安山煤礦淺埋煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實測研究

段江飛，劉凡凡，杜超杰

（陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719407）

0 引言

煤炭資源井工開采后，頂板巖層自下至上垮落依次會形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的特征。陜北礦區(qū)淺埋厚松散層薄基巖煤層大量生產(chǎn)實踐表明，煤層開采后，頂板上覆巖層垮落僅存在垮落帶和裂隙帶的“兩帶”特征，垮落帶和裂隙帶統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶。明確煤層開采過程中覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度對礦井防治水、水資源破壞與保護(hù)研究具有重要的意義。國內(nèi)許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，李云江[1]實測了石拉烏素煤礦1208 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，揭示了工作面開采過程中上覆白堊系含水層水位下降的原因；賀斌[2]采用現(xiàn)場實測了大柳塔煤礦52306 工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；李志強(qiáng)[3]對李家塔煤礦2 號煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了實測，為防止頂板巖層發(fā)生涌水潰沙提供了依據(jù)；趙兵朝[4]提出了一種基于概率積分法的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度理論預(yù)計方法；侯恩科[5]采用相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了檸條塔煤礦2-2 煤S1233 工作面開采上覆巖層的擾動破壞規(guī)律與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征；王創(chuàng)業(yè)[6]采用相似模擬的方法測定了上行裂隙與下行裂隙的發(fā)育深度，判定隔水層是否保持穩(wěn)定；謝黨虎[7]建立了安山煤礦5-2煤層溝谷地形條件下覆巖“非均布載荷梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，推導(dǎo)了基巖承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判別條件，揭示了弱強(qiáng)度覆蓋層厚度及坡度變化對覆巖采動裂縫間距的影響規(guī)律；宣以瓊[8]、孫遠(yuǎn)進(jìn)[9]、肖樂樂[10]等以榆陽煤礦為背景，通過地下水動力學(xué)參數(shù)、覆巖力學(xué)組合結(jié)構(gòu)特征與基巖風(fēng)化帶的阻隔水特性試驗，研究了薄基巖淺埋煤層覆巖采動破壞“兩帶”高度的動態(tài)變化特征；李海軍[11]、王飛[12]、蔚保寧[13]、杜家發(fā)[14]通過現(xiàn)場實測分析了淺埋煤層開采覆巖裂隙發(fā)育高度；王志剛[15]采用UDEC 數(shù)值模擬分析了王坡煤礦3215 工作面采場上覆巖層的垮落規(guī)律進(jìn)行研究。

本文以廟哈孤礦區(qū)安山煤礦3-1煤層133103 工作面為研究背景，采用理論分析和現(xiàn)場實測相結(jié)合的手段對淺埋煤層開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律以及覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度進(jìn)行研究，為礦井防治水工作提供指導(dǎo)。

1 工程背景

安山煤礦133103 綜采工作面地面相對位置位于大墩溝以北，后菜溝以東，圪針?biāo)阅?。工作面地面相對區(qū)域地形復(fù)雜，溝壑縱橫，溝谷較深且陡峭。工作面地表最大標(biāo)高1 310 m，位于133103 綜采工作面停采線附近，該處煤層底板標(biāo)高1 142 m，煤層埋深110 m，煤層厚度2.2 m，基巖厚度34 m，松散層厚度74 m，工作面地表高程范圍為1 186～1 310 m，上覆基巖厚度為20～55 m，松散層厚度為5～104 m。工作面頂?shù)装鍘r性柱狀圖如圖1 所示。

圖1 BZK- 7 鉆孔巖性分布柱狀圖Fig.1 Lithology distribution histogram of BZK-7 drilling hole

2 覆巖裂隙帶發(fā)育高度理論預(yù)計

2.1 《三下開采規(guī)范》導(dǎo)水裂縫帶高度計算

根據(jù)2017 版《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》 （下文簡稱三下開采規(guī)范） 中對于覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度的計算，如式（1）、式（2） 和式（3）。

覆巖垮落帶：

導(dǎo)水裂縫帶高度：

式中：∑M為采高，m；Hk為垮落帶高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m。帶入安山煤礦133103 工作面覆巖參數(shù)，對133103 工作面采空區(qū)覆巖垮落帶以及裂隙發(fā)育高度進(jìn)行計算。3-1煤開采覆巖垮落帶高度由式（1） 可得Hk=5.3～9.7 m，導(dǎo)水裂縫帶高度由式（2） 可得Hli=25.3～36.5 m，由式（3） 可得Hli=39.7 m。

