厚煤層高強(qiáng)度綜放開采覆巖“兩帶”發(fā)育高度研究

秦偉超

（河南焦煤能源有限公司古漢山礦，河南 焦作 454000）

采煤工作面回采過后，勢必會造成采場圍巖發(fā)生變形、移動、斷裂和垮落，根據(jù)采空區(qū)覆巖移動的破壞程度，將在采空區(qū)上方形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，即統(tǒng)稱為“三帶”。若煤層上方有含水層，并且覆巖“三帶”中的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較大，“兩帶”將會達(dá)到含水層并形成導(dǎo)水通道，礦井發(fā)生水害的可能性較大，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)?？迓鋷Ш蛯?dǎo)水裂隙帶(簡稱“兩帶”)高度的確定對于礦井開采設(shè)計、瓦斯抽采、水災(zāi)防治及頂板管理和安全高效生產(chǎn)都至關(guān)重要。

當(dāng)前國內(nèi)外眾多專家學(xué)者通過理論分析、經(jīng)驗公式、物理相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等手段對工作面采空區(qū)覆巖“兩帶”高度做了大量的研究工作，研究成果在現(xiàn)場進(jìn)行了良好的應(yīng)用。楊達(dá)明等[1]通過鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視和數(shù)值模擬等綜合方法研究分析了厚松散層軟弱覆巖下綜放開采工作面采空區(qū)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律。孫浩彬[2]基于導(dǎo)水裂隙帶觀測基本原理，實測出蓋州煤礦9105 綜采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度。田靈濤[3]針對察哈素煤礦的實際地質(zhì)條件，采用現(xiàn)場沖洗液漏失量法和彩色鉆孔電視孔內(nèi)觀測法，并與理論分析相結(jié)合研究了察哈素煤礦上覆巖層“兩帶”高度，認(rèn)為鉆孔實測結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果部分存在較大差異。何清波等[4]采用物理相似模擬方法研究了傾斜煤層放頂煤工作面開采條件下采場覆巖“兩帶”分布特征，通過分析覆巖下沉量變化規(guī)律并確定“兩帶”高度，最后采用UDEC 模擬軟件驗證相似模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。谷文偉等[5]采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對極近距離煤層綜放開采工作面覆巖“兩帶”的動態(tài)發(fā)育規(guī)律做了深入研究分析，并確定袁店一礦824 工作面覆巖“兩帶”的發(fā)育高度?？讘c軍等[6]通過綜合方法研究了發(fā)耳煤礦五采區(qū)1#煤層頂板“兩帶”發(fā)育規(guī)律，為高位鉆孔瓦斯抽采、頂板治理提供理論依據(jù)。楊高峰等[7]采用理論計算、FLAC3D模擬軟件以及現(xiàn)場實測等手段，得到鎮(zhèn)城底礦28107 工作面垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，對本礦防治水工作具有重要指導(dǎo)意義。張輝等[8]通過經(jīng)驗公式預(yù)計、數(shù)值模擬和井下仰孔分段注水法實測等方法，研究了放頂煤工作面的覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。張剛艷等[9]以沙吉海煤礦某高強(qiáng)度開采軟弱覆巖工作面為原型，建立了三維離散元數(shù)值模型，并基于現(xiàn)場鉆孔實測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型參數(shù)的選取進(jìn)行了合理性校核，分析了不同采厚、工作面傾向長度、走向長度與推進(jìn)速度對沙吉海礦高強(qiáng)度開采軟弱覆巖“兩帶”最大高度的影響。以上實踐研究表明，綜放工作面回采后采空區(qū)空間較大，采空區(qū)上覆巖層依次出現(xiàn)垮落帶、裂隙帶，即“兩帶”。若“兩帶”高度發(fā)育到上覆含水層，礦井將會面臨著潰水等災(zāi)害，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。

古漢山礦1604 工作面為首個綜放開采工作面，具有煤層較厚、埋深大及高強(qiáng)度開采的特點，精準(zhǔn)預(yù)測出“兩帶”發(fā)育高度有利于礦井安全高效生產(chǎn)。

1 工作面概況及地質(zhì)條件

1）工作面概況

1604 工作面開采二1 煤層，煤厚4.8～6.25 m，平均5.3 m；煤層傾角12°～15°，平均14°。工作面埋深在500～600 m 范圍內(nèi)，地應(yīng)力較高。地層情況詳見地層綜合柱狀圖1。該工作面是該礦首個綜放開采沿空留巷工作面。

2）地質(zhì)構(gòu)造

1604 工作面位于界碑?dāng)鄬樱ㄗ呦騈30°W，傾向SW，傾角70°，H=100～210 m）的下盤，2015年10 月在1604 底板抽采巷統(tǒng)尺（14 號鉆場）1024 m 處對界碑?dāng)鄬舆M(jìn)行了超前鉆探，探明了二1 煤層發(fā)育情況；后期又在該區(qū)域布置地面鉆孔5 個，基本控制了界碑?dāng)鄬蛹榜R坊泉斷層的走向、位置。工作面切眼距斷層84～126 m，對工作面回采無影響。根據(jù)回風(fēng)巷、底抽巷、頂板抽采巷掘進(jìn)揭露實際情況分析，回采至回風(fēng)巷統(tǒng)尺959.5 m，工作面預(yù)計揭露斷層F1606，回采10 m 后預(yù)計揭露斷層F1608，回采82 m 后揭露斷層F1610，回采232 m后揭露斷層F1611，回采至回風(fēng)巷統(tǒng)尺129 m，工作面預(yù)計揭露斷層F1605。

