徐　磊，李希建，田　波，周栓柱，丁飛飛，馬占國，汪子鴻

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學(xué)瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州 貴陽 550025；4.貴州五輪山煤業(yè)有限公司，貴州 納雍 553309)

“Point-area”combinedwiththeobservationofroof“threezones”technologyapplicationresearch

XU Lei1,2,3,LI Xijian1,2,3,TIAN Bo4,ZHOU Shuanzhu4,DING Feifei1,2,3,MA Zhanguo4,WANG Zihong4

(1.Mining College，Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Engineering Center for Safe Mining Technology Under Complex Geologic Condition,Guiyang 550025,China;3.Gas Hazard Prevention and Coalbed Methane Development Research Institute;Guizhou University,Guiyang 550025,China;4.Guizhou Wulun Mountain Coal Co.，Ltd.，Nayong 553309,China)

Abstract:According to the trend of the development of “three zones” observed technology,in combination with the practical situation of five rounds mountain coal mine 1805 face,put forward the “point line-the area” combined with the observation of roof “three zones” technology.By empirical calculation method,borehole imaging method,network parallel electrical method and comprehensive analysis of 1805 working face roof key stratum “three zones” development pattern carries on the observation and analysis,using YTJ-20 layers detection data recorder for static point line observation,and WBD-type I network parallel electrical instrument for dynamic observation,and mutual authentication observation results of the analysis.Observation analysis to determine 8 coal roof of 1805 face caving zone development height is 7-9 m,fracture zone height of 30-37 m,bending subsidence zone height is more than 37 m.Field observation and theoretical analysis,the combination of point,line and regional observations,and combined to enhance the reliability of observations.

Keywords：roof “three zones”;point line-the area;borehole imaging method;the network parallel electrical method;caving zone;fissure zone

0　引　言

煤層頂板“三帶”發(fā)育情況是確定頂板瓦斯抽采方法的合理參數(shù)和鄰近煤層瓦斯的風(fēng)險(xiǎn)性的主要因素之一。

確定煤層頂板的冒落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶，有利于合理抽采方法的選擇與抽采效果的優(yōu)化。目前，國內(nèi)外對頂板“三帶”觀測與分析方法主要有地面鉆探法、地震勘探法、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法、鉆孔注氣法、鉆孔瓦斯流量法、鉆孔返水計(jì)量法、網(wǎng)絡(luò)并行電法、超聲波測試法、數(shù)值模擬法、物理模擬法、鉆孔攝像法、關(guān)鍵層綜合分析法等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，方法的選擇根據(jù)觀測條件、觀測要求和儀器設(shè)備來進(jìn)行[1-6]。其中鉆孔攝像法可以立體的全面的觀測到真實(shí)巖層破壞情況，能給人一種直觀、準(zhǔn)確的判斷“三帶”發(fā)育高度的方法，且操作簡單、便捷[7]。網(wǎng)絡(luò)并行電法通過電位測定反演采動(dòng)裂隙發(fā)育情況[8]，可清楚地反映探測區(qū)域的自然電位、一次供電場電位的變化情況，采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)的高密度電法儀大大提高。

觀測方法的選擇決定了觀測效果及精確程度，通過對現(xiàn)有方法的結(jié)合使用，使觀測結(jié)果達(dá)到相互印證，提高觀測精確度，提出了針對性的措施和方案。

1　“點(diǎn)線-區(qū)域”觀測方法

本文采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法初步得到“三帶”發(fā)育參數(shù)，并作為鉆孔參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)[9]。采用網(wǎng)絡(luò)并行電法、鉆孔攝像法實(shí)測“三帶”發(fā)育參數(shù)，并對經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。采用關(guān)鍵層綜合分析法分析頂板巖層移動(dòng)與破壞的演化規(guī)律，并從理論上分析“三帶”實(shí)測結(jié)果是否滿足理論規(guī)律。

