張玉軍

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

近距離多煤層開采覆巖破壞高度與特征研究

張玉軍

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

以新強煤礦為試驗礦井,采用鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視系統(tǒng)探測了近距離多煤層開采覆巖破壞高度。研究結(jié)果表明,通過鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視系統(tǒng)探測綜合分析,得到新強煤礦近距離煤層群開采垮落帶高度約為 80m,導(dǎo)水裂縫帶高度為 133.75m,裂采比為 31.1～40.5。與新強煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗值較吻合,觀測到的垮落帶高度已與傳統(tǒng)意義上的垮落帶有所區(qū)別,應(yīng)該屬于導(dǎo)水裂縫帶的嚴(yán)重開裂范圍之內(nèi)。

近距離;多煤層;覆巖破壞;鉆孔電視

所謂覆巖破壞高度即指煤層開采后所形成的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度,簡稱“兩帶”。新強煤礦是近距離多煤層開采,六采區(qū)主要開采 87,90, 95和 98號煤,各煤層間距在 20～40m。多層近距離煤層的開采,覆巖破壞具有逐層疊加發(fā)育的規(guī)律,將使得上下采空區(qū)相互溝通。因此,煤層開采后,覆巖破壞的發(fā)育規(guī)律決定了新的采空區(qū)與老采空區(qū)、上覆含水層及地表的溝通情況,是留設(shè)防水煤巖柱的主要參數(shù),直接決定著水體下采煤的安全性和可靠性。本次“兩帶”觀測的目的就是探明87,90,95及 98號煤多煤層開采后,上覆巖層垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度,探明覆巖破壞狀態(tài)和采空區(qū)連通情況,以分析深部開采的可行性,確定安全開采合理的深度,制定防治水技術(shù)措施。

1 觀測鉆孔布置及設(shè)計

根據(jù)新強礦采礦地質(zhì)條件及六采區(qū)各工作面的實際回采等具體情況,在 98號煤右三片工作面上方地表布置覆巖破壞觀測鉆孔,地面標(biāo)高為+180m,該工作面回采標(biāo)高為 -156m左右,“兩帶”鉆孔相對工作面位置為內(nèi)距工作面運輸巷20m,在地面施工,鉆孔從上往下依次穿過 87號煤右二片、90號煤右二片、95號煤右三片、98號煤右三片等 4層煤的采空區(qū),終孔層位為 98號煤底板,鉆探深度約 350m。

設(shè)計鉆孔開孔直徑為 130mm,鉆孔自上而下依次揭露第四系,厚約 3m左右,并依次穿過 67號煤,鉆孔深度為 15m左右。68號煤采空區(qū),其鉆孔深度為 35m左右。69號煤的鉆孔深度為 52m左右。72號煤的鉆孔深度為 108m左右。87號煤、90號煤、95號煤和 98號煤的采空區(qū),其鉆孔深度分別為 259m,294m,330m和 352m。套管下至77m處,目的是為了封住 68號煤的采空區(qū)。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 探測方法及設(shè)備

本次對覆巖破壞高度和特征探測采用鉆孔沖洗液漏失量觀測并結(jié)合鉆孔彩色電視系統(tǒng)的方法。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 鉆孔沖洗液漏失量觀測方法簡介

鉆孔沖洗液漏失量觀測方法 (簡稱為鉆孔沖洗液法)是一種最傳統(tǒng)、最可靠的確定上覆巖層受采動后其導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶發(fā)育高度的方法,此方法是通過直接測定鉆進過程中的鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位、鉆進速度、卡鉆、掉鉆、鉆孔吸風(fēng)、巖芯觀察及地質(zhì)描述等資料,來綜合判定垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度及其破壞特征的一種方法。

2.2 鉆孔彩色電視系統(tǒng)簡介

鉆孔彩色電視系統(tǒng)包括探頭、控制器、絞車架、電纜、計數(shù)器等幾部分。測試窗口為 360° (全孔觀測),對所有的觀察物都能全方位,全柱面的觀測。該套儀器具有如下特點:

(1)儀器現(xiàn)場安裝與操作過程簡單,待測井完成后點擊“完成測試”即可。整個測井過程中無需其他操作,從而避免了人為誤差。

(2)具有靈活簡單的用戶操作平臺,測井完畢 3～5s即可成圖。

現(xiàn)場就能快速打開并瀏覽全孔壁的連續(xù)數(shù)字圖像。能實時地對全孔圖像資料作地質(zhì)解譯 (地層厚度,斷層或裂隙的寬度、傾向與傾角等)。

(3)探頭采用一體化設(shè)計以保障系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性,從而有效地保證了儀器的正常運行。同時,儀器具有防霧、防滲及高耐壓性能。

