園子溝礦首采工作面“三帶”分布及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

田 正

（陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責任公司園子溝煤礦，陜西 寶雞 721500）

0 引言

煤礦開采過程中，煤層頂板巖層產(chǎn)生變形破裂，在垂直向地表方向通常會形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶等3個不同變形特征的分帶，簡稱“三帶”。“三帶”高度是影響煤礦安全的一個重要因素，是瓦斯抽放、頂板管理、頂板水防治中必須考慮的一個重要的技術參數(shù)。回采工作面采動會引起覆巖運移，甚至波及到地表，導致工作面附近的礦山壓力重新分布，產(chǎn)生諸多礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象[1]。不同礦區(qū)的巖層賦存特征具有明顯的差異性，這也使得工作面回采后覆巖的運移規(guī)律多種多樣[2,3]。覆巖結構的運移伴隨著煤巖體中應力的變化，劇烈的覆巖結構變化會導致工作面礦壓顯現(xiàn)異常。覆巖中瓦斯、含水層賦存，覆巖運移往往會導致瓦斯涌出、涌水等安全事故[4-6]。因此，正確掌握工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對工作面的安全生產(chǎn)有很大的指導作用，因此準確確定“三帶”高度對于煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

園子溝煤礦1012001工作面為礦井首采工作面，其上覆巖層賦存特征及工作面采后運移特征均不明確，因此，本文通過觀測工作面覆巖“三帶”分布特征確定覆巖的上位運移范圍，并與下位關鍵層位判別相結合確定工作面覆巖的運移特征，分析由此帶來的工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對工作面安全正常生產(chǎn)具有重要的理論意義和實踐價值。

1 工程地質(zhì)概況

園子溝煤礦年設計生產(chǎn)能力8.0 Mt/a，屬特大型生產(chǎn)礦井。井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，可采煤層3層：2-1煤、2煤和3煤，其中2煤為主采煤層平均厚度7.8 m。園子溝煤礦101盤區(qū)是礦井首采盤區(qū)，首采工作面1012001綜放工作面連續(xù)推進長度約為2 700 m，工作面長度為200 m，工作面布置如圖1所示。

圖1 園子溝煤礦首采工作面布置示意圖

2煤頂板厚度為2～5 m，以泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層為主，穩(wěn)定性較差；基本頂為砂巖，較穩(wěn)定；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度3～5 m，為穩(wěn)定性較差巖體；老底砂巖為中等穩(wěn)定巖體。2煤埋深約780 m，厚約10.37 m，靠近煤層上部有一層厚度為0.2～0.6 m的夾矸，巖性為粉砂質(zhì)泥巖。受地質(zhì)構造影響，工作面回采范圍內(nèi)的煤層從切巷至停采線逐漸變薄。煤礦區(qū)整體構造形態(tài)為一向西傾斜的單斜構造，地層傾角較平緩（小于5°），其間發(fā)育有小的寬緩的波狀起伏，并存在局部隆起和凹陷。區(qū)內(nèi)無巖漿活動。1012001工作面水文地質(zhì)類型中等。回采過程中直接充水含水層為侏羅系延安組、直羅組砂巖裂隙含水層，其富水性弱，裂隙發(fā)育，充水方式為頂板進水型。

2 工作面覆巖“三帶”分布特征

2.1 觀測方案

“三帶”范圍是衡量工作面覆巖運移范圍的重要指標，也是進行工作面頂板礦壓管理、防治水、瓦斯治理的重要依據(jù)。確定“三帶”高度參數(shù)[7,8]，對工作面正常安全生產(chǎn)意義重大。采用鉆孔窺視法，通過井下鉆孔對工作面“三帶”分布特征進行觀測?，F(xiàn)場窺視采用TY-K02型巖層鉆孔探測儀，可通過前端深入孔內(nèi)的攝像頭實時觀測巖層內(nèi)部的裂隙、巖性分層，如圖2所示。