1.1　經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法

過往研究中，應(yīng)用巖石力學(xué)、采礦學(xué)和數(shù)學(xué)分析的理論，針對不同傾斜度、堅(jiān)硬程度煤層頂板的“三帶”劃分總結(jié)出了一般經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。從傾斜度上可分為緩傾斜(0～35°)、中傾斜(36～54°)，從開采方式上分為開采單一煤層、分層開采等。使用時(shí)需結(jié)合現(xiàn)場情況選取恰當(dāng)公式。采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算煤層頂板“三帶”結(jié)果不精確，不能作為真實(shí)數(shù)據(jù)使用，常作為鉆孔設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)。

1.2　鉆孔攝像法

井下鉆孔攝像觀測法通過具有防爆功能的視頻錄制系統(tǒng)，在鉆孔內(nèi)放置攝像頭錄制鉆孔內(nèi)的形態(tài)，錄制的內(nèi)容在地面媒體設(shè)備上可以觀測研究。根據(jù)錄制的圖像，可以看到鉆孔內(nèi)巖性、裂隙、空洞、軟弱夾層等現(xiàn)象，進(jìn)而分析上覆巖層的破壞情況，為確定裂隙發(fā)育高度提供依據(jù)[10-14]。

本文使用YTJ-20型巖層探測記錄儀，該設(shè)備由探測裝置、電腦裝置、電纜裝置、支撐裝置四部分組成。微型攝像頭通過探測鉆孔，將鉆孔內(nèi)巖(煤)體的實(shí)時(shí)狀況攝錄，再經(jīng)由電纜把信號傳輸?shù)斤@示器，在實(shí)時(shí)顯示孔內(nèi)情況的同時(shí)，將觀測數(shù)據(jù)儲存到主機(jī)中，后期處理可用計(jì)算機(jī)對觀測數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析處理，更加準(zhǔn)確的揭示了井下工程圍巖狀態(tài)。

1.3　網(wǎng)絡(luò)并行電法

試驗(yàn)采用WBD-1型網(wǎng)絡(luò)電法儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以全程把握采動(dòng)前、采動(dòng)中和采動(dòng)后巖層破壞發(fā)育規(guī)律[15-17]。因此，動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)具有布置早、觀測周期長的特點(diǎn)，布置示意圖見圖1。

圖1　動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖(沿走向)

井下觀測系統(tǒng)以頂板鉆孔為基礎(chǔ)，井下鉆孔布置在風(fēng)巷或機(jī)巷頂板中。鉆孔布置方向與工作面推進(jìn)方向一致，并指向工作面內(nèi)，鉆孔設(shè)計(jì)為仰角，傾角40～60°，水平方位角0～90°。孔深根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法所得最大裂隙帶高度設(shè)計(jì)。

1.4　關(guān)鍵層綜合分析法

煤層開采后，回采工作面上覆巖層采動(dòng)裂隙的發(fā)育狀態(tài)主要取決于關(guān)鍵層破斷后形成的砌體梁結(jié)構(gòu)及其破斷失穩(wěn)的狀態(tài)[18]。而上覆巖層由于移動(dòng)破壞所形成的不同裂隙分布，主要是由亞關(guān)鍵層與關(guān)鍵層之間，亞關(guān)鍵層相互之間不協(xié)調(diào)變形形成的。

采空區(qū)裂隙場空間形態(tài)主要受覆巖巖性、破壞狀態(tài)、受力狀態(tài)及其采空區(qū)周邊的支護(hù)條件影響。在垂直于煤層的剖面上，可以看作近似于裂隙發(fā)育的梯形臺，內(nèi)外梯形臺之間裂隙較為發(fā)育，在平行于煤層剖面上，可用近似“回”形圈或“O”形圈來描述[19-20]。

煤層頂板的主關(guān)鍵層決定了頂板的移動(dòng)規(guī)律及其工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。工作面的冒落帶高度主要取決于頂板主關(guān)鍵層與煤層距離。其剖面圖如圖2和圖3所示。

圖2　采動(dòng)裂隙帶走向剖面形態(tài)示意圖

圖3　采動(dòng)裂隙帶傾向剖面形態(tài)示意圖

2　觀測實(shí)例

2016年10月至2017年1月，在貴州省畢節(jié)市納雍縣五輪山煤業(yè)有限公司1805工作面運(yùn)順里5#鉆場、1#鉆場進(jìn)行了頂板“三帶”觀測工作。

