淺埋近距離煤層覆巖裂隙發(fā)育高度研究

趙 飛

（庫車縣科興煤炭實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 庫車 842000）

采動(dòng)引起的覆巖破壞是造成頂板水害的主要因素之一[1-2]。確定裂隙高度、揭示覆巖破斷規(guī)律是近距離煤層保水開采成功的關(guān)鍵[3-4]。榆樹泉煤礦近距離煤層埋藏淺、基巖薄，煤層上方存在弱膠結(jié)巖層，與中東部地區(qū)有著較大的區(qū)別。分析該地質(zhì)條件下近距離煤層覆巖的破壞規(guī)律，探究重復(fù)采動(dòng)下頂板裂隙帶的發(fā)育高度，對(duì)西部煤礦保水開采有重要的借鑒意義。

1 工程概況

榆樹泉煤礦井田內(nèi)具有開采價(jià)值的煤層有5 層，其中下8、下10 煤層回采價(jià)值最高，為正在開采的主采煤層。下8 煤層平均可采厚度1.69 m，下10 煤層平均可采厚度3.41 m，兩煤平均層間距8.61 m，屬近距離煤層。煤層上方存在弱膠結(jié)巖層，介于直接頂與基本頂之間。兩層煤下行開采造成圍巖重復(fù)采動(dòng)，覆巖裂隙二次發(fā)育。近距離煤層工作面分布圖如圖1。

圖1 近距離煤層工作面分布圖

2 淺埋近距離煤層覆巖裂隙理論高度

下8與下10煤層綜合開采厚度計(jì)算公式如下：

式中：∑M為綜合采厚，M上為下10 煤厚，M下為下8煤厚，h為兩層煤間隔巖層厚度，y為下10煤垮落帶與采厚的比值。下8 與下10 煤層的綜合采厚為3.94 m。

煤層開采后覆巖破壞，自下而上形成垮落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶，垮落帶與裂隙帶合稱導(dǎo)水裂隙帶，一般用它代指覆巖裂隙發(fā)育[5]?！度虏擅阂?guī)程》中預(yù)測覆巖裂隙發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式（2）與公式（3）如下[6]：

下8煤層回采時(shí)，公式（2）所得覆巖裂隙發(fā)育高度為50.8 m，公式（3）所得覆巖裂隙發(fā)育高度為39 m，故近距離煤層上層煤回采時(shí)44.9 m。公式（2）所得H為67.5 m，公式（3）H為69.5 m，故近距離煤層覆巖裂隙發(fā)育高度理論值約為68.5 m。

3 淺埋近距離煤層覆巖裂隙發(fā)育數(shù)值模擬

3.1 近距離煤層開采模型建立

依據(jù)下8 與下10 煤層實(shí)際地質(zhì)和開采條件，利用數(shù)值模擬軟件建立模型。模型大小為500 m（長）×200 m（高），下8 與下10 煤層各留設(shè)兩個(gè)工作面，工作面間煤柱設(shè)為30 m。模型選用摩爾—庫侖模型，上邊界為應(yīng)力邊界，模擬模型上部載荷，其余邊界為位移邊界。限制模型移動(dòng)；模擬回采方式為采全高，垮落法管理頂板。觀察上層煤開采后覆巖破斷規(guī)律以及下層煤開采后近距離煤層群塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律。建模巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 淺埋近距離煤層群開采覆巖裂隙發(fā)育高度

隨著下8 煤層（上層煤）兩工作面回采工作的結(jié)束，上覆巖層在開采擾動(dòng)的作用下產(chǎn)生了“三帶”結(jié)構(gòu)，處于垮落帶與裂隙帶的巖層遭到破壞[6]。由圖2 可知，上層煤兩工作面距離較近，工作面互相干擾，兩工作面上方出現(xiàn)拱形的彎曲下沉帶。此時(shí)覆巖破壞高度不大，兩工作面高度分別為37 m、45 m。下8 煤層回采覆巖裂隙高度與理論值接近。

圖2 下8 煤層回采覆巖裂隙高度（m）

由圖3 可知，隨著下10 煤層（下層煤）工作面回采，本就受擾動(dòng)的下10 煤底板再次遭到破壞，兩層煤之間的隔斷巖層失效，下層煤覆巖裂隙與上層煤相連。重復(fù)采動(dòng)使得上層煤彎曲下沉帶進(jìn)一步破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)上下煤層工作面覆巖的裂隙帶，巖層產(chǎn)生的裂隙相互貫通，裂隙帶之上的巖層經(jīng)過新一輪的彎曲變形達(dá)到新的平衡，再次形成彎曲下沉帶。下層煤開采后覆巖破壞高度達(dá)到83 m。覆巖破壞高度與理論值差距較大，推測可能是理論計(jì)算并非專門針對(duì)近距離煤層開采制定，且理論值未包括兩煤層之間間隔巖層。

