肖 華
(貴州煤礦安全監(jiān)察局安全技術中心, 貴州 貴陽 550001)
我國學者根據(jù)覆巖運動和破壞特征,提出了覆巖破壞學說,按照長壁開采后覆巖變形破壞特征及其導水性能,將上覆巖層分為“三帶”即冒落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶,并對離采場較近的裂隙帶形態(tài)及力學特性進行了描述[1-4]。采場覆巖變形破壞“三帶”分布特征的說法已經(jīng)基本成熟,“三帶”高度的確定方法目前主要有理論計算、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬等方法[4-8],本文以某礦井綜采工作面為研究對象,該工作面走向長度為2038 m,傾向長度為300 m,平均采高為4.7 m,所采煤層賦存穩(wěn)定,煤層層理較發(fā)育,整體性較好,平均埋深約108 m,屬于淺埋深大采厚煤層,采煤工藝為綜采工藝,頂板管理方式采取全部垮落法。為了研究該礦井所在地質條件下煤層開采后上覆巖層的破壞形式,本文采用鉆孔沖洗液法對上覆巖層的破壞分帶進行實測,通過實測確定“三帶”的范圍,為礦井有效管理頂板和保障安全生產提供理論依據(jù)。
在進行測量之前首先要確定觀測鉆孔的具體位置,必須保證該鉆孔位于所研究的綜采工作面上方,其次要記錄觀測鉆孔的基本參數(shù),觀測鉆孔和工作面位置關系見圖1,觀測鉆孔基本參數(shù)見表1。
從綜采工作面正前上方地表往下打勘探鉆孔,當鉆孔深度達到87.72 m時,取出的巖芯顯示為淺灰粉砂巖,且下部較為破碎;當鉆孔最終成孔時,綜采工作面已經(jīng)推進到距觀測鉆孔水平距離只有0.42m位置,此時地表移動基本停止已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由于覆巖發(fā)生破壞的地帶,裂隙較多,所以觀測鉆孔沖洗液消耗量也將增多,于是可以根據(jù)鉆孔沖洗液漏失量的變化情況,來判斷工作面上覆巖層的破壞情況,以此來劃分上覆巖層破壞“三帶”,試驗觀測鉆孔沖洗液消耗量見表2。
圖1 觀測鉆孔平面布置
孔口初始坐標X/m4418203.35Y/m37416302.32Z/m1391.30終孔深度h2/m87.72出現(xiàn)塌陷夾鉆的鉆孔深度h3/m87.72煤層底板標高Zm/m1280.00孔口對應正下方煤層厚度M/m5.00工作面采高MZ/m4.50
鉆孔CY1沖洗液漏失量變化曲線見圖2。
由圖2可知,工作面開采后,從地表面到工作面頂板,工作面上覆巖層破壞程度存在較為明顯的差異,可以根據(jù)上覆巖層程度對其破壞形式進行分帶,從上至下依次可劃分為彎曲下沉帶、導水裂隙帶和垮落帶。根據(jù)實測鉆孔沖洗液消耗量變化情況可以確定各帶的帶寬,在孔深44.62~54.98 m范圍內,沖洗液消耗量為0.30 m3/h~0.60 m3/h;當鉆孔鉆進至孔深54.98 m時,鉆孔出現(xiàn)漏孔,沖洗液消耗量顯著增加,從0.60 m3/h迅速增加到2.50 m3/h,小泵流量(2.5 m3/h)全部漏失,沒有返水,以后一直保持漏孔;當鉆孔繼續(xù)鉆進至孔深87.72 m時,鉆孔出現(xiàn)塌陷夾鉆。由此可計算工作面上覆巖層三帶高度:
表2 觀測鉆孔沖洗液消耗量
圖2 工作面觀測鉆孔沖洗液漏失量變化曲線
煤層埋深:Hs=Z-Zm-M=1391.295-1280-5.0=106.295 m
彎曲下沉帶高度:Hl=h1=54.98 m
導水裂隙帶高度:HliHs-h1=51.315 m
垮落帶高度:Hm=Hs-h3=18.575 m
彎采比:Kl=Hl/M2=12.217
裂采比:Kli=Hli/M2=10.9
垮采比:Km=Hm/M2=3.9
式中h1為漏水加劇深度,54.98 m。
根據(jù)上覆巖層各破壞帶厚度,可以計算得到該工作面垮落帶、導水裂隙帶、彎曲下沉帶厚度比值為1∶1.76∶2.96。
本文采用鉆孔沖洗液現(xiàn)場實測法研究工作面上覆巖層破壞分帶形式,并以某礦綜采工作面為例,對上覆巖層破壞分帶形式進行了實測和分析研究,確定了試驗研究礦井綜采工作面開采后上覆巖層破壞形式分帶特征,試驗研究主要結論如下:
(1) 工作面開采后,工作面上覆巖層破壞程度存在較為明顯的差異,可以根據(jù)上覆巖層程度對其破壞形式進行分帶,從上至下依次可劃分為彎曲下沉帶、導水裂隙帶和垮落帶。
(2) 借助實測鉆孔沖洗液損耗量的差異確定各帶臨界點,進而得出 “三帶”的確切高度,最終可以較為精確地得到上覆巖層破壞后各帶的厚度比,可以為同類型工作面頂板管理提供參考。
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