該工作面所采煤層為8#煤，煤層厚度平均為1.8 m，內(nèi)生裂隙發(fā)育，沉積較穩(wěn)定，煤層普氏硬度f=2～4， 煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.9。老頂為灰色細(xì)砂巖，平均厚度4.07 m，薄至中厚層狀，平行層理，脈狀層理，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，下部巖石較完整，較硬。直接頂為灰黑色泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度3.06 m，層理發(fā)育，分布于切眼至486 m，普氏硬度f=5～6。偽頂為黑灰色條帶狀灰質(zhì)泥巖，平均厚度0.1 m，質(zhì)軟，局部不發(fā)育，普氏硬度f=3～5。

2.1　“三帶”預(yù)計(jì)高度計(jì)算

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，1805運(yùn)輸順槽煤層平均厚度為1.55 m，冒落巖石碎脹系數(shù)取1.2，平均煤層傾角10°，頂板巖石普氏硬度2～4，屬緩傾斜中硬巖層。針對其頂板巖層性質(zhì)，選取式(1)計(jì)算冒落帶高度,式(2)計(jì)算裂隙帶高度。

(1)

式中：Hm為沿煤層法線方向的冒落帶高度，m；M為煤層開采厚度，m；W為冒落過程中頂板的下沉值，m；K為冒落巖石碎脹系數(shù)；α為煤層傾角。

(2)

式中，Hx為沿煤層法線方向的裂隙帶高度，m。

計(jì)算得出冒落帶高度最大值為9.13 m，裂隙帶最大高度為36.8 m。

2.2　鉆孔攝像法觀測

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法得出冒落帶、裂隙帶預(yù)測高度，現(xiàn)場布置觀測鉆孔3個(gè)，其中1#鉆孔設(shè)計(jì)仰角43°，長度70 m，用于觀測裂隙帶。2#鉆孔設(shè)計(jì)仰角25°，長度40 m，觀測冒落帶，3#鉆孔為備用鉆孔，當(dāng)2#鉆孔提前進(jìn)入冒落帶時(shí)使用。施工時(shí)，考慮到長鉆孔偏移量，將1#鉆孔設(shè)計(jì)仰角抬高2°，2#鉆孔抬高1°。在分析觀測結(jié)果時(shí)，考慮到連接攝像頭的支撐桿在長度增大的情況下發(fā)生彎曲的情況以及攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)和現(xiàn)場施工誤差的因素，在計(jì)算垂高時(shí)采用積分思想，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分步計(jì)算求和的方式，以1 m位計(jì)算單位，分別以當(dāng)前角度計(jì)算垂高，通過數(shù)據(jù)求和得到最終結(jié)果。觀測結(jié)果如圖4～6所示。

圖4　1#鉆孔裂隙發(fā)育區(qū)(55 m)

圖5　2#鉆孔冒落區(qū)(20 m)

圖6　3#鉆孔冒落區(qū)(14.7 m)

現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，1#鉆孔在深度為55～68 m、垂高29.4～36.4 m處,裂隙比較密集；深度68～70 m、垂高37～38 m處裂隙減少。2#鉆孔在深度為25 m、垂高為 6.7 m 處進(jìn)入冒落帶。3#鉆孔在深度為19 m、垂高7.7 m處進(jìn)入冒落帶。

2.3　網(wǎng)絡(luò)并行電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測

現(xiàn)場布置2個(gè)探測孔。1#探測孔為仰角孔，鉆孔實(shí)際仰角為64°，與巷道之間夾角為60°，偏向工作面內(nèi)一側(cè)。鉆孔中擬布置64個(gè)電極，電極間距為1.0 m，尾極距孔口1.5 m，監(jiān)測控制區(qū)域?yàn)?煤和鉆孔所構(gòu)成的三角形區(qū)域，主要用于控制煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度，實(shí)際控制范圍為沿巷道方向平距為16.5 m，控制垂高為58 m。2#鉆孔與1#鉆孔處于同一開孔位置，仰角為34°，與巷道之間夾角60°，偏向工作面內(nèi)一側(cè)，孔內(nèi)布置電極數(shù)32個(gè)，電極間距1.0 m，尾極距離孔口3.5 m，主要用于觀測煤層頂板冒落帶高度，其控制范圍為沿巷道方向平距14.3 m，控制垂高19.5 m。具體鉆孔控制范圍及地質(zhì)剖面見圖7。