圖2 鉆孔電視成像儀

鉆孔位置參數(shù)：避開工作面內(nèi)部斷層構造影響，在距切巷200 m的位置，在工作面中心線上施工采前孔和采后孔，兩孔間距15 m（確定依據(jù)：鉆孔間距小于工作面周期來壓步距）。采前孔從地表鉆進至煤層底板，根據(jù)鉆進巖芯確定底板標高和煤層厚度，為避免采動影響，在工作面推進前即開始施工采前孔，采后孔在工作面推過2～3個月后施工，此時工作面達到充分采動，覆巖運移穩(wěn)定，三帶發(fā)育充分穩(wěn)定，以采前孔施工所記錄的煤層埋深和標高為基礎依據(jù)，從地面鉆進至煤層底板，注意兩鉆孔孔口的地表高差。。同時該位置已超過工作面初次來壓范圍，其觀測結果可表征工作面回采期間的普適性結果，探測工作面采后頂板運移穩(wěn)定后覆巖各高度的破壞特征、位置，如圖3所示。

圖3 工作面井上下鉆孔位置

在1012001工作面地表垂直向下施工2個鉆孔--采前孔和采后孔：采前孔準確定位煤層賦存深度及厚度、覆巖各層賦存層位關系及厚度，觀測覆巖中水文地質(zhì)情況；采后孔探測工作面采后頂板運移穩(wěn)定后覆巖各高度的破壞特征、位置，與采前孔探測情況進行對比分析。施工采前孔時，記錄鉆孔沖洗液消耗量、鉆孔水位、巖芯特征等相關觀測介質(zhì)的變化情況。施工采后孔時，記錄與施工采前孔時相對應的參數(shù)，與采前孔觀測數(shù)據(jù)形成對比。

2.2 鉆孔取芯觀測結果分析

從相應地面位置開始垂直向下施工鉆孔，鉆孔終孔位置至2煤層頂板，煤層頂板距離地面775.64 m。共取巖芯780.56 m。采前孔取巖芯情況照片如圖4所示。

圖4 采前孔取芯照片

采后孔位于工作面中部距切眼185 m的位置，終孔深度554 m，共取巖芯426 m。采后孔取巖芯情況照片如下圖7-7所示。

工作面推過采前孔到開展采后孔“三帶觀測”歷時2個多月，推過距離220 m左右。根據(jù)前文覆巖關鍵層判別方法，將煤層頂板上方的覆巖可分為4個關鍵層，主關鍵層為第48層厚度為32.42 m的中粒砂巖（埋深355.48 m），亞關鍵層3為第59層厚度27.06 m的粗礫巖（埋深529.54 m），亞關鍵層2為第114層厚度10.76 m的粉砂巖（埋深722.72 m），亞關鍵層1為第132層厚度為4.3 m的粗粒砂巖（埋深773.04 m）。煤層采厚為10.7 m，計算得出關鍵層破斷裂縫貫通臨界高度為107 m。主關鍵層位置距煤層高度為419.59 m＞107 m，因此，裂隙帶高度應按照臨界高度107 m上方最近的關鍵層的位置來計算，該關鍵層為亞關鍵層3，裂隙帶頂部高度應按亞關鍵層3距煤層高度來計算，由此計算得到裂隙帶頂部高度246.1 m。由此得出裂采比為23。

2.3 鉆孔電視法結果分析

將鉆孔電視成像儀內(nèi)的視頻分段截圖，結果如圖5所示。

圖5 采后孔取芯照片

圖5 鉆孔電視窺視圖

當鉆孔攝像頭進入到黃土層時，可以明顯地看到孔壁破碎、完整性較差。進入到125.95 m（華池組）時，可以看到有水珠少量從孔壁落下。進入到洛河組，由于洛河組為含水層，富水性強，涌水量開始變大，且涌水量并非保持恒定，涌水量大小在不同位置具有隨機性，這部分未觀察到有明顯裂隙。鉆孔攝像頭在進入宜君組后，在深度為522.30 m處時可以明顯地觀察到一處較大的縱向裂隙，一直延伸到安定組，由此判斷522.30 m處為裂隙帶發(fā)育高度的頂部位置。在544.17 m處有一條清晰可見的較大的環(huán)向裂隙。裂隙帶頂部高度發(fā)育至孔深522.30 m處即距煤層頂板上方253.34 m，因此裂采比為23.68。

