采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙帶高度分析與研究

孫肖肖

（霍州煤電集團(tuán)煤炭生產(chǎn)管理部，山西霍州 031400）

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》及相關(guān)采煤沉陷學(xué)理論，煤層覆巖采動(dòng)“三帶”自下而上為垮落帶、裂隙帶、彎曲帶，采動(dòng)“三帶”的形成和其發(fā)育規(guī)模的大小與采動(dòng)條件密切相關(guān)，采動(dòng)“三帶”的形成由初始期、活躍期、衰減穩(wěn)定期的時(shí)間變化規(guī)律，至穩(wěn)定期時(shí)，采動(dòng)裂隙會(huì)閉合而失去相互導(dǎo)通性。為進(jìn)一步指導(dǎo)安全生產(chǎn)，本文對(duì)鉆探實(shí)測(cè)采動(dòng)裂隙帶成果與理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 煤層采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙帶分類特征

“三下”采煤規(guī)程采動(dòng)三帶指綜合機(jī)械化采煤方法達(dá)充分采動(dòng)條件時(shí)，垮落帶、裂隙帶可達(dá)最大高度。非充分采動(dòng)條件時(shí)，所形成的覆巖采動(dòng)垮落帶和裂隙帶高度則因地而異。裂隙帶的高度規(guī)模或發(fā)育強(qiáng)度一般分為三類，即弱裂隙帶、一般裂隙帶、強(qiáng)裂隙帶。弱裂隙帶高度低，裂隙延伸短，裂寬很小，相互導(dǎo)通性差或不具導(dǎo)通性，巖層或巖體完整性相對(duì)較好，破碎程度很低；一般裂隙帶裂寬及相互導(dǎo)通性一般，或僅下部達(dá)強(qiáng)裂隙帶，往上漸變?yōu)槿趿严?。?qiáng)裂隙帶裂寬較大，裂隙發(fā)育，巖層完整性差、破碎程度較高，相互導(dǎo)通性好。

在地面鉆探過程中通過鉆孔沖洗液在鉆進(jìn)過程的消耗量變化及水位變化，可直接反映出裂隙帶的界面。一般情況下，鉆進(jìn)至裂隙帶頂面以下時(shí)，則消耗量明顯增大，或致其全漏至采空區(qū)。鉆進(jìn)過程的孔內(nèi)水位變化因素較復(fù)雜，如遇弱裂隙帶時(shí)則常具一定的水位，如遇強(qiáng)裂隙帶并與采空區(qū)導(dǎo)通時(shí)則會(huì)失去孔內(nèi)水位，或孔內(nèi)水位為回次鉆進(jìn)的孔底。據(jù)此，可據(jù)沖洗液消耗量變化或突變點(diǎn)水位變化的鉆孔深度，并結(jié)合巖芯節(jié)理、裂隙帶的發(fā)育程度、巖芯破碎程度或完整性，綜合確定采動(dòng)裂隙帶高度。

2 探測(cè)礦井地質(zhì)特征

探測(cè)礦井井田大面積為基巖出露，僅在山頂或溝谷中有小面積黃土覆蓋，井田內(nèi)發(fā)育的地層有：第四系中上更新統(tǒng)，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組、下統(tǒng)山西組，石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組，奧陶系中統(tǒng)峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制和影響，井田構(gòu)造軸向以南北向的褶皺為主，從西向東，區(qū)域性鄭家莊背斜、陸家?guī)r向斜及東南側(cè)的梨樹園背斜從井田相伴通過，構(gòu)成了井田的基本構(gòu)造格架。井田內(nèi)發(fā)育有9條大小不同的斷層，落差在0.6～5m 左右。井田內(nèi)發(fā)育有11 個(gè)陷落柱，根據(jù)《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》關(guān)于井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度類型的劃分原則，本區(qū)發(fā)育為數(shù)不多和方向單一的寬緩褶皺，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，沒有巖漿巖影響，地質(zhì)構(gòu)造不影響采區(qū)的合理劃分和采煤工作面的連續(xù)推進(jìn)，綜述井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單類型。

井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），地層平均總厚度為124.05m，煤層平均總厚度為9.79m，含煤系數(shù)為7.89%。山西組為一套陸相含煤地層，含煤3層，編號(hào)自上而下為2上、2下、3號(hào)煤層，2上號(hào)煤層賦存區(qū)穩(wěn)定可采（俗稱2號(hào)煤層），2下號(hào)煤層較穩(wěn)定局部可采，3號(hào)煤層為不可采煤層。山西組地層平均厚度為35.55m，煤層總厚度為2.06m，含煤系數(shù)為6.14%。太原組為一套海陸交互相含煤地層,含煤7層，編號(hào)自上而下為5、6、7上、7下、8、9、10+11號(hào)煤層，其中9+10+11號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其余均為不可采煤層。太原組地層平均總厚度為88.5m，煤層總厚度為7.74m，含煤系數(shù)為8.75%。

