軟弱覆巖綜放開采導水裂縫帶高度探析

喬軍好，吳俊杰，袁瑞甫，3，朱曉峰，申河船，李曉龍，范志杰

(1.中煤新登鄭州煤業(yè)有限公司，河南 鄭州 452470； 2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；3.河南理工大學 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

巖層破斷后，垮落帶和裂縫帶合稱“兩帶”，也稱“導水裂縫帶”，指在“兩帶”范圍內(nèi)，覆巖內(nèi)的水會通過巖體破斷裂縫流入采空區(qū)和回采工作面[1]。作為礦井防治水害工作及水資源保護的重要依據(jù)，國內(nèi)學者對“兩帶”高度做了大量研究并取得了一系列成果。

“兩帶”高度的確定方法目前主要有經(jīng)驗公式計算法、實驗室模擬法、鉆孔探測法[2]。其中，實驗室模擬法可以分數(shù)值模擬和物理模擬，鉆孔探測法可以分電鏡成像和雙端堵水測漏失量等。通過對炮采、普采、和綜采長壁工作面“兩帶”高度的研究[3-5]，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》[6](以下簡稱《規(guī)范》)總結了不同巖性和煤厚條件下分層開采導水裂縫帶高度經(jīng)驗公式。許家林等[7-8]在分析經(jīng)驗公式的基礎上，考慮了關鍵層對導水裂隙帶高度的影響，提出了由關鍵層位置確定兩帶高度的判據(jù)。楊達明等[9]研究了厚松散層軟弱覆巖下綜放開采工作面的“兩帶”高度，強調(diào)了電鏡成像在研究“兩帶”高度時的重要作用。王曉振等[10]在研究“兩帶”高度的基礎上，著重分析了主關鍵層結構對上覆巖體內(nèi)導水裂隙發(fā)育的影響。文獻[11-14]研究了西部某些礦井，綜采大采高或綜采放頂煤工作面的導水裂隙帶高度。一些學者通過研究[15-16]，提出了針對某一礦區(qū)的“兩帶”高度公式。王文等[17]對采前、采后鉆孔的漏失量數(shù)據(jù)進行了詳細對比，研究了中硬覆巖綜放開采工作面的“兩帶”高度及斷裂帶內(nèi)的滲流特征。高保彬等[18]運用3種方法研究“兩帶”高度，證實了堵水測漏失量的可靠性。尹尚先等[19]應用SAS數(shù)學軟件重新擬合了不同巖性條件下的兩帶高度公式。李超峰等[20]改進了測漏裝置，用于測量導水裂縫帶高度。

綜上可知，“兩帶”高度研究需采用多種方法綜合分析。文獻中的煤層賦存條件較穩(wěn)定，煤厚無明顯變化且結構較簡單，根據(jù)試驗或?qū)崪y結果，大部分礦井能夠得到適用的“兩帶”高度計算經(jīng)驗公式，誤差在5～10 m內(nèi)。然而，針對覆巖軟弱，煤厚變化明顯的綜放采場，經(jīng)驗公式能否適用，以及關鍵層對兩帶高度的影響仍需進一步研究。

1 工程概況

國投新登鄭州煤業(yè)有限公司位于登封市東南17 km，屬登封煤田，二1煤層為全區(qū)可采煤層。二1煤頂板按巖性分為砂巖類(夾薄層偽頂)和泥巖類(含砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖)2大類。礦區(qū)內(nèi)大部分為泥巖類頂板，抗壓強度平均為32.0 MPa，大于20 MPa，小于40 MPa，另一部分區(qū)域為砂巖基本頂，巖性強度較高，抗壓強度平均為73.8 MPa。煤層底板巖性按工程力學性質(zhì)和頂板一樣也可分為2大類，即砂巖類和泥巖類。泥巖抗壓強度平均為41.4 MPa，砂巖抗壓強度平均為109.9 MPa。

該礦31101回采工作面位于井田北部，工作面地面標高+287～+370 m，井下標高-12～+55 m。走向長度132 m，傾斜長度605 m，煤厚0.8～13.0 m，平均厚度5.2 m，平均傾角12°，煤質(zhì)比較松軟且厚度變化較大。工作面采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，采高2.2 m，循環(huán)進度0.6 m。工作面直接頂為4.1 m厚砂質(zhì)砂巖，基本頂為9.6 m厚細粒砂巖，堅固性系數(shù)f=5～6。直接底和基本底分別為厚6.1、10.7 m的細粒砂巖和石灰?guī)r，f=6(表1)。

表1 覆巖柱狀信息Tab.1 Overlying rock column information

2 覆巖“兩帶”經(jīng)驗公式計算

31101工作面內(nèi)煤層傾角較緩，頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖和部分砂巖，根據(jù)《規(guī)范》[6]，厚煤層分層開采軟弱巖性的導水裂隙帶高度可按下式計算：

