楊俊哲，賈林剛，宋桂軍，趙立欽

(1.神華神東煤炭集團(tuán)有限公司，陜西 神木 719315；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

當(dāng)采用全部垮落法管理頂板開采煤層時，覆巖巖層發(fā)生位移、變形和破壞，煤層直接頂板垮落，在垮落帶上方產(chǎn)生裂縫帶，若巖層采深采厚比較大，在覆巖中形成明顯的垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶的“三帶”特征，其中垮落帶和裂縫帶可與上覆巖層中的含水層導(dǎo)通，形成導(dǎo)水裂縫帶，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。因此，在開采覆巖中含水煤層時，預(yù)計導(dǎo)水裂縫帶的高度至關(guān)重要，可以預(yù)防發(fā)生潰水潰砂事故。在這方面我國專家學(xué)者做了很多研究工作，形成了眾多實(shí)用科研成果，為水體下采煤采取的防護(hù)措施提供了科學(xué)的依據(jù)[1-3]。“三帶”的形成及發(fā)育高度，不僅與采厚、覆巖巖性、煤層傾角等地質(zhì)條件因素有關(guān)，而且與采煤方法密切相關(guān)，對于厚煤層開采，可采用分層開采、綜采放頂煤開采和綜采一次采全高的開采方法，其中分層開采經(jīng)歷了普采、綜采等發(fā)展階段，歷時較長，其“兩帶”高度的研究成果較多，已經(jīng)形成了普遍采用的經(jīng)驗(yàn)公式[4]；綜采放頂煤開采近年來關(guān)于“兩帶”的研究也逐漸增多[5-9]，相對而言，大采高一次采全高研究成果及實(shí)例較少[10]，而采用之前分層開采的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)計，又不能滿足生產(chǎn)要求，因此，探測研究厚煤層一次采全高的“兩帶”高度具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)采礦條件

補(bǔ)連塔煤礦是神東煤炭集團(tuán)骨干礦井之一，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，生產(chǎn)規(guī)模20Mt/a，面積34.45km2。主要可采煤層1-2煤、2-2煤和3-1煤層。12511綜采工作面位于1-2煤五盤區(qū)，煤層底板標(biāo)高+1042.7～+1061.1m，傾角為1°～3°，屬于近水平煤層，工作面長度319.1m，推采長度3139.3m，采用綜采垮落法一次采全高開采，設(shè)計采高7.4m。工作面上覆基巖厚度為233～271m，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度2.4～12.7m，平均厚度7.7m，巖質(zhì)較軟。煤層基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度74.5～152.1m，平均厚度96.1m。松散層厚度為0～27m。覆巖中含有多層礫巖層，其間含水豐富，給井下煤層的開采造成了一定的安全隱患，導(dǎo)水裂縫帶為主要充水通道。準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)水裂縫帶的高度，可為做好井下排水工作、提高水害防治提供依據(jù)。

2 兩帶高度實(shí)測分析

2.1 鉆孔布置

為了準(zhǔn)確探測補(bǔ)連塔煤礦綜采大采高一次采全高的導(dǎo)水裂縫帶的高度，在12511工作面的切眼中部位置和工作面推進(jìn)方向距切眼約900m的位置布置2個“兩帶”采后探測鉆孔，在鉆進(jìn)過程中，全孔取巖芯并進(jìn)行完整性分析，并采用鉆孔沖洗液漏失量觀測、彩色鉆孔電視觀測的方法進(jìn)行綜合觀測分析。

2.2 鉆孔水位及沖洗液漏失量觀測

在采后鉆孔鉆進(jìn)過程中，沖洗液漏失量的消耗、孔內(nèi)水位變化、以及鉆進(jìn)過程中掉鉆、卡鉆、吸風(fēng)等異?，F(xiàn)象，都是判斷裂縫帶發(fā)育高度的依據(jù)。鉆孔開孔孔徑為φ190mm，鉆孔深至24.80m處下尺寸為φ160mm套管固井及封堵松散層含水層，之后采用孔徑φ133mm鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)至243.00m結(jié)束，通過鉆探所取巖芯分析，鉆孔位置距孔口242.10m處應(yīng)為煤層底板，即終孔深度在1-2煤底板下約0.9m處。從24.8m處開始采用清水鉆進(jìn)，并進(jìn)行漏失量觀測，圖1為鉆孔沖洗液漏失量隨鉆進(jìn)深度變化曲線，在孔深24.80～130.71m處沖洗液漏失量變化不大，總體趨勢趨于平緩，在原生裂隙的作用下，在24.80～130.71m范圍內(nèi)間歇性有小幅度增大；自孔深130.71m開始，沖洗液漏失量有明顯增大，至134.74m處沖洗液循環(huán)中斷，全部漏失，單位時間、單位進(jìn)尺漏失量同單位時間漏失量的變化趨勢基本一致，在孔深134.74～136.74m之間連續(xù)進(jìn)行注水，孔內(nèi)未返水。說明在距孔口130.71m以下孔內(nèi)裂隙較發(fā)育，且多處連續(xù)裂隙致使孔內(nèi)漏水嚴(yán)重，應(yīng)為采動影響裂隙發(fā)育較好且導(dǎo)通性良好區(qū)域。

