青龍寺煤礦高強(qiáng)度綜采覆巖破壞特征實測研究

劉國臻，尹家寬，高 超

(1.國能榆林能源有限責(zé)任公司 青龍寺煤礦分公司，陜西 榆林 719499；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

井下工作面開采引起的覆巖垮落帶和裂縫帶發(fā)育高度對煤礦安全開采意義重大，眾多學(xué)者對不同地質(zhì)采礦條件下的覆巖“兩帶”高度發(fā)育特征進(jìn)行了較深入的研究。劉天泉院士等[1]實測并回歸分析了不同巖性條件的覆巖“兩帶”高度預(yù)計公式；孫慶先等[2]分析了紅柳煤礦大采高綜采條件下的“兩帶”發(fā)育高度特征；劉世奇等[3]對近距離多煤層重復(fù)采動條件下的“兩帶”高度預(yù)計方法進(jìn)行了探討；王振廣等[4]基于云蓋山煤礦軟媒、軟底和硬頂?shù)牡刭|(zhì)采礦條件，應(yīng)用井下仰斜鉆、鉆孔成像技術(shù)及數(shù)值模擬方法確定了該地質(zhì)采礦條件下的“兩帶”發(fā)育高度；張國奇等[5]通過鉆孔漏失量觀測結(jié)合取芯情況分析了沙吉海地質(zhì)采礦條件下的“兩帶”發(fā)育高度，并對其發(fā)育特征進(jìn)行了簡要分析；吳云等[6]將并行電法應(yīng)用于兩帶發(fā)育高度的實測中，并用鉆孔成像技術(shù)驗證了并行電法的科學(xué)性；陳建華與朱續(xù)保[7]將理論分析、相似材料模擬、數(shù)值分析與現(xiàn)場實測得到的“兩帶”高度的科學(xué)性進(jìn)行了探討，并對比分析了以上手段的準(zhǔn)確性；譚毅等[8]對淺埋深堅硬頂板、非充分采動條件下的“兩帶”高度進(jìn)行了實測分析，揭示了非充分采動條件下不同采寬“兩帶”高度發(fā)育呈階梯狀跳躍增長的特征；周金龍[9]對隆德煤礦205工作面“兩帶”高度進(jìn)行了實測，并將實測值與經(jīng)驗公式對比說明了二者數(shù)值的差異問題；孫慶先等[10]應(yīng)用彩色鉆孔電視、漏失量觀測等綜合手段確定了紅柳林煤礦大采高綜采條件下的“兩帶”高度；昌修林等[11]針對軟弱覆巖影響的“兩帶”高度經(jīng)驗公式計算誤差較大的特點，對計算公式進(jìn)行了修正；趙明等[12]結(jié)合謝橋煤礦的巖性特征應(yīng)用相似材料模擬研究了提高開采上限后的覆巖移動變形及“兩帶”高度發(fā)育特征；于鐘博等[13]應(yīng)用鉆孔成像技術(shù)分析了鮑店煤礦地質(zhì)采礦條件下的“兩帶”高度發(fā)育；侯公羽等[14]將光纖應(yīng)用于相似材料模擬實驗中的應(yīng)變監(jiān)測，并用光纖的突變點表征巖層的破斷垮落、用應(yīng)變曲線表征巖層的變形過程；焦振華等[15]應(yīng)用相似材料模擬試驗、鉆孔電視技術(shù)綜合確定了保護(hù)層下安全開采的垮落帶和裂隙帶的發(fā)育高度；曹丁濤等[16]針對經(jīng)驗公式與實測“兩帶”高度的誤差特征，基于40例實測數(shù)據(jù)擬合回歸了導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式；喬軍好等[17]綜合數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式、井下實測、相似材料模擬等多手段，擬合求取了適用于綜放開采軟弱覆巖條件下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度公式；張彬等[18]對軟弱巖層特厚煤層分層開采垮落帶和裂隙帶高度進(jìn)行了漏失量觀測，并結(jié)合彩色鉆孔電視確定了其“兩帶”發(fā)育高度；張剛艷等[19]應(yīng)用數(shù)值模擬分析了開采厚度、推進(jìn)速度、工作面尺寸對“兩帶”發(fā)育高度的影響規(guī)律；劉卓然等[20]認(rèn)為工作面推進(jìn)速度、覆巖巖性、工作面尺寸對“兩帶”高度有一定的影響，并對各因素的影響特征進(jìn)行了探究?！皟蓭А卑l(fā)育高度與煤層采厚、開采工藝、覆巖巖性等相關(guān)。由于礦井地質(zhì)采礦條件復(fù)雜，眾多學(xué)者針對不同開采條件，采取了理論分析、經(jīng)驗公式、數(shù)值分析、現(xiàn)場實測等方法對覆巖“兩帶”發(fā)育高度進(jìn)行了一系列研究；但針對于高強(qiáng)度綜采、工作面快速推進(jìn)地質(zhì)采礦條件下的“兩帶”發(fā)育高度相關(guān)研究較少。筆者以青龍寺煤礦綜采快速推進(jìn)工作面為例，應(yīng)用覆巖破壞勘察、鉆孔沖洗液流失量觀測、彩色鉆孔電視等多手段綜合分析了該地質(zhì)采礦條件下的“兩帶”高度發(fā)育特征。