(1)

(2)

當煤層厚度為5.2 m時，導水裂縫帶高度為28.62～32.80 m；當煤層厚度為9.0 m時，導水裂縫帶高度為31.36～40.00 m。

3 “三帶”高度模擬試驗研究

3.1 物理模擬

(1)相似模型建立及測線布置。相似模擬試驗作為一種重要的研究方法，其結果對確定“兩帶”高度有重要的參考價值。試驗平臺采用2.50×0.25×1.10 m模型架，幾何相似比CL=1/100，強度相似比Cσ=1/167(表2)。模擬試驗采用三維光學攝影測量系統(tǒng)(XJTUDP)進行覆巖破壞觀測，通過多幅二維照片，計算工件表面關鍵點三維坐標，采用編碼點技術實現(xiàn)自動化測量。與傳統(tǒng)測量儀相比，沒有機械行程限制，不受被測物體的大小、體積、外形的限制，能夠有效減少累積誤差，提高整體三維數(shù)據(jù)的測量精度(精度達0.1 mm/4 m)。根據(jù)實驗目的，分別安排不同高度的3條測線觀測覆巖垮落和導水裂隙帶高度變化情況，編號由上至下分別為a、b、c(圖1)。根據(jù)前述確定的幾何相似比及時間相似比，計算每次開挖的長度為50 mm，2次相鄰開挖間隔30 min。對于未模擬到的上覆巖層壓力采用液壓缸進行配重模擬。

圖1 張貼好編碼點和非編碼點的相似模擬模型Fig.1 Post similar simulation models of coded points and non-coded points

表2 相似模擬模型分層參數(shù)Tab.2 Hierarchical parameters of similar simulation model

(2)模型垮落結果分析。分析模型充分采動后，覆巖垮落的特征。在9 m煤厚條件下，連續(xù)開采130 m時，會導致主關鍵層破斷，致使主關鍵層上方巖體發(fā)生同步下沉。亞關鍵層破斷后依然能夠?qū)Ω矌r起到保護作用，亞關鍵層上方巖體破斷較完整、排列較整齊，隨工作面繼續(xù)推進30m后，裂隙有明顯閉合，破斷完整且排列整齊的塊體對上方巖體有良好地支撐作用(圖2)。因此，在主關鍵層破斷后，主關鍵層及其覆巖巖體破斷更加完整，排列更加有序，層間裂隙隨著工作面推進閉合更加明顯，在工作面和開切眼中間區(qū)域不易形成導水通道。根據(jù)圖2(b)所示，在工作面及開切眼附近，上覆巖體因破斷回轉，裂隙不易閉合，可能會形成上下貫通的導水通道。結合鉆孔柱狀圖，模型上方仍有厚硬巖層存在，且裂隙壓實作用明顯，因此筆者認為此處導水通道最高可發(fā)育至主關鍵層處，根據(jù)測量可達88.9 m，其上巖體壓實后導水裂隙并不發(fā)育。

圖2 不同開挖步距的垮落特征Fig.2 Caving characteristics of different excavation steps

(3)三維光學攝影測量系統(tǒng)結果分析。根據(jù)覆巖垮落特征，在9 m煤厚條件下連續(xù)推進130 m后，會引起主關鍵層破斷，因此，主要分析測線a的特征。測線a反應了主關鍵層破斷后，覆巖最大下沉處位于95 m處，距離切眼45 m，最大下沉值6.3 m。從圖中可以看出，在工作面開挖120～150 m期間，主關鍵層及其覆巖內(nèi)出現(xiàn)了較大裂隙，且最大裂隙均出現(xiàn)在開挖130 m與開挖140 m之間，之后間隙隨開挖出現(xiàn)減少趨勢，在工作面開挖160～170 m，2條曲線基本重合在一起，巖層間隙基本處于閉合狀態(tài)(圖3)。這與覆巖垮落特征一致。

圖3 測線不同時期的下沉曲線Fig.3 Subsidence curves of survey line in different periods

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 模型設計

為研究不同煤厚條件的“兩帶”高度發(fā)育規(guī)律，以新登礦31101綜放工作面地質(zhì)條件為例，采用3DEC模擬在平均煤厚5.2 m時，工作面開采后覆巖破壞特征及高度。模型尺寸為725 m×252 m×105 m，采用摩爾—庫侖準則為巖體破壞準則(表3)。

表3 數(shù)值模擬模型巖石力學參數(shù)Tab.3 Numerical simulation model rock mechanical parameters

