伊永杰

(神東煤炭集團保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引 言

礦井工程開采后往往伴隨著覆巖運動，在覆巖的不同層位形成垮落帶、裂縫帶和整體移動帶，簡稱“三帶”。當采空區(qū)覆巖變形發(fā)育至地表時，地表會發(fā)生沉陷現(xiàn)象，形成地裂縫、階梯型斷裂以及下沉等[1-2]。導(dǎo)水裂隙帶是垮落帶和裂縫帶的總稱，該范圍內(nèi)覆巖受開采影響劇烈，覆巖產(chǎn)生大量的變形和裂隙，是煤層突水的主要通道，其發(fā)育特征對上覆巖層的移動起到重要影響[3-5]。保德煤礦開采范圍內(nèi)存在多類建(構(gòu))筑物，地下開采活動引起的地表沉陷對建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響，甚至影響其安全使用。為保證礦區(qū)的安全開采及區(qū)域周邊地表建筑物的安全，需要掌握該地區(qū)采后覆巖移動特征，特別是導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育特征。

導(dǎo)水裂隙帶高度的確定方法主要有打鉆實測、數(shù)值模擬、相似模擬和理論分析等[6-13]。其中，打鉆實測最為準確，但是耗時耗力；數(shù)值模擬和相似模擬受模擬參數(shù)影響較大，難以直接應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)；理論分析較為方便，但是傳統(tǒng)理論計算方法較為籠統(tǒng)，難以針對性地對不同煤層賦存條件下的導(dǎo)高進行預(yù)測。針對保德礦區(qū)的煤層及覆巖賦存特征，充分考慮覆巖中關(guān)鍵層的位置條件，本文分別采用經(jīng)驗計算法和關(guān)鍵層判別法對導(dǎo)水裂隙帶高度進行計算，并通過現(xiàn)場打鉆實測進行驗證，獲得適用于該地區(qū)的導(dǎo)高理論計算方法，為該地區(qū)的覆巖控制及防治水提供便捷可靠的理論方法。

1 關(guān)鍵層對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響

在工作面回采后，上覆關(guān)鍵層的破斷對導(dǎo)水裂隙帶高度將產(chǎn)生較大影響?；诖?，許家林等[14]提出導(dǎo)水裂隙帶高度的關(guān)鍵層判別法，該方法通過上覆巖層裂隙發(fā)育范圍與關(guān)鍵層的位置進行對比，進而判斷出導(dǎo)水裂隙帶可能發(fā)育至的最大高度。假設(shè)覆巖裂隙的臨界發(fā)育高度為H，關(guān)鍵層高度為hk，當hk>H時，導(dǎo)水裂隙帶最多發(fā)育至該關(guān)鍵層底部；當hk

1.1 覆巖關(guān)鍵層層位判斷

工作面覆巖可能存在一層或數(shù)層堅硬巖層，煤層開采后，將采場覆巖中對巖體局部或全體運動起決定作用的巖層稱為關(guān)鍵層，前者稱為亞關(guān)鍵層，后者稱為主關(guān)鍵層[15]。關(guān)鍵層巖層具備巖性堅硬、厚度大、主導(dǎo)上覆巖層運動、斷裂后形成砌體梁結(jié)構(gòu)等特征，其判別方法如下所述[16-17]。

1) 假設(shè)工作面上覆多層關(guān)鍵層，將首個關(guān)鍵層編號為第1層，則其上覆巖層對其施加的載荷可以由式(1)確定。

(1)

式中：qn為第n層巖層至首個關(guān)鍵層總厚所產(chǎn)生的載荷；Ei為各層彈性模量；hi為各層厚度；γi為各層體積力，其中i=1,2,…,n。

2) 剛度判別條件。主要判別依據(jù)為不同層位對首個關(guān)鍵層的施加負載，若首個關(guān)鍵層上覆第n層和第n+1層的施加載荷關(guān)系滿足式(2)，則第n+1層即為關(guān)鍵層。

qn+1

(2)

式中，qn+1和qn分別為n+1層與n層覆巖及其下部巖層對首個關(guān)鍵層的載荷。

3) 強度判別條件。主要判別依據(jù)為巖層的破斷距，判別要求為上位硬巖層的破斷距大于相鄰下位硬巖層，判別公式見式(3)。

li

(3)