1 地質(zhì)采礦條件

1.1 工程地質(zhì)及工作面規(guī)劃

青龍寺煤礦隸屬榆林市府谷縣老高川鄉(xiāng)鎮(zhèn)管轄，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)地貌單元，井田地表絕大部分被第三系、第四系沉積物覆蓋。依據(jù)地質(zhì)填圖及鉆孔揭露由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)延長組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，侏羅系中統(tǒng)延安組，新近系上新統(tǒng)保德組，第四系上、中更新統(tǒng)，全新統(tǒng)河流沖積層及風(fēng)積沙。

本區(qū)巖石飽和抗壓強(qiáng)度一般大于26 MPa，以中硬類巖石為主；巖石軟化系數(shù)，0.61～0.89，平均0.76，抗壓強(qiáng)度較易受水影響，飽和狀態(tài)比干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度一般低6～12 MPa；正?；鶐r一般較完整，RQD值一般大于68%，砂巖組大于76%。層理是巖石的主要結(jié)構(gòu)面，當(dāng)巖石受力沿裂隙、層理破壞時，巖石抗壓強(qiáng)度降低。

青龍寺煤礦采用斜井開拓方式，設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t/a，自上而下分別為3-1、3-2、4-2、5-2煤層，主采3-1、5-2煤。礦井首先開采5-201盤區(qū)的5-2煤層，盤區(qū)內(nèi)工作面采用長壁采煤法，一次采全高，后退式開采，全部垮落法管理頂板。5-201盤區(qū)內(nèi)5-20101、5-20102、5-20104、5-20105工作面已經(jīng)回采結(jié)束，正在回采5-20106工作面，盤區(qū)工作面平面布置如圖1所示。

圖1 5-201盤區(qū)工作面布置

1.2 工作面地質(zhì)采礦特征

1)5-20101工作面概況。5-20101工作面為5-201盤區(qū)的首采工作面，位于5-201盤區(qū)的北側(cè)；工作面寬度301 m，工作面連續(xù)推進(jìn)長度為3767 m，工作面北側(cè)為未開采的5-20102工作面，南側(cè)為5-2煤西翼大巷，東側(cè)為水管線保護(hù)煤柱，西側(cè)為石窯店煤礦。根據(jù)鉆孔資料揭露煤層厚度變化小，煤層中部夾有一層厚度平均在0.17 m的夾矸，主要為砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖；煤層平均厚度為2.3 m，煤層傾角1°左右。工作面于2016—2018年回采，工作面平均推進(jìn)速度為10.4 m/d。

2)5-20105工作面概況。5-20105工作面為5-201盤區(qū)的第4個開采工作面，位于井田西南部；工作面寬度301 m，工作面連續(xù)推進(jìn)長度為1536 m，工作面北側(cè)為5-2煤西翼大巷，南側(cè)為王塔煤礦越界采空區(qū)，東側(cè)為5-20105工作面，西側(cè)為5-20104工作面。煤層中部有一層夾矸，夾矸厚度一般為0.10 m，煤層平均厚度為2.36 m，煤層傾角平均≤1°。工作面于2021年回采，工作面平均推進(jìn)速度為8.2 m/d。

2 覆巖破壞實測研究

為探明青龍寺煤礦5-2煤層“兩帶”發(fā)育規(guī)律，采用“地面鉆孔+漏失量觀測”方法，通過鉆進(jìn)過程中沖洗液消耗量漏失、孔內(nèi)水位變化、巖芯完整情況、彩色鉆孔電視探測巖層破碎情況等，綜合分析、確定覆巖破壞“兩帶”高度。