結合以上研究與分析，園子溝煤礦1012001首采綜放工作面裂隙帶高度范圍在246.1～253.34 m，將253.34 m作為裂隙帶頂部發(fā)育高度的建議值，約為煤層厚度的23.68倍。

2.4 鉆孔沖洗液漏失量結果分析

根據(jù)大量聲幅曲線統(tǒng)計和現(xiàn)場鉆井技術資料顯示，白堊系洛河組巖石沙礫表面普遍有泥質(zhì)、泥質(zhì)膜，有些顆粒粒度呈現(xiàn)條帶狀層狀，存在微裂縫、裂縫，遇外來水（鉆孔沖洗液）極易水化分散，使微裂縫、裂縫進一步擴大，發(fā)生漏失。洛河組的鉆孔沖洗液漏失量數(shù)據(jù)會對本次研究造成干擾，因此，在使用鉆井液漏失量分析“三帶”時應不參考這部分數(shù)據(jù)。將現(xiàn)場實測的洛河組以下的單位時間、單位進尺鉆孔沖洗液漏失量數(shù)據(jù)匯編成表1，并繪制鉆液漏失量與孔深關系的曲線圖，如圖6所示。

表1 單位時間、進尺鉆液漏失量與孔深

圖6 單位時間、進尺鉆液漏失量與孔深

從曲線圖6中可看出，在孔深505.48～519.7 m這一段實測的鉆井液漏失量基本上在同一個范圍內(nèi)波動變化，變化范圍為0.14～0.21 L/（s·m）；在孔深達到523.77 m時，鉆井液漏失量突然增大，達到0.37 L/（s·m），此位置可認為是導水裂隙帶發(fā)育的頂部；孔深為523.77～528.37 m和532.57～541.66 m時，鉆井液漏失量有下降趨勢，分析認為這是由于這兩段巖石整體性比附近其他地方稍強，裂隙發(fā)育不如帶其他部位造成的，但仍屬于裂隙帶范圍之內(nèi)；在528.37～530.77 m和541.66～546.03 m時，鉆井液漏失量迅速增加，說明巖層空隙大，破壞嚴重，證明觀測孔的這兩段處于裂隙帶中的極為發(fā)育區(qū)。在孔深554.51 m處，由于鉆井液和施工用水消耗量過大，無法再繼續(xù)施工，所以本次采后孔的深度為554.51 m。從此位置開始，隨著鉆孔深度的增加，單位時間、單位進尺的鉆井液漏失量整體上呈逐漸增大的趨勢，最大處可達1.06 L/（s·m），表明523.77 m處為裂隙帶發(fā)育的頂部。裂隙帶頂部發(fā)育高度距煤層頂板為775.64-523.77=251.87 m。該位置平均煤層厚度為10.7 m，因此裂采比為23.54。

3 覆巖下位運移范圍判別

根據(jù)園子溝煤礦1012001工作面地質(zhì)柱狀圖及巖層性質(zhì)，由關鍵層判別公式：

式中：Ei，hi，γi分別為第i層（i=1，2，…，n）巖層的彈性模量、厚度和容重。

可以得出：

表2 煤層覆巖性質(zhì)