因此，由《三下開采規(guī)程》 計算公式得出：安山煤礦133103 工作面開采完后，垮落帶高度為9.7 m，垮采比4.4，導(dǎo)水裂縫帶高度為39.7 m，裂采比為18，說明3-1煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至土層底部。

2.2 《煤礦防治水綜合技術(shù)手冊》中覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度計算

根據(jù)2003 版《煤礦防治水綜合技術(shù)手冊》中對于覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度的計算，給出了如下2 種計算方法。

（1） 過去常用的導(dǎo)水裂縫帶計算公式。

式中：h1為頂板垮落帶高度；M為煤層厚度；α 為煤層傾角；Ks為巖石碎脹系數(shù)，1.3；h2為裂縫帶高度。

帶入安山煤礦133103 工作面覆巖參數(shù)對133103 工作面采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育高度進(jìn)行計算，3-1煤開采覆巖垮落帶高度為7.33 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為14.66～21.99 m。因此，可知安山煤礦3-1煤開采完后，垮落帶高度為7.33 m，垮采比為3.3，導(dǎo)水裂縫帶高度為21.99 m，裂采比為10，說明3-1煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶已經(jīng)發(fā)育風(fēng)化巖層處。

（2） 《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》確定的導(dǎo)水裂縫帶經(jīng)驗計算公式。

經(jīng)計算，3-1煤開采覆巖垮落帶高度為6.60～8.80 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為25.88～36.08 m。因此，3-1煤開采完后，垮落帶高度為8.8 m，垮采比4，導(dǎo)水裂縫帶高度為36.08 m，裂采比為16.40。說明3-1煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育基巖與土層交界處。

3 覆巖裂隙發(fā)育鉆探實測

為了探明安山煤礦3-1煤133103 工作面覆巖失穩(wěn)裂隙發(fā)育特征，采用地面鉆孔觀測方法對覆巖裂隙發(fā)育高度進(jìn)行實測。利用鉆孔電視直接觀測巖層破壞情況，最終確定覆巖破壞三帶高度。

3.1 觀測鉆孔位置設(shè)計與施工

為了研究3-1煤層采動覆巖的裂隙發(fā)育規(guī)律，掌握工作面開采后煤層頂板垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍等特征。根據(jù)《導(dǎo)水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》 （MT/T865－2000） 中關(guān)于觀測鉆孔孔位設(shè)計的相關(guān)規(guī)定，“垂直鉆孔均應(yīng)布置布置于采空區(qū)上方，要求鉆孔所在采空區(qū)范圍沿走向和傾向的長度均大于50 m；且煤層開采厚度變化不大；鉆孔距回采工作面的始采線應(yīng)大于30 m，距終采線大于15 m，并在回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷以內(nèi)”，觀測鉆孔布置孔位設(shè)計依據(jù)以下原則。

（1） 選擇133103 工作面覆巖垮落趨于穩(wěn)定的采空區(qū)。

（2） 鉆孔應(yīng)布置在3-1煤采空區(qū)區(qū)域。

（3） 主要針對采空區(qū)中心位置充分垮落區(qū)布置鉆孔。

133103 工作面寬度274 m，工作面可采長度為915 m，工作面的平均煤層厚度為2.25 m，埋深平均110 m，結(jié)合安山煤礦133103 工作面地表地貌特征，最終選擇鉆孔位置如圖2 所示。

圖2 133103 工作面采空區(qū)鉆孔位置設(shè)計Fig.2 Design of drilling hole position in goaf of No.133103 Face

1 號鉆孔設(shè)計位置距離133103 工作面切眼143 m，距離133103 主運(yùn)順槽182 m，鉆孔地表標(biāo)高1 270 m，煤層底板標(biāo)高1 159 m，孔深115 m，終孔3-1煤底板5 m。2 號鉆孔設(shè)計位置距離133103工作面切眼246 m，距離133103 主運(yùn)順槽150 m，鉆孔地表標(biāo)高1 289 m，煤層底板標(biāo)高1 159 m。孔深120 m，終孔3-1煤底板5 m。

3.2 鉆孔窺視結(jié)果分析

由圖3 中1 號鉆孔45～75 m 窺視結(jié)果可看出，距孔口45.48 m 和47.63 m 有明顯縱向裂隙發(fā)育，孔壁滲水泥化，孔壁比較粗糙。分析認(rèn)為45.48 m處為導(dǎo)水裂隙帶頂部區(qū)域。