井田可采煤層為山西組2號(hào)煤層和太原組9、10+11 號(hào)煤層。1、2 號(hào)煤層位于山西組中下部，煤層厚度1.06～1.11m，平均1.09m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0～1層，為賦煤區(qū)穩(wěn)定可采煤層，頂板為泥巖，底板為泥巖。由于埋藏淺，除剝蝕風(fēng)化外，該煤層全部被老窯、小窯破壞。9+10+11 號(hào)煤層位于太原組下段，K2灰?guī)r之下，上距2號(hào)煤層71.36～85.21m。煤層厚度6.56～8.40m，平均7.49m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸2～4 層，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，煤層頂板為K2石灰?guī)r，底板為泥巖。該區(qū)含煤地層沉積類型和特征與區(qū)域上大致相同，煤巖層對(duì)比采用標(biāo)志層法、地層組合特征法，層間距法、煤層自身特征法等，本區(qū)各段地層組合及煤層自身特征明顯，標(biāo)志層發(fā)育較好，層間距相對(duì)穩(wěn)定，便于對(duì)比。作為煤層對(duì)比標(biāo)志主要有太原組K2、K3、K4灰?guī)r，K1、K5砂巖，含菱鐵礦結(jié)核泥巖及山西組K7砂巖，下石盒子組K8砂巖、煤層、地層組合關(guān)系等。

2 號(hào)煤層下距3 號(hào)煤層6.42m，兩煤層之間巖性為泥巖、粉砂巖及不穩(wěn)定砂巖，2號(hào)煤層屬中厚煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸。9+10+11 號(hào)煤層，屬厚煤層，結(jié)構(gòu)中等，含2～4 層夾矸。煤層自身特征，如2、3、9、10、11 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)，層位相對(duì)穩(wěn)定，特征明顯。3 號(hào)及以上煤層硫含量低，3號(hào)煤層以下煤層硫含量逐漸增高。11號(hào)煤層硫含量較低也是顯著特點(diǎn)?？傊?，本區(qū)煤層容易對(duì)比，特別是主煤層，通過各種手段綜合對(duì)比，對(duì)比結(jié)果可靠。

3 探測(cè)礦井水文特征

煤礦生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)礦井充水有影響的水源主要有大氣降水、地表水、含水層水及老采空區(qū)積水。其影響程度，主要取決于上述各水體的發(fā)育程度或富水性，以及水體同開采煤層的關(guān)系。

井田四周邊界為人為邊界，邊界內(nèi)外地表水、地下含水層之間的水力聯(lián)系不因礦界而改變。井田內(nèi)岔口河及其支流部位煤層埋藏淺，最大導(dǎo)水裂隙帶高度可達(dá)地表，雨季生產(chǎn)時(shí)，地表洪水可通過導(dǎo)水裂隙帶潰入井下，造成水害事故。未來開采時(shí)一定要留足保安煤柱，確保安全生產(chǎn)。井田東南部邊界附近有馬王窯斷裂，斷層具有一定的導(dǎo)水性，有溝通其它含水層之間的水力聯(lián)系的可能。因此存在通過斷層溝通其它含水層對(duì)煤層產(chǎn)生側(cè)向突水的可能，在斷層附近開采時(shí)一定要預(yù)留防水煤柱，防止側(cè)向突水。

井田內(nèi)沒有專門水文孔，主要依據(jù)井田內(nèi)施工的水井資料及區(qū)域水文地質(zhì)資料，根據(jù)含水介質(zhì)和地下水性質(zhì)的不同可分為四組類型：碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、碎屑巖類裂隙含水層及松散巖類孔隙含水層。

本區(qū)多年平均降水量455.9mm，降水量分配極不均勻，降水主要集中在7、8、9三個(gè)月，暴雨強(qiáng)度大，來勢(shì)猛，易形成集中補(bǔ)給，使礦坑積水嚴(yán)重，因此開采過程中在暴雨季節(jié)應(yīng)加以防范。大氣降水是本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源，地形陡，地層產(chǎn)狀平緩的地質(zhì)地貌條件有利于雨水迅速排泄，雨季來臨時(shí)，自然降水大部分順溝谷流出井田，大氣降水僅有少量滲入含水層，各含水層或埋于地下或出露山坡，出露面積很小，不利于大氣降水滲入，排泄條件好，含水層富水性弱，故大氣降水一般不會(huì)產(chǎn)生充水危害。但由于區(qū)內(nèi)煤層埋藏淺，開采放頂和頂板冒落沉降易使地面產(chǎn)生變形，出現(xiàn)地裂縫、裂隙等，在雨季或長時(shí)間的陰雨天氣，地表水可以通過地裂縫、裂隙下滲或灌入補(bǔ)給地下水，使地下水量增加，在坑道中可能出現(xiàn)滴水或涌水，造成礦坑充水，特別在7、8、9三個(gè)月雨季，暴雨強(qiáng)度大，來勢(shì)猛，易形成集中補(bǔ)給，使礦坑積水嚴(yán)重。