工作面回采煤層厚度較大，超過直接頂和第一層堅硬頂板的總厚度，直接頂為泥巖，厚度2.25 m，隨采隨冒，仍有約7.5 m的空間需要填充。因此，第一層堅硬巖層懸空后再覆巖壓力作用下極易斷裂，對工作面的礦壓顯現(xiàn)有一定的影響，但不足以控制工作面礦壓。工作面采后需要填充的頂板巖層厚度約為27.5 m，但是第二層堅硬巖層厚度較大，整體抗彎強度較高，不易折斷，且根據(jù)理論計算結果，該層及下層巖層的覆巖載荷相差較大，因此，可以判斷該層為1012001工作面的基本頂。

4 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

4.1 來壓步距理論分析

1012001工作面采場自開切眼開始推進，回采工作面長200 m，基本頂巖層厚22.15 m，按照板的假設，其厚度（h）與寬度（a）的比值為h/a=1/7～1/15，根據(jù)開采條件及采區(qū)邊界煤柱的大小，可將基本頂支撐條件假設為三邊固支，一邊簡支。隨著工作面向前推進，基本頂巖層達到強度極限時，將形成斷裂。根據(jù)固定梁的計算，最大彎矩發(fā)生在梁的兩端，該處的最大拉應力σmax為：

當σmax=R時，即巖層在該處的正應力達到該處的抗拉強度極限，巖層將在該處拉裂。為此，這種梁斷裂時的極限跨距為：

老頂厚度為22.15 m，承受上部86 m范圍巖層，q均布載荷取1.79，R取2.98。

因此老頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0 m，隨著回采工作面的推進，在基本頂初次來壓以后，裂隙帶巖層形成的結構將始終經(jīng)歷“穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定”的變化，這種變化將呈現(xiàn)周而復始的過程。由于結構的失穩(wěn)導致了工作面頂板的來壓，這種來壓也將隨著工作面的推進而呈周期性的出現(xiàn)。與初次來壓時一樣，支架必須保證足夠的支撐力以滿足∑Fy=0，但并不能阻止基本頂（老頂）巖塊的回轉(zhuǎn)。

對于在回采工作空間上方的相當于規(guī)則垮落帶及其以下的巖層，按最危險的狀態(tài)考慮，支柱應以能承受此控頂區(qū)內(nèi)的全部載荷為準。根據(jù)材料力學，σ=MY/J。此處，最大彎矩Mmax=qL2/2，Y取h/2（h為巖層厚），σ取極限抗拉強度R時，

因此老頂?shù)闹芷趤韷簽?6.5 m。

4.2 工作面周期來壓步距實測分析

將1012001綜放工作面內(nèi)部的液壓支架進行分組，其中5、15、25、35號為上部組，45、55、65、75號為中部組，85、95、105、115號為下部組，通過讀取工作面液壓支架立柱得工作阻力值，分析工作面液壓支架周期來壓特征。2019年8月20日至10月31日期間，1012001工作面周期來壓步距沿工作面方向的分布情況如圖7所示。

由圖7（a）可知，沿工作面方向，平均來壓步距和最大來壓步距整體上相差不大，中間略小于兩邊，整體分布較為一致，沿工作面方向來壓較為同步。周期來壓步距平均為22.55 m，最大為35.01 m，最大周期來壓步距平均為36.83 m，最大值為54.6 m。由圖7（b）可知，工作面上部、中部和下部各處平均來壓步距分別為23.05、19.28、25.49 m，最大來壓步距值分別為38.42、33.07、39 m，中間略小兩邊稍大。

圖7 工作面周期來壓步距分布

5 結論

1）通過鉆孔電視法觀測了工作面“三帶”分布特征，確定了覆巖運移的上位范圍，并分析得出了工作面下位覆巖的運移范圍。裂隙帶發(fā)育頂部高度距煤層頂板253.34 m，約為煤層厚度的23.68倍，控制工作面礦壓顯現(xiàn)的關鍵層位為22.15 m厚的砂巖。

2）得出了工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。沿工作面方向，平均來壓步距和最大來壓步距整體上相差不大，中間略小于兩側(cè)，整體分布較為一致，沿工作面方向來壓較為同步。