式中，li和li+1分別為第i層和第i+1層硬巖層的破斷距。

在實際應(yīng)用過程中，首先根據(jù)式(1)計算得到上覆巖層作用在目標巖層上的載荷，然后根據(jù)式(2)比較相鄰巖層作用在目標巖層上的載荷關(guān)系，結(jié)合上覆硬巖層的分布特征，確定可能是關(guān)鍵層的硬巖層。通過將可能是關(guān)鍵層的硬巖層按照式(3)從下向上逐層判斷兩者之間的破斷距關(guān)系，符合式(3)要求的巖層即是覆巖中關(guān)鍵層的位置。

1.2 覆巖關(guān)鍵層影響臨界高度

隨著煤層開采的進行，工作面上覆巖層逐漸發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)和滑動等運動，這些巖層運動會產(chǎn)生具有導(dǎo)水能力的裂隙，基于關(guān)鍵層的破斷裂紋張開水平對導(dǎo)水通道的影響，有學(xué)者提出了采用關(guān)鍵層張開度來評價巖層破斷裂隙對導(dǎo)水能力的影響，其計算模型如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的力學(xué)關(guān)系模型，可以得到關(guān)鍵層張開度K的計算見式(4)。

圖1 主關(guān)鍵層裂隙張開度模型

(4)

式中，kp為關(guān)鍵層下部巖層綜合碎脹系數(shù)。

將式(4)進行變換之后，可以得到關(guān)鍵層破斷裂縫貫通的臨界高度計算公式見式(5)。

(5)

由式(5)可得，該臨界高度受覆巖破斷塊度大小、采高、采空區(qū)巖石碎脹性等因素影響。結(jié)合巖石類材料導(dǎo)水通道尺寸特征以及砂巖殘余碎漲系數(shù)指標，認為式(5)中(L×K/h)項可忽略不計，kp取值范圍為1.10～1.15。因此，式(5)經(jīng)過簡化后可以表示為式(6)。

H=(7～10)m

(6)

1.3 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法

基于上述對于關(guān)鍵層位置和覆巖關(guān)鍵層影響臨界高度的判斷，通過比較兩者之間的關(guān)系即可大致判斷工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度，其中最主要的是評價關(guān)鍵層位置是否達到了覆巖關(guān)鍵層影響臨界高度。

1) 當關(guān)鍵層位置大于臨界高度時，如圖2(a)所示，覆巖裂隙發(fā)育高度無法波及該關(guān)鍵層，關(guān)鍵層無法形成導(dǎo)水裂隙，因此該條件下導(dǎo)水裂隙帶的最大發(fā)育高度僅能達到該關(guān)鍵層底部。

2) 當關(guān)鍵層位置小于臨界高度時，如圖2(b)所示，覆巖裂隙發(fā)育高度可以影響到該關(guān)鍵層，覆巖裂隙將貫通該關(guān)鍵層將發(fā)育至上覆關(guān)鍵層下部，當主關(guān)鍵層也受到破壞形成導(dǎo)水裂隙時，整個基巖將被覆巖裂隙貫通，此時，導(dǎo)水裂隙帶高度為煤層頂部至基巖頂部間的距離。

圖2 關(guān)鍵層位置與臨界高度關(guān)系示意圖

2 81306綜放面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計

2.1 工作面概況

81306工作面開采8#煤層，屬于穩(wěn)定可采煤層。工作面地面標高971～1 106 m，煤層底板標高689～719 m；工作面煤層厚度為4.80～6.90 m，平均厚度為6.70 m，采用綜放開采技術(shù)進行煤層開采，割煤高度為3.6～3.8 m，放煤高度3.06～2.86 m，采放比為1∶0.850～1∶0.752，采用全部垮落法管理頂板。

根據(jù)81306工作面地質(zhì)鉆孔情況，通過關(guān)鍵層分析軟件判斷該地層賦存條件下關(guān)鍵層位置，分析后認為81306工作面覆巖中可能存在3個關(guān)鍵層，其中2個亞關(guān)鍵層分別位于距開采煤層3 m和18 m處，主關(guān)鍵層位于距煤層103 m處的厚度12 m的細砂巖。鉆孔柱狀圖及關(guān)鍵層判別位置如圖3所示。