3）水文地質(zhì)

主要含水層為L8灰?guī)r水，煤層底板距L8灰?guī)r含水層20.2～33.69 m，該工作面范圍內(nèi)平均間距23.3 m。根據(jù)古水22 孔資料L8灰?guī)r水位為-390 m，工作面最低標(biāo)高為-564 m，水壓為1.74 MPa，突水系數(shù)P/M為0.096 MPa/m ＜0.1 MPa/m；L2灰?guī)r水位為+30 m，煤層底板距L2灰?guī)r含水層81 m，水壓為5.94 MPa，突水系數(shù)P/M值為0.083 MPa/m ＜0.1 MPa/m，，正常情況下，不易發(fā)生底板出水。O2灰?guī)r含水層與L2灰?guī)r含水層水位一致，水位+30 m 左右，上距二1 煤約104.06 m，富水性強(qiáng)，水壓為5.94 MPa，突水系數(shù)P/M值為0.067 MPa/m，正常情況下不易發(fā)生底板出水。工作面上部為16021 采空區(qū)，16021 工作面上下巷無低洼處且工作面上下巷水能自流，無老空積水。該工作面下部為1606 工作面未采區(qū)，無老空積水。該工作面西部為井田邊界斷層煤柱，無老空積水。該工作面東部為16皮帶下山及-450大巷保護(hù)煤柱，無老空積水。工作面最大涌水量150 m3/h，正常90 m3/h。

2 “兩帶”發(fā)育高度相似模擬試驗

2.1 建立相似模擬試驗裝置

為掌握了解煤層采出后覆巖“兩帶”發(fā)育特征，利用二維相似模擬試驗裝置（模型尺寸2 m×0.2 m×1.3 m，幾何比例1:100）對其進(jìn)行模擬試驗。利用配重的方式均布加壓以模擬模型上方巖層的重量。模型正面觀察煤層頂板垮落狀況，背面進(jìn)行下沉觀測，自采面切巷開始在煤層垂直方向上布設(shè)9排測點，每排18 個測點且間距0.1 m，并做出標(biāo)記便于監(jiān)測。

2.2 結(jié)果分析

設(shè)計推進(jìn)速度每次開挖0.3 m，對1604 采面實施相似模擬試驗，周期性來壓后均要記錄下沉狀況，開采結(jié)束后即可得出實際巖層下沉變化曲線，如圖2（a）。

圖2 相似模擬試驗結(jié)果

受回采動壓影響，采空區(qū)覆巖將發(fā)生不同狀況的垮塌，在煤層上方將會出現(xiàn)垮落帶（受覆巖垮塌作用后出現(xiàn)破斷且無規(guī)則的塊狀呈現(xiàn)）、裂縫帶（該區(qū)域巖層垮塌后部分巖層將會有破斷裂紋）及彎曲下沉帶（該區(qū)域巖石結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)較大的破壞）。相似模擬試驗表明，1604 綜放面垮落帶發(fā)育高度25 m，裂縫帶發(fā)育高度110 m，以上則是彎曲下沉帶。

1604 綜放面覆巖“兩帶”相似模擬試驗結(jié)果如圖2（b）。在煤層傾斜方向上，采面持續(xù)回采，巖層受力超出自身承載力時將會出現(xiàn)豎向裂隙而發(fā)生破斷垮塌。由于煤層具有一定角度，其上覆巖層在傾斜方向上呈現(xiàn)出滑移且與煤層垂直的現(xiàn)象，造成下方巖層下沉較為充分，回采結(jié)束后測得下部斷裂角71°，上部斷裂角60°。

2.3 “兩帶”發(fā)育高度理論預(yù)測

根據(jù)1604 工作面煤層柱狀圖，其開采厚度約5.5 m，按照三下開采指南的規(guī)定，覆巖為中硬情況時導(dǎo)水裂隙帶高度理論公式為：

由公式（1）、（2）計算出的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為38.9～56.9 m。

3 “兩帶”發(fā)育高度現(xiàn)場實測研究

3.1 井下導(dǎo)水裂隙帶觀測原理

在試驗工作面停采線附近選取適宜地點進(jìn)行試驗，向采空區(qū)上方巖層施工仰斜鉆孔（即導(dǎo)水裂隙帶高度觀測鉆孔），其深度應(yīng)超過覆巖導(dǎo)水裂隙帶，施工到彎曲下沉帶一定距離。采用井下導(dǎo)水裂隙帶高度觀測儀，從孔口由下向上每1 m 測試各段巖層的導(dǎo)水性。所測巖層滲水的最大高度是采場覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度。此方法具有觀測速度快、精度高及成本低的特點。

