巖心特征一致；隨著鉆孔深度的增大，采動裂隙逐漸發(fā)育，即煤層附近頂板裂隙發(fā)育(圖4)。觀測到178.35 m處出現(xiàn)空洞(圖5)，且有卡、掉鉆現(xiàn)象，深部空洞更明顯。鉆孔穿過下1煤層采空區(qū)后，同樣為發(fā)現(xiàn)完整巖層，表明下5煤開采垮落帶已發(fā)育至下1煤頂板，178.35 m為垮落帶頂點。

圖4 19-2鉆孔不同深度導(dǎo)水裂隙帶鉆孔電視觀測成果Fig.4 Fissure zone observation of borehole TV from different depth in 19-2 borehole

圖5 不同深度垮落帶鉆孔電視觀測成果Fig.5 Caving zone observation of borehole TV from different depth

3 軟弱覆巖高強度采動裂隙發(fā)育特征

3.1 觀測區(qū)概況

蒙東礦區(qū)暢彤煤礦主采7號煤層，其中1703工作面走向長度1 262 m，傾斜長度為130 m，煤層平均厚度16.9 m，煤層傾角2°～10°，平均6°，采用分層綜放采煤方法，全部垮落法管理頂板。1703-1上分層工作面平均采厚9.3 m，1703-2下分層工作面平均采厚7.6 m。煤層頂板基巖厚度為110～200 m，以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，其中泥類巖所占比例接近50%。泥類巖單軸抗壓強度1.4～11.6 MPa，平均5.8 MPa；砂類巖單軸抗壓強度3.8～7.2 MPa，平均6.8 MPa。由表2可知，工作面覆巖為軟弱類型。

由于受上分層采空區(qū)區(qū)段煤柱的影響，17-1鉆孔距終采線、上平巷為420 m和40 m。17-2鉆孔距終采線、上平巷為383 m和 20 m(圖6)。考慮到第四系和新近系含水層的影響，松散層中設(shè)計2級套管(圖7)。鉆孔開孔孔徑為480 mm，鉆至第四系底界面以下3～5 m的隔水黏土層，下放一級?273 mm套管。固管止水合格后，換?219 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至新近系底界面以下5 m左右的穩(wěn)定基巖層，下放二級?164 mm套管?；鶐r中孔徑為108 mm，取心鉆進(jìn)，終孔位置為垮落帶頂點以下5 m。

圖6 1703-2工作面“兩帶”孔布置Fig.6 Borehole lay-out plan of caved and fractured zones

圖7 1703-2工作面鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Borehole structure of No.1703-2 working face

3.2 現(xiàn)場觀測成果

3.2.1 鉆孔沖洗液消耗量和水位變化

17-1和17-2鉆孔沖洗液消耗量和水位變化如圖8所示，2個鉆孔分別在168.5 m和175.9 m以淺沖洗液消耗量不大于1.15 L/min和2.16 L/min，之后逐漸增大；分別鉆進(jìn)至172.05 m和178.43 m時，鉆孔不返水，沖洗液循環(huán)終止，分析鉆孔已進(jìn)入導(dǎo)水裂隙帶；分別鉆進(jìn)至222.72 m和234.43 m時鉆孔水位下降明顯，出現(xiàn)“卡鉆、掉鉆”現(xiàn)象，分析已進(jìn)入垮落帶。

圖8 軟弱地層沖洗液消耗量和水位變化Fig.8 Water consumption quantity and water level changed in boreholes for weak strata

3.2.2 鉆孔電視觀測成果

鉆孔電視觀測段使用清水鉆進(jìn)，由于軟巖地層主要為軟弱泥巖或泥質(zhì)粉砂巖，導(dǎo)致17-1和17-2鉆改導(dǎo)水孔壁不能得到保護(hù)，2個鉆孔鉆至垮落帶附近時，孔壁坍塌造成鉆孔180 m以下位置水渾濁，鉆孔電視模糊。經(jīng)2 d沉淀后，再次觀測時，分別在175 m和180 m處再次發(fā)生塌孔，掃孔后水變渾濁，鉆孔電視未觀測到明顯的垮落帶，僅觀測到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。17-1、17-2鉆孔分別在168.5 m和175.9 m處觀測到明顯裂隙(圖9)，與鉆孔沖洗液漏失量增大的位置相符。

圖9 17-1和17-2導(dǎo)水鉆孔裂隙帶鉆孔電視分析Fig.9 Fissure zone observation of 17-1 and 17-2 boreholes TV

4 采動裂隙發(fā)育特征對比及分析

覆巖采動裂隙發(fā)育特征影響因素較多，通常由覆巖強度、采動強度、采煤方法、地質(zhì)構(gòu)造等多種因素控制，但通過對比不同覆巖強度條件下高強度開采裂隙發(fā)育特征，可為現(xiàn)場工程實踐及水害防治提供借鑒。上述堅硬地層中19-1和19-2鉆孔揭露下5煤與下1煤間距分別為64.7、65.8 m。由表3堅硬覆巖綜放開采垮落帶高度經(jīng)驗公式，計算下5煤綜放開采垮落帶高度為72.9 m，結(jié)合現(xiàn)場觀測成果，表明下層煤垮落帶高度均大于下5煤與下1煤層間距。根據(jù)《“三下”采煤指南》，當(dāng)下層煤的垮落帶接觸到或完全進(jìn)入上層煤范圍內(nèi)，下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度應(yīng)采用上、下層煤的綜合開采厚度計算。上、下層煤的綜合開采厚度為

