分析計算與鉆孔成像確定工作面頂板“兩帶”高度

胡雪墩

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦地測科，山西 方山 033000）

煤層開采后，煤層頂?shù)装寰鶗懿蓜討Φ挠绊懚l(fā)生破壞變形。煤層開采后對頂板的破壞可以分為三帶，即垮落帶、導水裂縫帶和彎曲下沉帶[1-3]。其中垮落帶和導水裂縫帶的高度對頂板水害的防治工作有重要影響[4-6]。以木瓜煤礦10-201工作面為研究對象，借助鉆孔成像技術(shù)對頂板巖層進行現(xiàn)場實測，獲得了兩帶發(fā)育高度的范圍，為工作面防治水害提供科學依據(jù)。

1 工程概況

木瓜煤礦地處山西省方山縣大武鎮(zhèn)木瓜村南，井田面積10.63 km2。礦井煤炭地質(zhì)儲量68.77 Mt，可采儲量49.021 Mt，可開采煤層3#、5#、9#、10#共四層。10-201工作面位于木瓜煤礦二盤區(qū)，+940水平準備巷道南翼，工作面標高+1 012～+1 190 m，地面標高+864～+932 m。工作面走向長1 081 m，傾向?qū)?45 m。工作面上部及周邊均為實體煤巖層，以北緊鄰二盤區(qū)三條準備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為實體煤，以東為實體煤，緊鄰風氧化帶，靠近礦井井田邊界。10-201工作面開采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的9#、10#煤，賦存較穩(wěn)定，煤層厚度5.81～7.73 m，平均6.77 m，煤層傾角3°～14°，平均8°。受風氧化帶影響，煤層的直接頂0～5 m范圍為黃色泥巖，較軟，裂隙發(fā)育；基本頂為灰?guī)r和泥巖，厚度約為13 m；底板為深灰色粉砂巖，厚度約為5.21 m，較硬，遇水不膨脹。老底為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度約為10.25 m。煤層頂?shù)装鍘r層裂隙較發(fā)育，局部區(qū)域離層發(fā)育；底板含水層主要有奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，奧灰頂面距9#、10#煤底板約60 m。工作面煤層底板隔水層主要為太原組泥質(zhì)巖與石炭系本溪組隔水層，以砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖為主，平均厚度60 m左右，隔水性能較好，是10#煤層與奧陶系之間的主要隔水層。根據(jù)工作面掘進期間斷層揭露情況及坑透異常區(qū)驗證分析，預計回采期間不會揭露陷落柱及落差大于煤層厚度2/3的斷層。根據(jù)工作面周邊鉆孔及地質(zhì)資料分析，判斷該工作面回采區(qū)域內(nèi)無沖刷。工作面上部灰?guī)r受風氧化影響，頂板風氧化嚴重，煤層受風氧化帶影響較小，無巖漿巖侵入影響。

2 充水因素分析及兩帶高度預算

木瓜煤礦10-201工作面開采的9#、10#煤層頂板主要含水層為石炭系上統(tǒng)太原組砂巖、灰?guī)r含水層及二疊系砂巖含水層。根據(jù)工作面周邊南5、ZK3鉆孔綜合分析，工作面范圍內(nèi)太原組中普遍含有L1+K2、L4、L5三層石灰?guī)r及3層中細粒砂巖組成；二疊系砂巖含水層主要以細、中、粗粒砂巖為主，含水層連續(xù)性差，厚度不穩(wěn)定。9#煤層頂板隔水層主要為太原組各層灰?guī)r間的泥巖隔水層，隔水層主要由細砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖組成，層位穩(wěn)定，隔水性能較好。

煤層頂板三層灰?guī)rL1+L2厚度4.1～5.15 m，平均4.6 m；L4厚度5.6～9.7 m，平均7.65 m；L5厚度1.67～2.4 m，平均14.29 m。石灰?guī)r裂隙較發(fā)育，單位涌水量0.037 6～0.078 L/s·m，含水層富水性弱，滲透系數(shù)0.100 8～0.292 6 m/d，水位標高+1 032.25～+1 058.70 m之間；灰?guī)r含水層賦水不均勻，局部存在富水區(qū)。煤層開采后，冒落裂縫帶發(fā)育，回采過程中局部頂板出現(xiàn)裂隙淋水，由于含水層補給條件較差，以消耗靜儲量為主，工作面涌水量可能局部增大，但涌水持續(xù)時間不會太久，水源主要通過頂板裂縫、垮落和構(gòu)造進入工作面。根據(jù)工作面掘進期間涌水情況分析，該含水層富水性弱，對回采影響較小。根據(jù)工作面掘進期間涌水量分析，預計回采期間，工作面正常涌水量為20～30 m3/h，最大涌水量為50 m3/h。據(jù)調(diào)查，工作面四周不存在采空區(qū)積水和封閉不良鉆孔。