3.2 實施方案

結(jié)合頂板覆巖導(dǎo)高的理論計算值，設(shè)計觀測孔時應(yīng)著重對煤層上覆38.9～56.9 m 區(qū)域內(nèi)覆巖破壞狀況進(jìn)行研究，考慮發(fā)生裂高偏大的異常狀況時應(yīng)增加鉆孔深度，所以觀測孔長度至少超過理論計算值5 m，以期能測出不漏水孔段的位置，視為裂縫帶頂界的依據(jù)。

設(shè)計鉆孔參數(shù)見表1。鉆場位于1604 工作面回風(fēng)巷與下山煤柱保護(hù)線相交處向外約10 m 的硐室內(nèi)。鉆孔布置如圖3、圖4。

表1 1604 回風(fēng)巷鉆孔施工要素表

圖3 鉆孔布置平面圖

圖4 鉆孔布置剖面圖（m）

此外，為能得到較為精準(zhǔn)的觀測數(shù)據(jù)，觀測孔施工后應(yīng)盡快進(jìn)行現(xiàn)場探測，以防止塌孔后影響觀測結(jié)果準(zhǔn)確度。

3.3 結(jié)果分析

各鉆孔的觀測均是自下而上進(jìn)行的，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，得到觀測孔各段巖層的注水漏失情況，觀測結(jié)果如圖5。

圖5 各測孔結(jié)果曲線

1）1#對比孔觀測結(jié)果分析

從孔深10～94 m 依次分段觀測，掌握未受采動影響的原巖區(qū)域封孔注水漏失情況。1#對比孔深10～94 m，垂高8～77 m，巖層滲水量0.3～4.7 L/min。因此認(rèn)為滲水量小于4.7 L/min 時，巖層完整。對比孔觀測有利于精準(zhǔn)獲得導(dǎo)水裂隙帶高度。

2）2#、3#觀測孔觀測結(jié)果分析

2#孔從孔深22～101 m 處依次分段觀測，3#孔從孔深30～110 m 處依次分段觀測，觀測到導(dǎo)水裂隙帶高度時停止。

由圖5 可知，2#、3#孔測試區(qū)域的巖層注水漏失情況差異性較大，一是I 段漏失量大，二是Ⅱ段漏失量比較小。

① 2#孔Ⅱ區(qū) 域 內(nèi) 孔 深96～101 m， 垂 高68.14～71.69 m，巖層注水漏失量為2.1～3.2 L/min；3#孔Ⅱ區(qū)域內(nèi)，孔深103～110 m，垂高66.46～70.98 m，巖層注水漏失量2.1～3.4 L/min；2 個觀測孔各段巖層的滲水量均未超過4 L/min，巖石滲水性比較小，表明該區(qū)域巖層的次生裂隙發(fā)育不明顯，仍以原生裂隙為主。因巖石滲水性不大，隔水性較強(qiáng)，同時受采動影響較小，表明了裂隙帶沒有發(fā)育到該區(qū)域，巖層完整穩(wěn)定較好。

② 2#孔I 區(qū) 域 內(nèi) 孔 深22～95 m， 垂 高15.62～67.43 m，巖層滲水量為8.6～18.6 L/min；3#孔I 區(qū)域內(nèi)孔深30～102 m，垂高19.36～65.81 m，巖層注水漏失量10.8～18.5 L/min，滲透量都大于10 L/min；2 個觀測孔的巖石滲水量是比較大的，表明2 個孔進(jìn)入了裂隙帶區(qū)域，受回采擾動影響后此處巖石的裂隙將會進(jìn)一步擴(kuò)展，巖石導(dǎo)水性能增強(qiáng)。觀測期間，2#孔垂高由68.14 m 降低至67.43 m 時，巖石滲水量從3.2 L/min 突增為8.6 L/min，說明2#孔導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度約68.14 m；3#孔垂高由66.46 m 降低至65.81 m 段時，巖石滲水量從3.1 L/min 突增為10.8 L/min，說明3#孔導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度約在66.46 m。

所測數(shù)據(jù)的變化情況比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常情況，可以精準(zhǔn)得到導(dǎo)水裂隙帶高度?，F(xiàn)場實測的2 個頂板導(dǎo)高觀測孔所測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大值較為可靠且能夠互相驗證，因此現(xiàn)場實測出的導(dǎo)高值平均67.3 m。

4 結(jié)論

1）理論計算出1604 綜放工作面開采后采空區(qū)覆巖的導(dǎo)水裂隙帶高度為38.9～56.9 m。

2）井下仰孔分段雙端封堵測漏技術(shù)是覆巖“兩帶”發(fā)育高度觀測的有效方法。通過對本工作面施工3 個鉆孔（1 個對比孔，2 個觀測孔）以觀測導(dǎo)水裂隙帶高度，根據(jù)實測結(jié)果可知，2#孔導(dǎo)高值68.14 m，3#孔導(dǎo)高值66.46 m。

3）綜合分析得出古漢山礦1604 綜放工作面采場覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為67.3 m。導(dǎo)高與采厚比為12.23。