3.2.2 結果分析

在工作面開挖至80 m時，覆巖垮落高度約為34m，根據(jù)鉆孔柱狀圖，此處屬于砂質(zhì)泥巖巖性，厚度約9.2 m，之上是粉砂巖，厚度約4.3 m，單層巖層厚度較厚，相比于周圍其他巖層，巖性較為堅硬，根據(jù)關鍵層理論，該層為亞關鍵層，對上覆巖層起到一定支撐保護作用。在5.2 m煤厚條件下開采，連續(xù)推進工作面，覆巖垮落高度會延伸至主關鍵層處，高度約67 m(圖4)。隨著工作面推進距離增加，會引起主關鍵層的彎曲下沉，但是不會引起主關鍵層的破斷，關鍵層對上覆巖層能夠起到良好地支撐作用，隨著關鍵層的彎曲下沉，關鍵層下垮落巖層會逐漸壓實，間隙會隨之減小。

圖4 不同開挖步距的覆巖破壞特征Fig.4 Overburden failure characteristics with different excavation steps

4 “三帶”高度現(xiàn)場實測研究

4.1 雙端堵水原理及鉆孔設計

井下兩帶高度實測為仰孔分段注水觀測，采用鉆孔雙端封堵測漏裝置系統(tǒng)。該觀測系統(tǒng)由孔內(nèi)封堵器和孔外測量儀表2部分組成?？變?nèi)封堵器是一

個帶有雙端封堵膠囊的注水探管，膠囊平時呈圓管形態(tài)，可在鉆孔內(nèi)自由移動，當通過管路給膠囊充以一定壓力的水或氣時，膠囊即迅速膨脹，將封堵器所在孔段兩端嚴密封堵，通過注水管路探管中部向封堵孔段注水。如果封堵孔段的巖層有裂隙，則注水孔段的水將從裂隙漏失，通過孔外流量測試儀表可測出規(guī)定注水壓力下孔段一米內(nèi)每分鐘內(nèi)的漏失量。漏失量的大小反應了封堵孔段巖石裂隙的發(fā)育程度。探測鉆孔(鉆窩)位置和方位的確定，首先應在工作面未開采區(qū)域布置1個鉆孔以觀測覆巖原始裂隙的發(fā)育情況，在工作面采空區(qū)上方再布置1組鉆孔進行觀測采動裂隙的發(fā)育情況；其次要考慮鉆孔(鉆窩)施工位置處圍巖的完整性和穩(wěn)定性，以便于硐室的維護和保障觀測鉆孔的完整性，同時還應考慮水源、通風、行人及施工空間的方便等(圖5)。

圖5 堵水測漏系統(tǒng)Fig.5 Water plugging leak detection system

綜合考慮上述因素，結合新登煤礦二1煤層厚度變化較大的特點，為保證測試結果的可靠性，同時現(xiàn)場測試應盡可能不影響工作面正常生產(chǎn)，設計2個鉆場(圖6、表4)。將1號鉆場設在二1煤層31101工作面停采線以外軌道巷中的油脂庫硐室內(nèi)，根據(jù)工作面鉆孔資料，探測區(qū)域工作面采厚約為3.2 m。2號鉆場位于31101工作面機巷內(nèi)，自工作面停采線向內(nèi)約15 m處的工作面煤璧側硐室內(nèi)，參考工作面鉆孔資料，探測區(qū)域工作面采厚約8.7 m。為避免鉆孔垂高小于“兩帶”高度，鉆孔垂高設計采用文獻[3]內(nèi)中硬覆巖“兩帶”高度計算公式，1號鉆場31.1～45.8 m，2號鉆場為44.1～69.0 m。

表4 鉆孔施工參數(shù)Tab.4 Drilling construction parameters

圖6 鉆場鉆孔布置平面示意Fig.6 Schematic of drilling layout in drilling field

(3)

(4)

4.2 探測結果分析

鉆孔漏失量變化如圖7所示。1號孔漏失量折線圖數(shù)據(jù)表明，在停采線以外，鉆孔內(nèi)漏失量波動范圍在0.3～4.5 L/min，平均值為2.0 L/min，全程未見有大幅度波動，表明在停采線之外，巖體本身仍保持較完好的原巖狀態(tài)，巖體受采動影響較小，內(nèi)部裂隙不發(fā)育。