(1)

式中：M1為上層煤開采厚度，m；M2為下層煤開采厚度，m；h1-2為上、下層煤之間的層間距，m；y2為下層煤的垮落帶高度與采厚之比。

(2)

經(jīng)分析，綜合采厚與層間距成反比，與垮落帶高度成正比。煤層間距越大，下層導(dǎo)水煤裂隙帶高度受上層煤的影響減弱，即上層煤厚度占綜合采厚的比例減小。特厚煤層分層開采時，層間距h1-2=0，則MZ=M2+M1；下層煤垮落帶發(fā)育到上層煤時，h1-2=hk=M2y2，則MZ=M2，即下層煤導(dǎo)水裂隙帶高度計算不受上層煤的影響，但取二者的最高點。通過《“三下”采煤指南》現(xiàn)有數(shù)據(jù)驗證，與原公式綜合采厚計算結(jié)果接近，并且涵蓋了近距離厚煤層開采條件取值范圍，完善和改進(jìn)了原有公式。經(jīng)計算，19-1鉆孔下5和下1煤層綜合開采厚度為9.97 m，19-2鉆孔為9.93 m。現(xiàn)場觀測垮落帶高度Hk和導(dǎo)水裂隙帶高度確定[14]如下

Hk=Z-M-hk

(3)

Hl=Z-M-hl

(4)

式中：Z為煤層底板埋深，m；hk、hl分別為垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶頂點埋深，m。

以上堅硬巖層和軟弱巖層高強度開采“兩帶”高度計算見表4。對于近距離堅硬頂板煤層高強度開采，綜合開采后垮采比為9.39～9.62，裂采比大于17.80，相對表3中垮采比明顯增大，主要是由于下5煤層開采垮落帶發(fā)育至上組下1煤層采空區(qū)，而垮落帶峰值標(biāo)高低于下1煤層垮落帶頂點，造成綜合垮落帶高度增大，并且煤層組間距相等較大，上組煤對綜合采厚影響較小，造成垮采比明顯增大，近距離高強度開采綜合垮采比和裂采比的計算具有較強的適用性。而軟弱覆巖特厚煤層分層綜放高強度開采垮采比為4.59～4.71，裂采比為8.04～8.58。堅硬巖層高強度開采垮采比和裂采比為軟弱巖層的近2倍。

表4 實測“兩帶”高度Table 4 Heights of caved and fractured zones from in-situ measurement

通過現(xiàn)場沖洗液消耗量觀測，堅硬地層沖洗液消耗量變化斷斷續(xù)續(xù)或者完全漏失，軟弱地層遇到導(dǎo)水裂隙帶時完全漏失。鉆孔電視和巖心觀測到堅硬巖層相對軟弱巖層采動裂隙較發(fā)育，裂隙傾角較大(圖10)，將引起巖層采動傳播影響角增大。堅硬巖層清水鉆進(jìn)時，鉆孔電視易觀測到明顯的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶特征，而軟弱地層由于遇水軟化，造成塌孔，鉆孔電視較為模糊不易觀測，尤其垮落帶特征難以觀測，為防止鉆孔塌孔導(dǎo)致鉆孔電視卡埋，建議采用沖洗液消耗量、水位觀測及巖樣裂隙觀察等綜合方法進(jìn)行“兩帶”頂點的判別。

圖10 導(dǎo)水裂隙帶巖樣Fig.10 Rock sample of fissure zone

5 結(jié) 論

1)總結(jié)分析了覆巖類型定性和定量劃分方法及適用條件，基于巖石力學(xué)強度統(tǒng)計的“兩帶”高度經(jīng)驗公式與工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)定量劃分方法有差異，現(xiàn)場預(yù)計覆巖破壞“兩帶”高度時，應(yīng)選擇合適的分類方法及相應(yīng)的經(jīng)驗公式。

2)通過鉆孔沖洗液消耗量和鉆孔電視觀測相結(jié)合的方法，測得了堅硬和軟弱地層高強度開采覆巖破壞裂隙發(fā)育特征。堅硬巖層采動裂隙發(fā)育，沖洗液消耗量變化斷斷續(xù)續(xù)或者完全漏失，且?guī)r層斷裂傾角大，巖層傳播影響角較大。軟弱地層遇水易軟化、塌孔，鉆孔電視成像較為模糊，需采用綜合方法進(jìn)行“兩帶”頂點的判別。

3)經(jīng)計算，堅硬巖層下5煤綜放開采垮落帶高度大于煤層間距，波及到上層煤采空區(qū)。對于近距離下層特厚煤層開采，《“三下”采煤指南》中綜合采厚公式已不適用。為此通過構(gòu)建近距離特厚煤層開采垮落帶高度與層間距關(guān)系數(shù)學(xué)模型，提出了適合該地質(zhì)條件的綜合采厚計算公式。經(jīng)分析，堅硬頂板高強度開采垮采比為9.39～9.62，裂采比大于17.80，為軟弱覆巖的近2倍。