圖3 D1鉆孔覆巖關(guān)鍵層位置判別結(jié)果

2.2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計

1) 基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計結(jié)果。 81306工作面的平均采高為6.70 m，代入式(6)，可得到該工作面上覆關(guān)鍵層在覆巖運動過程中所產(chǎn)生的裂隙高度為46.9～67.0 m。 根據(jù)上文分析關(guān)鍵層判別方法，煤層上方兩層粗砂巖均位于該范圍內(nèi)。因此，根據(jù)垮落高度及關(guān)鍵層高度可以推斷，隨著覆巖運動的持續(xù)影響，裂隙帶會持續(xù)貫穿至主關(guān)鍵層位置，即導(dǎo)水裂隙帶的理論發(fā)育高度應(yīng)為103 m。

2) 導(dǎo)水裂隙帶傳統(tǒng)方法預(yù)計結(jié)果?！督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中根據(jù)工作面覆巖的不同性質(zhì)，提出了相應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶高度計算經(jīng)驗公式見表1。

表1 導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式

根據(jù)81306工作面煤層及覆巖賦存條件，工作面平均采高為6.7 m，當覆巖巖性按中硬頂板條件計算時，導(dǎo)水裂隙帶高度為41.2～61.8 m；當覆巖巖性按堅硬頂板條件計算時，導(dǎo)水裂隙帶高度為57.8～87.7 m。

3 81306綜放面覆巖上三帶發(fā)育高度實測

為了驗證不同導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計結(jié)果的準確性，通過在81306工作面地表打鉆對采空區(qū)上方的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行實測，鉆孔位置位于D1地質(zhì)鉆孔附近，如圖4所示。通過分析鉆孔水位變化、沖洗液漏失量變化以及鉆孔窺視來探測采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

圖4 探測鉆孔位置示意圖

1) 沖洗液漏失量及水位變化。統(tǒng)計鉆進過程中每班記錄的沖洗液漏失量及水位變化表，并繪制成隨總控深度的變化曲線，如圖5所示。 根據(jù)水位變化及沖洗液漏失量變化判斷得出，探測鉆孔導(dǎo)水裂隙帶頂界為孔深251 m處，鑒于此處埋深為357 m，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為106 m。

圖5 水位變化及沖洗液漏失量隨鉆孔深度的變化曲線

2) 地面鉆孔電視窺視結(jié)果。采用SYKJ型高清鉆孔全景攝像儀器，配備600 m長電纜，適合對500 m左右采深的鉆孔條件進行觀測，根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，在鉆孔230 m處出現(xiàn)了較小的離層，如圖6(a)所示；在235 m處出現(xiàn)明顯的橫向裂隙，如圖6(b)所示；在250 m處橫向裂隙中出現(xiàn)的氣泡以及氣體的涌出，如圖6(c)所示；在251 m處出現(xiàn)大離層現(xiàn)象，如圖6(d)所示，之后鉆孔壁均處于破碎或離層狀態(tài)。據(jù)此可知，導(dǎo)水裂隙帶高度的頂部位于鉆孔深251 m處，即導(dǎo)水裂隙帶高度為106 m。

圖6 鉆孔電視成像結(jié)果

通過鉆孔電視窺視的結(jié)果，能夠真實觀測到采場上覆巖層的運移狀況，對巖層的導(dǎo)高判斷提供真實的材料，同時結(jié)合導(dǎo)高預(yù)計新方法，更為準確得到礦井的導(dǎo)水裂隙帶演化高度。

4 結(jié) 論

1) 工作面覆巖關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙帶高度具有顯著影響，當關(guān)鍵層位于裂縫貫通的臨界高度之下時，導(dǎo)水裂隙帶高度為上位關(guān)鍵層下部或者基巖上部；當關(guān)鍵層位于裂縫貫通的臨界高度之上時，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為該關(guān)鍵層底部。

2) 以81306工作面的煤層賦存條件為工程背景，對比基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶和傳統(tǒng)導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，前者得到的導(dǎo)水裂隙帶理論高度為103 m，后者計算得到的導(dǎo)水裂隙帶理論高度分別為41.2～61.8 m和57.8～87.7 m，兩種理論得到的理論導(dǎo)水裂隙帶高度相差較大；通過分析鉆孔水位變化、沖洗液漏失量變化以及鉆孔窺視等方法實測得到81306工作面采空區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為106 m。

3) 理論分析和鉆孔試驗結(jié)果表明，在保德煤礦采空區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行預(yù)測時，基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度計算方法具有良好的適用性，驗證了關(guān)鍵層對于導(dǎo)水裂隙帶高度判斷的重要性，為該地區(qū)煤礦及類似上覆多層關(guān)鍵層工作面的導(dǎo)高預(yù)測提供借鑒。