2.1 鉆孔孔位位置

根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《導(dǎo)水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》[21]的要求及5-201盤區(qū)各工作面的布置情況，分別在5-20101與5-20105工作面對應(yīng)地表于2021年11月布設(shè)并施工2個覆巖觀測孔(如圖1所示)，具體情況如下：

1)Z1孔：位于5-20105工作面中部的運輸巷側(cè)，孔口坐標(biāo)為(37457354.4，4332272.4，1214.0)，5-2煤底板標(biāo)高為+1008 m，工作面平均采厚為2.36 m；根據(jù)采掘工程平面圖與地質(zhì)臺賬可知，Z1孔附近采厚為2.38 m。

2)Z2孔：位于5-20101工作面中部的回風(fēng)巷側(cè)，孔口坐標(biāo)為(37459168.7，4333513.7，1235.0)，5-2煤底板標(biāo)高為+1016 m，工作面平均采厚為2.3 m；根據(jù)采掘工程平面圖與地質(zhì)臺賬可知，Z2孔附近采厚為2.30 m。

2.2 漏失量觀測及結(jié)果分析

鉆孔沖洗液法可直接觀測鉆進(jìn)過程中的沖洗液漏失量、鉆孔水位、鉆進(jìn)異常情況、巖芯完整性和地質(zhì)描述等資料來綜合判定“兩帶”發(fā)育高度及特征的方法。青龍寺煤礦鉆孔漏失量情況如下：

1)Z1鉆孔觀測結(jié)果分析：Z1鉆孔的沖洗液漏失量自深度49.6 m開始，至深度131.6 m結(jié)束(深度132.8 m處由于巖層水平離層的發(fā)育、壓力較大，無法堵漏)，鉆孔沖洗液漏失量觀測結(jié)果如圖2所示。深度49.6 m至128.6 m深度范圍內(nèi)，鉆孔沖洗液消耗量雖有所波動，但總體較為平穩(wěn)，單位時間單位進(jìn)尺的沖洗液消耗量基本穩(wěn)定在0.2L/(s·m)以內(nèi)，反映出鉆孔位置沖洗液觀測段地層完整性較好，裂隙不發(fā)育。自深度131.6 m以后，沖洗液漏失量明顯增加，直至深度132.8 m時不返水。鉆探過程中有明顯的掉鉆現(xiàn)象，最大掉鉆深度約0.02 m，可以判斷此處地層的離層較為發(fā)育；后期的彩色鉆孔電視探測也證實了這一點。

圖2 Z1孔單位時間單位進(jìn)尺沖洗液漏失量

Z1鉆孔孔內(nèi)水位觀測自深度58.19 m開始，至深度179.84 m結(jié)束，孔內(nèi)水位觀測如圖3所示。由觀測數(shù)據(jù)可知，鉆孔深度在58.19～132.8 m范圍內(nèi)，鉆孔水位下降速度基本保持平穩(wěn)。鉆孔深度在132.8～167.83 m范圍內(nèi)，鉆孔水位下降速度逐漸加快，推斷此處橫向離層或巖層原生裂隙較為發(fā)育；后續(xù)經(jīng)彩色鉆孔電視勘察也進(jìn)行了證實，此范圍內(nèi)橫向離層有明顯發(fā)育。深度167.83 m以后，鉆孔內(nèi)水位下降速度又有明顯增加，直至完全漏失。

圖3 Z1鉆孔單位時間鉆孔內(nèi)液面下降速度

綜上，根據(jù)鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位下降速度初步判斷，Z1鉆孔導(dǎo)水裂縫帶頂點位于167.83 m深度的位置處。

2)Z2鉆孔觀測結(jié)果分析：Z2鉆孔沖洗液漏失量自深度77.47 m開始，至深度151.12 m結(jié)束(深度151.12 m處掉鉆與離層發(fā)育明顯，堵漏未成功)，鉆孔沖洗液漏失量觀測數(shù)據(jù)如圖4所示。由觀測數(shù)據(jù)可知，Z2鉆孔深度77.47～123.09 m范圍內(nèi)，鉆孔沖洗液消耗量雖有所波動，但總體較為平穩(wěn)，單位時間單位進(jìn)尺的沖洗液消耗量基本穩(wěn)定在0.5 L/(s·m)以內(nèi)，反映出鉆孔位置沖洗液觀測段地層完整性較好，裂隙不發(fā)育。自深度123.09 m以后，沖洗液漏失量逐漸增加，并有較為明顯的波動，直至151.12 m深度時不返水。鉆探過程中有明顯的掉鉆現(xiàn)象，最大掉鉆深度約0.03 m，可以判斷此處離層較為發(fā)育；后續(xù)彩色鉆孔電視也證實了這一特征。