因此查明采動(dòng)裂隙帶高度對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

4 鉆探實(shí)測(cè)采動(dòng)裂隙帶

本次探測(cè)地點(diǎn)的采空區(qū)形成于2019 年以前，采動(dòng)“三帶”已處于衰減穩(wěn)定階段，采動(dòng)裂隙多呈閉合狀態(tài)，相互導(dǎo)通性已變差或失去導(dǎo)通性。探測(cè)工作面煤層厚度3.5m，順槽長度1500m，切巷長度135m。探測(cè)鉆孔位置依據(jù)地形條件及煤巖層走傾向變化，確定布置于工作面采空區(qū)中段，確保能夠準(zhǔn)確反映上三帶發(fā)育高度，探測(cè)鉆孔位置示意見圖1。

圖1 探測(cè)鉆孔位置示意圖

探測(cè)的主要目標(biāo)是采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶的高度，其主要質(zhì)量參數(shù)包括取芯層段巖芯地質(zhì)鑒定、簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)、鉆孔終孔斜度、鉆孔封閉質(zhì)量。本次探測(cè)鉆探進(jìn)尺140m，取芯層段為煤系地層全取芯，非煤系地層部分取芯。鉆孔巖芯均進(jìn)行了節(jié)理、裂隙、完整性或破碎程度定性鑒定。因鉆孔終孔層位已至采空區(qū)頂面，故鉆孔底部下木塞，并采用325#水泥漿自木塞頂至孔口進(jìn)行全孔封閉。

5 采動(dòng)裂隙帶實(shí)測(cè)成果

采動(dòng)裂隙帶的層位主要依據(jù)鉆孔沖洗液回次消耗量和水位變化突變情況進(jìn)行分析。探測(cè)鉆孔柱狀示意見圖2?？咨?～90.5m 主要由粉砂巖和中細(xì)粒砂巖組成，夾少量煤層、砂質(zhì)泥巖和泥巖，鉆進(jìn)消耗量0.3～1.5m3/h，分段均具一定的穩(wěn)定性?？咨?0.5～135.2m消耗量突變?yōu)?.9～3.5m3/h，以2.5～3.0m3/h為主，巖性組合下部以石灰?guī)r為主，間夾泥巖、中粒砂巖，上部由細(xì)粒砂巖和泥巖組成。孔深135.2～140m孔內(nèi)消耗量達(dá)3.5～4.5m3/h，即全漏至采空區(qū)，同時(shí)水位至孔底。

圖2 探測(cè)鉆孔柱狀示意圖

以孔深90.5m為界，以下消耗量突然增大且具有增大的連續(xù)性，屬采動(dòng)裂隙帶的典型特性?？咨?0.5m以上消耗量不具有統(tǒng)一的變化規(guī)律，總體上明顯小于90.5m 以下層段的消耗量，預(yù)計(jì)與基巖風(fēng)化帶裂隙、中細(xì)粒砂巖裂隙含水層及粉砂巖原生裂隙相關(guān)，不具有自上往下持續(xù)增大的連續(xù)性。

孔深90.5～135.2m 的鉆進(jìn)消耗量增大但孔內(nèi)仍保持一定的水位，說明采動(dòng)裂隙相互導(dǎo)通性差，未與采空區(qū)導(dǎo)通而失去水位，應(yīng)屬弱裂隙帶類型?？咨?35.2～140m孔內(nèi)消耗量達(dá)3.5～4.5m3/h，即全漏至采空區(qū)，同時(shí)水位至孔底。說明該段裂隙十分發(fā)育，巖層破裂程度高，屬強(qiáng)裂隙帶。

從以上情況分析，工作面采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙帶頂面孔深為90.5m，至135.2m 為采動(dòng)裂隙帶，其高度為44.7m，之下為垮落帶及采空區(qū)。

6 采動(dòng)裂隙帶理論計(jì)算

工作面煤層上覆巖石以石灰?guī)r為主，為堅(jiān)硬巖石。井田煤層傾角一般在2°～8°之間。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》水體下緩傾斜煤層開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式覆巖巖性中硬、堅(jiān)硬，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

上述公式中，M為累計(jì)采厚，取3.5m；導(dǎo)水裂縫帶最大高度取兩式之最大值，帶入公式計(jì)算得導(dǎo)水裂隙帶高度為66.12m。理論計(jì)算值采動(dòng)裂隙帶最大高度與實(shí)際探測(cè)值有一定的偏差。

7 結(jié)論

根據(jù)探測(cè)鉆孔沖洗液回次消耗量和水位變化突變情況，判斷工作面采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙帶頂面孔深為90.5m，90.5～135.2m為采動(dòng)裂隙帶，其高度為44.7m，之下為垮落帶及采空區(qū)。實(shí)測(cè)采動(dòng)裂隙帶高度與堅(jiān)硬頂板理論計(jì)算值存在一定的偏差，考慮實(shí)測(cè)區(qū)域煤層埋深相對(duì)較淺，礦壓較小，采空區(qū)石灰?guī)r頂板屬堅(jiān)硬巖石，且厚度較大，抗拉和抗剪力較大，致實(shí)測(cè)采動(dòng)裂隙帶高度比充分采動(dòng)條件下理論計(jì)算值偏小。本次探測(cè)對(duì)地質(zhì)條件類似礦井采動(dòng)裂隙帶高度研究具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。