圖1 鉆孔沖洗液漏失量觀測曲線

2.3 彩色鉆孔電視觀測分析

彩色鉆孔電視把裝有高清晰攝像頭和多點(diǎn)強(qiáng)光源的密閉透明探頭深入到鉆孔中進(jìn)行連續(xù)拍攝，記錄鉆孔內(nèi)的實(shí)時整體狀態(tài)，其影像可真實(shí)反映出孔內(nèi)地質(zhì)體的完整性、裂隙走向、裂隙寬度等裂隙產(chǎn)狀特征，是目前探測巖層裂隙發(fā)育狀態(tài)的有效手段，具有清晰、直觀、深度直接可視的特點(diǎn)。

本次鉆孔電視觀測從孔口開始，探測至距孔口231.51m的位置結(jié)束。在孔深130.22m以上巖層出現(xiàn)的裂隙細(xì)微、近水平，且均為橫向裂隙，為原生裂隙或受采動影響而產(chǎn)生的細(xì)小離層裂隙；在孔深130.22～130.34m之間首次出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙縱向長度約0.1m(圖2)，同時在孔深134.10～134.37m之間出現(xiàn)縱向長度約為0.27m的縱向裂隙，在孔深144.43～145.55m之間有一處長度1.12m的高角度近垂向裂隙，巖體發(fā)育形態(tài)較破碎，且在145.63m以下多處出現(xiàn)較發(fā)育裂隙?？v向裂隙出現(xiàn)的位置與鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量增大并不返水的位置基本一致，裂隙的分布形態(tài)呈現(xiàn)采動影響特征，巖體破壞嚴(yán)重，裂隙縱橫交錯。從201.00m開始，巖層破壞程度加劇，較上部巖層孔壁更為破碎，裂隙密度較大，不僅出現(xiàn)大量縱橫裂隙相互連通，而且還出現(xiàn)有散亂巖層碎塊，而且有較多明顯空區(qū)，局部有壓實(shí)的痕跡，從該段以下均為形態(tài)特征相似的破碎巖體，整體分析，具有明顯采動垮落特征，該處應(yīng)為巖層采動垮落帶頂部(圖3)。

圖2 孔深130.1～130.35m段孔壁展開

圖3 孔深201.0～201.7m段孔壁展開

2.4 鉆孔巖芯分析

鉆進(jìn)過程中所取巖芯，不僅能判斷出覆巖巖性、巖體層位位置及厚度等基本巖層信息，而且通過取芯率及RQD值的大小，可以判斷出巖體的強(qiáng)度及破碎程度。巖體強(qiáng)度大小是開采后覆巖破壞發(fā)育高度的關(guān)鍵影響因素，低位巖層受采動影響劇烈，如果巖體強(qiáng)度較大，巖體呈塊體斷裂，所取巖芯取芯率較高，但RQD值較低，同時可從巖芯斷裂切口處發(fā)現(xiàn)劈裂破斷現(xiàn)象；如果巖芯強(qiáng)度較小，取芯率較低，同時RQD值更低，甚至呈現(xiàn)碎塊散體形態(tài)。高位巖層的強(qiáng)度大小直接影響到覆巖破壞高度，如果距離采空區(qū)距離較大的巖體強(qiáng)度較大，可形成關(guān)鍵層，阻礙覆巖破壞高度的進(jìn)一步向上發(fā)展；如果是巖體強(qiáng)度較小，則可使巖體破壞高度進(jìn)一步向上發(fā)展，在更高位巖層形成裂隙發(fā)育的最高位置。

補(bǔ)連塔煤礦12511工作面布置的鉆孔在鉆進(jìn)過程中進(jìn)行了全孔取芯，總體分析巖芯巖性及完整狀況，在所取巖芯的0～20.65m段為表土松散層及礫巖層，巖芯松散無膠結(jié)；松散層以下段為各類砂巖和泥巖互層，其中在 63.9～86.5m段和100～109m段出現(xiàn)礫巖層。在129m以上的巖芯，巖芯除松散層及礫巖層外，其他各層比較完整，取芯率達(dá)到85%以上，RQD值也基本在70%以上。在129m以下段各巖層巖芯出現(xiàn)不同程度的斷裂破碎，RQD值較低。圖4為鉆孔129.51～133.31m段所取巖芯，該巖芯為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度較低，雖然該段巖芯取芯率達(dá)到了96%，但RQD值只有28%，巖芯比較破碎，從鉆孔電視觀測反映出該段裂隙比較發(fā)育，且有縱向裂隙出現(xiàn)。圖5為距離煤層頂板較近的鉆孔巖芯，該段巖性為砂巖，雖然巖體強(qiáng)度較大，但受采動影響劇烈，塊體較小，巖體完整性較差，RQD值為56%。