圖4 Z2孔單位時間單位進(jìn)尺沖洗液漏失量

Z2鉆孔孔內(nèi)水位觀測自深度74.99 m開始，至深度177.12 m結(jié)束，孔內(nèi)水位觀測數(shù)據(jù)如圖5所示。由觀測數(shù)據(jù)可知，鉆孔深度在74.99～123.09 m范圍內(nèi)，鉆孔水位下降速度基本保持平穩(wěn)。鉆孔深度在123.09～171.13 m，鉆孔水位下降速度逐漸加快，推斷此處裂隙較為發(fā)育，后續(xù)經(jīng)彩色鉆孔電視勘察也證實了該特征，此范圍內(nèi)有明顯的橫向離層發(fā)育，離層內(nèi)含水。深度171.13 m以后，鉆孔內(nèi)水位下降速度又有明顯增加，直至完全漏失。

圖5 Z2鉆孔單位時間鉆孔內(nèi)液面下降速度

綜上，根據(jù)鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位下降速度初步判斷，Z2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶頂點位于171.13 m深度的位置。

2.3 彩色鉆孔電視探測及結(jié)果分析

1)Z1鉆孔彩色電視探測結(jié)果分析：由鉆孔電視探測結(jié)果可知，Z1鉆孔132 m深度以上，巖層總體較為完整，在深度為132.8～141 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)明顯的橫向離層或裂隙，如圖6(a)所示。在深度為142～167.8 m范圍內(nèi)，巖層相對較為完整，采動裂隙不明顯。在深度為167.83 m時，巖層出現(xiàn)細(xì)微的豎向采動裂縫，如圖6(b)所示；深度為173.9 m時，開始出現(xiàn)明顯采動裂隙，并隨著鉆孔深度的增加，采動裂隙逐漸增多，裂隙寬度增大。在深度為199.3 m時，出現(xiàn)明顯的垮落帶特征，如圖6(c)所示。

圖6 Z1孔彩色電視探測結(jié)果

根據(jù)彩色鉆孔電視觀測結(jié)果并結(jié)合漏失量觀測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場鉆探過程中出現(xiàn)的掉鉆、卡鉆等異常情況，確定深度為167.83 m處為導(dǎo)水裂縫帶頂點，深度為199.3 m處為垮落帶頂點。

2)Z2鉆孔彩色電視探測結(jié)果分析：由鉆孔電視探測結(jié)果可知，Z2鉆孔120 m深度以上，巖層總體較為完整。在深度為122.9 m處，開始出現(xiàn)橫向離層，如圖7(a)所示；在深度為142.9 m開始有離層水流向孔內(nèi)，并隨深度增加逐漸增多，直至孔深為183.6 m處完全漏失；在深度171.1 m處發(fā)現(xiàn)小型的斜向采動裂隙，如圖7(b)所示；在孔深174.7 m處可看到明顯的采動裂隙發(fā)育，并隨著鉆孔深度的增加，采動裂隙逐漸增多，裂隙寬度增大；在深度為201 m時，出現(xiàn)明顯掉鉆、卡鉆等異常情況，進(jìn)入垮落帶。

圖7 Z2孔彩色電視探測結(jié)果

根據(jù)鉆孔電視觀測結(jié)果并結(jié)合鉆孔漏失量觀測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場鉆探過程中出現(xiàn)的掉鉆、卡鉆等異常情況，確定深度為171.13 m處為導(dǎo)水裂縫帶頂點，深度為201 m處為垮落帶頂點。

2.4 “兩帶”高度探測綜合分析

綜合分析鉆孔沖洗液漏失量及彩色鉆孔電視勘察結(jié)果，并結(jié)合鉆探過程中掉鉆、卡鉆等異常情況，確定Z1鉆孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為31.47 m，裂采比為17.4；垮落帶高度為6.7 m，垮采比為4.1。確定Z2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度為29.87 m，裂采比為20.4；垮落帶最大高度為18.0 m，垮采比為7.4。

基于青龍寺煤礦的實測裂縫帶高度和垮落帶數(shù)據(jù)，計算得到垮采比和裂采比可作為青龍寺煤礦其它工作面及相似地質(zhì)采礦條件下預(yù)計“兩帶”高度計算、多煤層上行開采及水體下采煤參考及類比范例。