(4)測試結(jié)果運用光平衡與無縫拼接技術(shù),消除了“百葉窗現(xiàn)象”,保證孔壁影像的真實與完整性,從而保證測井成果的高質(zhì)量。

3 鉆孔沖洗液觀測結(jié)果分析

鉆孔漏失量觀測從孔深 99.15m開始,圖 2為該鉆孔的沖洗液漏失量變化曲線。鉆孔的水位觀測從 98.65m開始,圖 3為該鉆孔的水位變化曲線。

圖2 鉆孔沖洗液漏失量變化曲線

圖3 鉆孔水位變化曲線

由圖 2和圖 3以及現(xiàn)場觀測記錄可知,鉆孔鉆進至孔深 120.35m處漏失量增大,提鉆后鉆孔內(nèi)水位下降了 3m左右,經(jīng)判斷可能是由于原生裂隙較發(fā)育所致。繼續(xù)鉆進至孔深 125.25m處,孔口不再返水,因而采取向孔內(nèi)注水的方式,注水20min后,仍不返水,提鉆后鉆孔水位下降至69.7m左右,從所取的巖芯來看,巖芯破碎,可見縱向劈開的裂縫。分析認(rèn)為,該處巖層已經(jīng)進入到87,90,95和 98號煤采動影響范圍之內(nèi)。繼續(xù)鉆進并觀測孔內(nèi)水位變化,隨著孔深增加,孔內(nèi)水位一直呈下降趨勢。鉆進至孔深 178.9m處,孔內(nèi)測不到水位,并且孔口有嚴(yán)重的吸風(fēng),可見此處巖層發(fā)育的裂縫嚴(yán)重開裂,且互相貫通,并且連通了井下采空區(qū)。繼續(xù)鉆進,觀測不到孔內(nèi)水位,但鉆進至孔深 198.15m處,孔內(nèi)水位埋深為 190.69m左右,并且隨著鉆進略微有所上升。分析原因可能是鉆進過程中的巖粉堵塞了裂縫所致。當(dāng)鉆至孔深212.4m處,孔內(nèi)無水位,一直到終孔。從取芯觀測來看,巖芯破碎,發(fā)育縱向大裂隙。因而,經(jīng)綜合分析鉆孔沖洗液孔漏失量和鉆孔水位這兩項指標(biāo),結(jié)合觀測記錄,可以確定裂縫帶頂點的孔深為125.25m,垮落帶頂點孔深為 178.9m。

由于該鉆孔孔口標(biāo)高 180.00m,鉆孔位置處87號煤標(biāo)高 -79m,90號煤標(biāo)高為 -114m,95號煤標(biāo)高為 -150m,98號煤標(biāo)高為 -172m,87和90號煤間距為 35m,90和 95號煤間距為 36m,95和 98號煤間距為 22m,4層煤的綜合厚度按照近距離煤層計算為 3.3～4.3m。因而最終綜合確定新強礦近距離多煤層開采的導(dǎo)水裂縫帶高度約為133.75m,裂采比為 31.1～40.5。

4 鉆孔電視探測結(jié)果分析

鉆孔電視觀測從孔深 75.0m開始?？v觀整個巖層觀測段,巖層基本為砂巖,只在局部夾泥質(zhì)層理,巖層近水平層理,分層明顯,并在分層處發(fā)育橫向裂隙,在采動的影響下裂縫呈張開狀態(tài)。整個孔段巖層自上而下裂縫發(fā)育較多,裂縫多以橫向為主,隨著孔深的增加,向縱向發(fā)展,并且在局部孔段出現(xiàn)破碎狀態(tài),如圖 4～圖 8所示,是巖層不同狀態(tài)圖片。

圖4 巖層分層明顯

圖5 孔深150m處巖層破碎狀態(tài)

圖6 孔深87m處發(fā)育縱向裂縫巖層

圖7 裂縫帶頂點位置處

圖 8 出現(xiàn)吸風(fēng)位置處裂縫發(fā)育情況

如圖 7反映的是在裂縫帶頂點位置處發(fā)育的裂縫情況。裂縫數(shù)量明顯增多,完整塊段減少,為橫向與傾斜方向的裂縫貫通,開始出現(xiàn)縱向裂縫,該孔段的巖層已經(jīng)進入了采動影響的范圍之內(nèi),因而導(dǎo)致了沖洗液在 125.25m處突然完全漏失,鉆孔水位也明顯下降?？梢?對巖層的滲透性造成了局部影響,但是裂縫沒有完全貫通,與鉆孔沖洗液漏失量觀測到的導(dǎo)水裂縫帶頂點位置相差不大。圖 8反映的是出現(xiàn)吸風(fēng)孔段處巖層發(fā)育的裂縫情況。裂縫寬度增大,且呈張開型,因而在沖洗液漏失量觀測過程中在該孔深處出現(xiàn)吸風(fēng)現(xiàn)象,可見此處的采動裂縫已與井下采空區(qū)相貫通。