圖5 213.08～217.63m段巖芯

結(jié)合鉆孔電視觀測結(jié)果，在鉆孔巖芯裂隙比較發(fā)育的地方，所取巖芯完整性較差，在上部巖層裂隙不發(fā)育區(qū)域，巖體完整性較好。在129m以下位置，應(yīng)進(jìn)入到采動影響裂縫帶，巖芯出現(xiàn)縱向或斜向破斷痕跡(圖6)，在距離頂板較近位置的巖層，受到劇烈的采動影響，所取巖芯的取芯率較小，RQD值小于25%，甚至小于10%，巖體質(zhì)量較差。

圖6 巖芯縱向及斜向裂口

2.5 實(shí)測“兩帶”高度的綜合分析確定

綜合沖洗液漏失量、彩色鉆孔電視探測結(jié)果及所取巖芯分析，綜合探測的結(jié)果比較一致， 導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)距孔口為130.22m，覆巖垮落帶頂點(diǎn)為201.10m，煤層采厚為7.4m，鉆孔煤層底板深度為242.10m，煤層頂板距離孔口垂深234.70m，導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶高度計算公式分別為：

Hli=H-h裂+W

(1)

Hm=H-h垮+W

(2)

式中，Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；Hm為垮落帶最大高度，m；H為煤層頂板距離孔口垂深，m；h裂為裂縫帶頂點(diǎn)距離孔口垂深，m；h垮為垮落帶頂點(diǎn)距離孔口垂深，m；W為打鉆觀測時裂縫帶巖層的壓縮值，W=0.2M，M為開采煤層厚度，m。

經(jīng)計算補(bǔ)連塔煤礦12511工作面布置鉆孔探測分析計算所得導(dǎo)水裂縫帶高度為105.96m，為采厚的14.32倍；垮落帶高度為35.08m，為采厚的4.74倍。

3 一次采全高“兩帶”高度實(shí)測值與分層開采計算值對比

我國從20世紀(jì)50年代開始，眾多專家學(xué)者在許多煤礦開展了覆巖含水層及其他水體下采煤的專題研究，進(jìn)行了垮落帶和裂縫帶的現(xiàn)場實(shí)地觀測，在大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出了“兩帶”高度計算經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式是基于當(dāng)時普遍采用的普采和分層綜采而得來的。

中硬煤層垮落帶高度計算公式為：

(3)

中硬煤層導(dǎo)水裂縫帶計算公式為：

(4)

把補(bǔ)連塔煤礦12511工作面的采厚M=7.4m代入，經(jīng)計算垮落帶高度Hk=15.96m，為垮落帶高度的2.16倍；導(dǎo)水裂縫帶高度為Hli=53.53m，裂采比為7.23。

補(bǔ)連塔煤礦大采高采用一次采全高實(shí)測的垮落帶高度是分層開采經(jīng)驗(yàn)公式計算所得的2.2倍，導(dǎo)水裂縫帶高度為分層開采經(jīng)驗(yàn)公式計算所得的1.98倍。綜采大采高一次采全高實(shí)測數(shù)據(jù)表明，大采高一次采全高與分層開采具有明顯差異，以前“規(guī)程”中的經(jīng)驗(yàn)公式不適用于神東礦區(qū)的大采高兩帶高度的預(yù)測。

補(bǔ)連塔煤礦的實(shí)測導(dǎo)水裂縫帶高度和垮落帶的數(shù)據(jù)，計算所得的跨采比值和裂采比可作為補(bǔ)連塔礦其他工作面預(yù)測兩帶高度的有效參考值，同時也可為同類地質(zhì)采礦條件下的其他煤礦預(yù)計“兩帶”高度作為類比范例。

4 結(jié) 論

(1)在煤層開采過程中，由于覆巖原生裂縫及施工因素的影響，采動裂縫帶高度的分析判定存在一定的誤差，鉆孔漏失量觀測分析是傳統(tǒng)的測定裂縫帶高度的方法，彩色鉆孔電視探測分析可直觀顯現(xiàn)裂隙的長度、范圍、寬度等巖層發(fā)育裂隙產(chǎn)狀，二者結(jié)合使用可相互印證覆巖裂隙發(fā)育的特征，是確定煤層采動裂隙發(fā)育高度的有效技術(shù)方法，可以準(zhǔn)確地判定導(dǎo)水裂縫帶的高度。

(2)分析研究表明，補(bǔ)連塔煤礦綜采一次采全高7.4m厚煤層條件下，垮落帶高度為35.08m，是采高的4.74倍，導(dǎo)水裂縫帶高度為105.96m，是所采煤層厚度的14.32倍。該實(shí)測研究成果可作為補(bǔ)連塔礦其他工作面計算導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶的依據(jù)，也可為其他相類似條件下煤礦開采預(yù)防水害威脅提供參考作用。

(3)綜采一次采全高開采強(qiáng)度大，頂板覆巖破壞劇烈，造成“兩帶”高度大于分層開采“兩帶”高度。經(jīng)與補(bǔ)連塔煤礦實(shí)測對比分析驗(yàn)證，厚煤層分層開采經(jīng)驗(yàn)公式計算所得垮落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測厚煤層一次采全高“兩帶”高度值相比存在較大誤差。