3 覆巖破壞特征分析

3.1 經(jīng)驗公式對比分析

自1950年開始，眾學(xué)者在全國二百余個礦井開展了覆巖破壞及“兩帶”發(fā)育的觀測及研究工作，基于實測數(shù)據(jù)回歸出不同巖性“兩帶”高度計算經(jīng)驗公式，巖性為中硬時垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式[1]分別為：

將青龍寺煤礦采厚M=2.3 m代入上述公式，可得垮落帶高度Hk=10.0 m、導(dǎo)水裂縫帶高度Hli=37.2 m。由此可知應(yīng)用經(jīng)驗公式計算得到的“兩帶”發(fā)育高度小于機(jī)械化程度較高、工作面快速推進(jìn)的現(xiàn)代化礦井的“兩帶”高度實測值。

3.2 工程對比分析

孫營岔一礦與青龍寺煤礦井田之間僅隔有王塔煤礦，孫營岔一礦51205工作面平均推進(jìn)速度為3.4 m/d(每月推進(jìn)約103 m)、主采5-1煤層，G6鉆孔附近采深約114 m、平均采厚3.6 m，開采及施工時間與青龍寺煤礦Z1鉆孔相近。通過G6號鉆孔進(jìn)行鉆孔沖洗液漏失量觀測和孔內(nèi)鉆孔電視觀測，實測孫營岔一礦5-1煤層長壁綜采區(qū)的垮落帶高度為14.72 m，垮采比為4.08，導(dǎo)水裂縫帶高度為55.12 m，裂采比為15.31?？梢?，孫營岔一礦工作面推進(jìn)速度較慢，其垮采比、裂采比均小于工作面推進(jìn)速度較快的青龍寺煤礦“兩帶”高度對應(yīng)數(shù)值。

3.3 特殊性分析

式(1)—(2)是基于當(dāng)時普遍采用的普采和分層綜采而得來的，相關(guān)學(xué)者也針對綜放開采特征進(jìn)行了適用性分析[22]；受限于當(dāng)時的機(jī)械化及技術(shù)水平，當(dāng)時礦井工作面推進(jìn)速度為2～3刀煤/d(推進(jìn)速度約50～80 m/月)，工作面推進(jìn)速度較慢。青龍寺煤礦地質(zhì)采礦條件下工作面推進(jìn)速度快(約8.2～10.4 m/d)，應(yīng)用經(jīng)驗公式計算得到的“兩帶”發(fā)育高度小于實測數(shù)據(jù)值；對于機(jī)械化程度較高、工作面快速推進(jìn)的現(xiàn)代化礦井，式(1)—(2)的適用性較差。

現(xiàn)對于以往機(jī)械化程度較低的普采工作面，高強(qiáng)度快速推進(jìn)工作面的推進(jìn)速度越快，下部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)越難以形成、致使垮落帶高度越大、上覆巖層同步移動變形程度越好、導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育值越大。分析其原因可知，推進(jìn)速度將影響已垮落塊體的新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成。工作面推進(jìn)速度越快，直接頂保持穩(wěn)定狀態(tài)且整體豎向下沉變形量越大，導(dǎo)致失穩(wěn)后的基本頂回轉(zhuǎn)角度越小。工作面推進(jìn)速度越慢，老頂失穩(wěn)后回轉(zhuǎn)角度越大，破斷的基本頂更容易形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過穩(wěn)定結(jié)構(gòu)抑制“兩帶”向上發(fā)育。

4 結(jié) 論

1)綜合分析鉆孔沖洗液漏失量及彩色鉆孔電視勘察結(jié)果，并結(jié)合鉆探過程中掉鉆、卡鉆等異常情況，確定青龍寺煤礦地質(zhì)采礦條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度為41.47～46.87 m，裂采比為17.4～20.4；垮落帶最大高度為9.7～17.0 m，垮采比為4.1～7.4。

2)經(jīng)驗公式對于高強(qiáng)度快速推進(jìn)工作面的“兩帶”高度預(yù)計適用性較差；應(yīng)用經(jīng)驗公式計算得到的“兩帶”發(fā)育高度小于機(jī)械化程度較高、工作面快速推進(jìn)的現(xiàn)代化礦井的“兩帶”高度實測值。

3)工作面推進(jìn)速度可影響已垮落塊體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成，高強(qiáng)度快速推進(jìn)工作面的推進(jìn)速度越快，下部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)越難以形成，致使垮落帶高度大、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度大。