2號孔漏失量較1號孔波動較為明顯，為1～15 L/min，平均漏失量為4.1 L/min，說明2號孔裂隙較1號孔更為發(fā)育。在垂高約16 m處漏失量出現(xiàn)突變，說明此處裂隙發(fā)育，根據(jù)鉆孔設計角度推斷，此時已經(jīng)進入工作面采空區(qū)內(nèi)。垂高25.6～31.3 m處，漏失量開始有整體增高趨勢，波動幅度仍較為平緩，表明此處有較多裂隙，但裂隙發(fā)育并不夠充分，巖層破壞并不嚴重。在垂高46.7～54.4 m處，漏失量出現(xiàn)大幅度波動并且達到峰值，說明此處裂隙發(fā)育充分，縱向裂隙已經(jīng)導通，屬于導水裂隙帶的范疇。3號孔漏失量數(shù)據(jù)波動整體較為劇烈，漏失量平均值為5.2 L/min，在垂高16、25、32、50 m等有明顯波動，峰值最高達到15.7 L/min，說明此處裂隙發(fā)育。同時，漏失量波動距離長，說明孔內(nèi)裂隙整體比較發(fā)育。垂高經(jīng)過54 m以后，漏失量不再出現(xiàn)劇烈變化，呈逐漸穩(wěn)定趨勢，說明此處巖層內(nèi)部結構完整，裂隙不發(fā)育。在工作面推進至6號孔前60 m時，開始堵水測試。圖7中數(shù)據(jù)表明，在進口位置漏失量有較大起伏，最大漏失量達8.8 L/min，之后整體迅速下降至32 m處，平均漏失量為3.2 L/min。主要原因有:①在該處巖體本身裂隙較發(fā)育；②由打孔造成的巖體裂隙。從全孔的漏失量分析，自垂高38.4 m后，漏失量有較明顯上升趨勢，表明在此處，巖體內(nèi)裂隙較為發(fā)育，自垂高46.40～63.36 m內(nèi)，漏失量波動劇烈，表明此處屬于兩帶范疇。漏失量自63.6 m之后漏失量雖有起伏，但未見有劇烈突變，整體起伏平穩(wěn)，自74.2 m之后漏失量呈下降趨勢，數(shù)值偏低，可以確定兩帶高度。

圖7 鉆孔漏失量變化Fig.7 Variation of borehole loss

8號孔的漏失量數(shù)據(jù)有明顯的數(shù)據(jù)波動，在30 m處達到峰值11.8 L/min，然而從全孔范圍看，漏失量平均值為2.9 L/min，數(shù)值偏低，表明孔內(nèi)的漏失量數(shù)據(jù)升高主要是由巖體內(nèi)自然形成的裂隙造成的，因開采而引起的裂隙并不發(fā)育。

4.3 頂板導水裂隙帶高度計算模型

在不同煤厚條件下根據(jù)不同方法所得“兩帶”高度匯總見表5。

根據(jù)表5所得各個方法下的導水裂隙帶高度最大值可知，理論計算、數(shù)值模擬、相似模擬及堵水試驗所得高度并不統(tǒng)一，且理論值明顯低于實驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)。分析其原因，主要是因為經(jīng)驗公式是平均多個礦井數(shù)據(jù)后所得，受到單層煤厚限制且未考慮覆巖結構影響，針對新登礦地質(zhì)條件，其計算結果不能完全適用；其次是煤層賦存條件多變，不同地點或條件下獲得的試驗數(shù)據(jù)會出現(xiàn)波動；最后是在實驗制備或現(xiàn)場實測中會出現(xiàn)計量誤差。為得到適合新登煤礦地質(zhì)條件的兩帶高度計算模型，擬合頂板導水裂隙帶最大高度，得到式(5)：

表5 不同煤厚下的導水裂隙帶高度Tab.5 Height of water-conducting fracture zone under different coal thickness

H=4.834 4M+39.381

(5)

式中，H為導水裂隙帶高度；M為煤層厚度。

根據(jù)在文獻[4]提出的“兩帶”高度預計方法，當關鍵層位置超過10倍煤層采厚時，導水裂隙將發(fā)育至10倍采厚上方最近的關鍵層底部。因此，根據(jù)式(5)分別計算3.2、5.2、9 m煤厚下的兩帶高度為54.9、64.5、82.9 m，根據(jù)表1，自煤層向上54.9、64.5、82.9 m處均出現(xiàn)了相對于其他巖層而言，厚度較厚、巖層較為堅硬的巖層，能夠與文獻[4]中的觀點相互印證。因此，筆者認為，公式(5)綜合了覆巖結構、覆巖巖性、煤厚等影響因素，滿足礦井安全生產(chǎn)要求。

5 結論

(1)對比分析經(jīng)驗計算、漏失量探測、模擬試驗等方法獲得的“兩帶”高度，得到了新登礦“兩帶”高度計算公式，較常規(guī)計算方法，該公式針對煤厚變化明顯、覆巖軟弱、覆巖存在關鍵層的綜放采場具有更強的適用性。

(2)因破斷角影響，覆巖垮落、破斷后，在開切眼和工作面邊界部位會形成明顯的導水通道，該通道不會隨工作面推進和巖層壓實發(fā)生明顯的閉合。

(3)破斷后的關鍵層依然能夠起到保護覆巖的作用，關鍵層上方巖塊破斷較完整，經(jīng)壓實后裂隙基本閉合，不易導水。

(4)計算不同煤厚條件下的“兩帶”高度，發(fā)現(xiàn)公式(5)能夠較好地印證已有的研究成果，符合工程實際，滿足新登煤礦安全生產(chǎn)要求。