綜合上述分析，工作面回采期間涌水水源主要為頂板灰?guī)r裂隙水，回采至基巖較薄區(qū)域，大氣降水可能通過采后形成的導水裂縫帶、地表裂縫、地表塌陷坑滲入工作面；回采過程中局部頂板可能出現(xiàn)裂隙淋水，尤其是副巷里程245～380 m區(qū)域，掘進期間該區(qū)域頂板有3～5 m3/h的淋水，該區(qū)域地面位于溝谷區(qū)域，回采至此區(qū)域涌水量可能增大。受風氧化帶影響，煤層頂板0～5 m范圍為黃色泥巖，較軟，裂隙發(fā)育。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》[7]兩帶高度的經(jīng)驗公式，計算10-201工作面煤層的垮落帶和導水裂縫帶的高度。由于該工作面的直接頂為泥巖，垮落帶和導水裂縫帶高度計算公式按照覆巖巖性為軟弱計算，即：

式中：Hk為垮落帶計算高度；Hli為導水裂縫帶高度；∑M為累積采厚，10-201工作面煤層為9#、10#煤，累積采厚為6.77 m。

經(jīng)計算，可以獲得垮落帶的高度9.2±1.5 m，導水裂縫帶的高度26.1±4.0 m。

3 鉆孔成像測試結(jié)果及分析

3.1 鉆孔成像測試技術(shù)相關(guān)參數(shù)

井下電視成像儀是一種直觀顯現(xiàn)巖層結(jié)構(gòu)的測試技術(shù)，通過采用高分辨率彩色電視攝像頭傳感器進行監(jiān)測，在液晶顯示屏幕上顯示鉆孔內(nèi)壁構(gòu)造，能實時顯示并記錄探測深度，實時顯現(xiàn)孔壁整體情況，包括離層、破裂、破碎巖體裂隙寬度及范圍，圖像清晰，可用于識別巖性、裂隙、空洞和軟弱夾層等。根據(jù)鉆孔孔壁巖層結(jié)構(gòu)裂隙變化，確定受采動影響的垮落帶和導水裂縫帶高度發(fā)育程度[8-10]。

兩帶高度監(jiān)測選擇在10-201工作面上的軌道順槽，觀測孔及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 10-201工作面兩帶觀測孔設計技術(shù)參數(shù)

3.2 鉆孔成像測試結(jié)果及分析

在工作面開采前后，分別對孔內(nèi)進行了成像觀測，將采集后的圖像后期截圖處理，用于對比分析，進而獲得工作面頂板的變形破壞特征。

圖1為工作面煤層開采前的鉆孔內(nèi)部圖像，可以看出，在3個不同鉆孔深度下，孔壁較為完整，其中10 m和31 m深度下的孔壁存在細微的裂隙如圖1（a）、圖1（b）所示，而35 m及以上的鉆孔則較為完整如圖1（c）所示。

圖1 不同鉆孔深度處開采前孔內(nèi)圖像

圖2為開采后相同位置的鉆孔內(nèi)部圖像，可以看出，在10 m深度處有明顯碎屑物，表明孔內(nèi)破碎程度較高如圖2（a）所示。31 m深度處有一條明顯的裂隙如圖2（b）所示，而35 m深度處的孔壁較為完整如圖2（c）所示。

圖2 不同鉆孔深度處開采后孔內(nèi)圖像

由于單一鉆孔的監(jiān)測值不能準確反應煤層頂板兩帶的具體位置，根據(jù)鉆孔探測的結(jié)果可以確認，垮落帶高度約為7 m，導水裂縫帶高度約為22 m，頂板變形破壞深度不超過25 m。鉆孔實測的分析結(jié)果均在經(jīng)驗公式計算的預測高度范圍內(nèi)，實測結(jié)果有參考價值。

4 結(jié)論

在掌握了木瓜煤礦的基本地質(zhì)條件之后，對工作面的充水因素進行分析，并借助鉆孔成像技術(shù)對工作面頂板的兩帶發(fā)育高度進行了探測，得出以下結(jié)論：

1）通過整理地質(zhì)資料后，認為頂板灰?guī)r含水層對10-201工作面威脅最大，該含水層裂隙發(fā)育，雖然涌水量較小，但富水性不均勻，仍然要重點關(guān)注，做好防范措施。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的兩帶高度經(jīng)驗公式得到10-201工作面覆巖兩帶發(fā)育高度。

2）通過對鉆孔成像的后期分析，在工作面回采后，監(jiān)測鉆孔內(nèi)出現(xiàn)了明顯的裂隙和碎屑物，破壞特征明顯。通過對比開采前后相同鉆孔深度的孔內(nèi)圖像可知，煤層頂板垮落帶高度約為7 m，導水裂縫帶高度約為22 m，從而得到了10-201工作面頂板破壞高度不超過25 m，實測結(jié)果與經(jīng)驗公式預測結(jié)果較為吻合，為工作面防治水提供了科學依據(jù)。