圖3 下10 煤層回采覆巖裂隙高度（m）

近距離煤層群煤層間距過小時(shí)，上層煤回采會(huì)造成底板間隔巖層損傷，下層煤重復(fù)采動(dòng)后間隔巖層極易受失穩(wěn)破斷；破壞后的巖層與上層煤垮落的頂板架構(gòu)相連，形成新的破壞頂板結(jié)構(gòu)，向上發(fā)育出新的破壞巖層。

4 淺埋近距離煤層群覆巖裂隙帶探測

為探究近距離煤層覆巖破壞高度，在下8煤層與下10 煤層設(shè)置兩測站，分別探測上、下煤層回采時(shí)覆巖裂隙高度。在距8107 工作面80 m 處聯(lián)絡(luò)巷中鉆孔，布置測站Ⅰ，在距1016 工作面100 m 處聯(lián)絡(luò)巷中鉆孔，布置測站Ⅱ，利用雙端堵水器探測覆巖破壞高度。測站中各布置4 個(gè)鉆孔，其中1#鉆孔用于工作面采前探測，與地面呈60°，指向工作面頂板；另3 個(gè)鉆孔用于回采結(jié)束后探測，與地表角度分別為50°、60°、70°。

4.1 下8 煤回采覆巖裂隙高度探測

如圖4（a）所示，下8 煤層8107 工作面回采前，鉆孔水量漏失保持在6 L/min 以下，覆巖原生裂隙較少，且沒有受到采動(dòng)影響。

圖4 下8 煤層探測水量漏失圖

8107 工作面回采結(jié)束后，覆巖鉆孔水量漏失有了明顯增加。在煤層頂板0～20 m 距離左右，鉆孔水量漏失在5～15 L/min 之間，雖較采前有所增加，但增量不大，說明鉆孔下部位于導(dǎo)水裂隙發(fā)育帶之外，導(dǎo)水裂隙帶呈倒梯形。覆巖高度20～46 m 左右這段距離，鉆孔漏失流量達(dá)到30～40 L/min，鉆孔漏失流速有了明顯提升，說明此段距離受煤層回采影響裂隙發(fā)育較多，覆巖破壞比較嚴(yán)重。覆巖高為50 m 以上時(shí)，鉆孔水量漏失逐漸下降，在覆巖高60 m 水量漏失接近0，說明50 m 以上時(shí)覆巖沒有出現(xiàn)新的裂隙，此段高度應(yīng)處于彎曲下沉帶范圍?，F(xiàn)場實(shí)測表明，上層煤回采時(shí)覆巖破壞高度為46 m左右，與理論和模擬值接近。

4.2 近距離煤層回采覆巖裂隙高度探測

1016 工作面回采前，8107 工作面已回采結(jié)束。如圖5 所示，在覆巖高25～45 m 之間漏失量較多，說明1#鉆孔受下8 煤層回采影響，存在較多裂隙，但1#鉆孔漏失水量均在10 L/min 以下，說明測站距離8107 工作面較遠(yuǎn)，受回采影響較小。

圖5 近距離煤層探測水量漏失圖

1016 工作面回采結(jié)束后，工作面覆巖可按深度分為3 部分：（1）覆巖高0～25 m 左右，此時(shí)漏失流量多在10～15 L/min 左右，與采前探測相差不大。說明工作面回采后，這段距離內(nèi)覆巖沒有新的破斷與離層出現(xiàn)，這是因?yàn)楦矌r破壞帶呈倒梯形分布。（2）覆巖高25～85 m 時(shí)，鉆孔漏失流量達(dá)到25～30 L/min，相比采前增加了大約5～6 倍。水量漏失的明顯增加說明在此高度范圍內(nèi)覆巖形成了大量新的裂隙與離層。（3）覆巖高度在85 m 以上時(shí)，水量漏失與采前基本一致，說明沒有出現(xiàn)新的破壞?，F(xiàn)場實(shí)測表明，受近距離煤層重復(fù)采動(dòng)影響，覆巖破壞高度達(dá)到了85 m 左右。

5 結(jié)論

（1）通過理論計(jì)算得到近距離煤層上層煤回采時(shí)覆巖裂隙高度為44.9 m，下層煤回采時(shí)覆巖裂隙高度為68.5 m，此結(jié)果未包括兩煤層間隔巖層厚度。

（2）通過UDEC 模擬得出近距離煤層群煤層間距過小時(shí)，上層煤回采造成的底板損傷疊加下層煤重復(fù)采動(dòng)頂板破壞，使煤間巖層極易失穩(wěn)破斷；破壞后的巖層與上層煤垮落的頂板結(jié)構(gòu)相連，形成新的破壞頂板結(jié)構(gòu)，向上發(fā)育出新的破壞巖層。下10煤層回采后覆巖裂隙高度由45 m 增加到83 m。

（3）現(xiàn)場探測發(fā)現(xiàn)，下8 煤層回采后覆巖裂隙高度為46 m；下10 煤層回采后，覆巖高25～85 m階段鉆孔漏失流量相比采前增加5～6 倍，說明受近距離煤層重復(fù)采動(dòng)影響，覆巖破壞高度達(dá)到了85 m左右。