對整個孔段裂縫發(fā)育情況進行統(tǒng)計,裂縫發(fā)育孔段占到整個觀測孔段的 30%左右,且由于采動的影響,距離采動煤層越近,裂縫發(fā)育越密集。受下部的煤層采動影響越劇烈,巖層受到拉伸,巖層中出現(xiàn)近于豎直方向的裂縫,裂縫發(fā)育密集,尺寸較大,裂縫一般沿巖石的原生弱面發(fā)育,呈裂縫群狀態(tài),呈現(xiàn)堅硬砂巖采動裂縫的典型特征。

5 近距離煤層群開采導(dǎo)水裂縫帶高度的評價分析

新強煤礦多煤層工作面開采,各煤層間距在20～40m,多煤層回采綜合厚度約為 3.3～4.3m。通過實際觀測獲得的近距離煤層群開采的垮落帶高度約為 80m,導(dǎo)水裂縫帶高度為 133.75m,裂采比為 31.1～40.5,與新強煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗值較吻合,但與覆巖破壞一般性規(guī)律有較大差異。

分析新強煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度的異常發(fā)育原因,主要是因為新強煤礦頂板為堅硬的脆性砂巖,且由于單一煤層厚度較薄,開采強度小,頂板垮落不充分,一旦近距離下層煤開采,上層采空區(qū)受重復(fù)采動影響后將很容易引起頂板的再次塌落,不僅擴大了原有的微小裂隙,而且新的導(dǎo)水裂縫繼續(xù)向上發(fā)育,導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫帶高度異常增加。而且,由于隨著向深部延伸,開采空間越來越大,頂板重復(fù)受到開采擾動,從而也導(dǎo)致由脆性巖層組合的頂板采動裂縫嚴(yán)重開裂,且不易閉合,因而在較高范圍內(nèi)與采空區(qū)貫通,鉆孔出現(xiàn)嚴(yán)重的吸風(fēng)現(xiàn)象。因此,在這里觀測到的垮落帶高度已與傳統(tǒng)意義上的垮落帶有所區(qū)別,應(yīng)該屬于導(dǎo)水裂縫帶的嚴(yán)重開裂范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

(1)采用地面鉆孔沖洗液漏失量和鉆孔彩色電視系統(tǒng)綜合觀測手段,確定覆巖破壞高度和特征的觀測方法是可行的、有效的。

(2)通過鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視系統(tǒng)探測綜合分析,得到新強煤礦近距離煤層群開采垮落帶高度約為 80m,導(dǎo)水裂縫帶高度為133.75m,裂采比為 31.1～40.5。與新強煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗值較吻合,觀測到的垮落帶高度已與傳統(tǒng)意義上的垮落帶有所區(qū)別,應(yīng)該屬于導(dǎo)水裂縫帶的嚴(yán)重開裂范圍之內(nèi)。

[1]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[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[2]煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所 .煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.

[3]張玉軍,康永華 .覆巖破壞規(guī)律探測技術(shù)的發(fā)展及評價[J].煤礦開采,2005,10(2):10-12.

[4]張玉軍,張華興,陳佩佩 .覆巖及采動巖體裂隙場分布特征的可視化探測 [J].煤炭學(xué)報,2008(11).

[責(zé)任編輯:徐乃忠]

Research on Fa ilure Height and Characteristic of Overlying Strata in M in ing Coal seam s with Small Interval

ZHANG Yu-jun

(CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Water lossobservation in borehole and borehole televisionwas applied to detecting failure heightofoverlying strata inmining multi-coalseam with near distance by taking Xinqiang Colliery as testmine.Results showed that caving heightof overlying stratawas about 80m,water-conductive fissure heightwas133.75m and the ratio of fissure height andmining heightwas 31.1～40.5.The fissure heightwas fit for experience value of XinqiangColliery.Caving heightobservedwas different from typical value.itwaswithin serious crack range ofwater-conductive fissure zone.

small interval;multi coal seams;failure of overlying strata;borehole television

TD214

A

1006-6225(2010)06-0009-03

2010-10-11

天地科技股份有限公司研發(fā)項目 (TZ-GY-2010-KC-4)

張玉軍 (1978-),男,河北張家口人,在讀博士生,工程師,主要從事開采沉陷、近水體下采煤及巖石力學(xué)方面研究。