圖3 1 號鉆孔45.48 m處裂隙發(fā)育特征Fig.3 Fracture development characteristics at 45.48 m of No.1 drilling hole

由圖4 中1 號鉆孔81～115 m 窺視結(jié)果可看出，隨著鉆孔深度增大，孔壁巖層破碎程度加大，孔壁處橫環(huán)向離層裂隙、縱向裂隙均有發(fā)育。在孔深達(dá)到97.31 m 處，孔壁橫向裂縫發(fā)育且伴有明顯離層現(xiàn)象；當(dāng)鉆孔深度達(dá)到99.33 m 時，孔壁破碎嚴(yán)重，環(huán)向離層裂隙較為明顯；當(dāng)鉆孔深度達(dá)到105.45 m 時，出現(xiàn)較大交錯裂隙。因此，認(rèn)為孔深97.31 m 時，已達(dá)到3-1煤采空區(qū)垮落帶頂部區(qū)域，垮落帶高度10.69 m，垮采比為4.86。

圖4 1 號鉆孔97.31 m處范圍內(nèi)基巖層裂隙發(fā)育特征Fig.4 Fracture development characteristics of bedrock layer in the range of 97.31 m of No.1 drilling hole

綜合1 號鉆孔窺視視頻信息得出，3-1煤垮落帶范圍為孔深97.31 m，垮落帶高度為10.69 m，垮采比為4.86，導(dǎo)水裂隙帶為孔深45.48 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為62.52 m，裂采比為28.4。

由圖5 中2 號鉆孔60～85 m 窺視結(jié)果可看出，距孔口60.67 m 有明顯縱向裂隙，孔壁有滲水現(xiàn)象，孔壁比較粗糙。分析認(rèn)為孔深60.67 m 處為導(dǎo)水裂縫帶頂部區(qū)域，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為52.33 m，裂采比為23.8。

圖5 2 號鉆孔深60.67 m處裂隙發(fā)育特征Fig.5 Fracture development characteristics at the depth of 60.67 m of No.2 drilling hole

由圖6 中2 號鉆孔91～118 m 基巖層窺視結(jié)果可看出，隨著鉆孔深度增大，孔壁巖層破碎程度加大，孔壁處橫環(huán)向離層裂隙、縱向裂隙均均有發(fā)育。在孔深達(dá)到96.88 m 處孔壁發(fā)育橫向裂縫，且有明顯離層現(xiàn)象；當(dāng)鉆孔深度達(dá)到97.12 m 處時，孔壁破碎嚴(yán)重，環(huán)向離層裂隙較為明顯；當(dāng)鉆孔深度達(dá)到105.89 m 和112.37 m 處時，出現(xiàn)較大縱橫交錯的裂隙。因此認(rèn)為，孔深97.12 m 處已達(dá)到3-1煤層采空區(qū)垮落帶頂部區(qū)域，垮落帶發(fā)育高度為15.88 m，垮采比為7.2。

圖6 2 號鉆孔深97.12 m處裂隙發(fā)育特征Fig.6 Fracture development characteristics at the depth of 97.12 m of No.2 drilling hole

綜合2 號鉆孔窺視視頻信息得出，3-1煤垮落帶范圍為孔深97.12 m，垮落帶高度為15.88 m，垮采比為7.2，導(dǎo)水裂隙帶為孔深60.67m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為52.33m，裂采比為23.8。

4 結(jié)論

（1） 通過覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度理論預(yù)計，按照《三下開采規(guī)程》計算得出3-1煤層垮落帶高度為9.7 m，垮采比4.4，導(dǎo)水裂縫帶高度為39.7 m，裂采比為18；按照《煤礦防治水綜合技術(shù)手冊》計算得出3-1煤層垮落帶高度為6.6～8.8 m，垮采比為4，裂縫帶為25.88～36.08 m，裂采比為11.76～16.40。

（2） 通過對安山煤礦3-1煤133103 工作面2個鉆孔窺視得出，1 號鉆孔垮落帶高度為10.69 m，垮采比為4.86，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為62.52 m，裂采比為28.4；2 號鉆孔垮落帶高度為15.88 m，垮采比為7.2，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為52.33 m，裂采比為23.8。

（3） 綜合以上研究結(jié)果得出，安山煤礦3-1煤層開采時，垮落帶發(fā)育范圍為10.69～15.88 m，垮采比為4.86～5.73，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍52.33～62.52 m，裂采比為23.8～28.4。