圖7　電法探測孔所在范圍地質(zhì)剖面圖

1805工作面1#鉆孔和2#鉆孔測試系統(tǒng)于2016年12月28日安裝完畢，2016年12月28日第一次進(jìn)行孔中電法數(shù)據(jù)采集，截至2017年1月6日，工作面回采過孔口6.3 m完成最后一次采集。表1為1#鉆孔和2#鉆孔的回采退尺與測試時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，目的是通過與回采進(jìn)度數(shù)據(jù)相結(jié)合，可進(jìn)一步分析采動(dòng)超前壓力等基本特征?，F(xiàn)場單孔每天實(shí)際采集數(shù)據(jù)為3組，其中AM數(shù)據(jù)2組，ABM數(shù)據(jù)1組，目的是加強(qiáng)對數(shù)據(jù)采集有效性的驗(yàn)證。

根據(jù)覆巖破壞電阻率值典型特征，結(jié)合區(qū)域基本地質(zhì)條件，分析認(rèn)為不同時(shí)期該煤層開采破壞特征。分析可知：冒落帶高度范圍為7.1～ 8.7 m，該段巖層電阻率值變化不均勻，總體達(dá)到1 000 Ω·m以上，為破壞區(qū)，參考1805工作面回采實(shí)測剖面的采高平均約為1.55 m，計(jì)算得出監(jiān)測孔范圍內(nèi)1805工作面運(yùn)輸順槽的裂采比范圍為4.0～4.8；裂隙帶高度范圍為32.1～35.8 m，該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達(dá)到1 000 Ω·m以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導(dǎo)通區(qū)，局部巖層電阻率值在500 Ω·m以下，其電阻率值顯著增加但未表現(xiàn)出破壞特征；頂板巖層35.8 m以上段巖層電阻率值未見普遍的上升或下降，相對穩(wěn)定，其為彎曲下沉帶特點(diǎn)。

表1　監(jiān)測孔電法數(shù)據(jù)采集情況表

2.4　關(guān)鍵層綜合分析

8#煤層頂板為2.56 m粉砂質(zhì)泥巖、5.21 m泥質(zhì)粉砂巖、8.07 m細(xì)砂巖、1.24 m粉砂質(zhì)泥巖、1.80 m粉砂巖、0.85 m粉砂質(zhì)泥巖、5.68 m粉砂巖、0.96 m泥巖，由于1805工作面上覆巖層相對較軟，8.07 m細(xì)砂巖形成了主關(guān)鍵層，控制8#煤層的頂板移動(dòng)規(guī)律，及1805工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，但8.07 m細(xì)砂巖層離8#煤層很近，僅為7.77 m，為8#煤層采高4.8倍，所以細(xì)砂巖關(guān)鍵層下覆巖層基本上屬冒落帶。1805工作面采空區(qū)冒落帶高度主要受8.07 m細(xì)砂巖層控制，也就是說1805工作面采空區(qū)冒落帶高度多少取決于頂板細(xì)砂巖層離8#煤層的距離?；夭蛇^程中關(guān)鍵層破斷，建立8#煤采空區(qū)與鄰近層6-3煤層的瓦斯涌出通道，6-3煤層瓦斯大量涌入1805工作面采空區(qū)。

3　實(shí)測結(jié)果與分析

試驗(yàn)以五輪山煤礦1805工作面為研究對象，采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法計(jì)算工作面頂板“三帶”發(fā)育高度，采用鉆孔攝影法、網(wǎng)絡(luò)并行電法進(jìn)行“點(diǎn)線與區(qū)域”觀測“三帶”發(fā)育情況，采用關(guān)鍵層綜合分析法對采場上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析，得到如下主要結(jié)論：①采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法計(jì)算了工作面頂板“三帶”發(fā)育高度，冒落帶高度最大值為9.13 m，裂隙帶最大高度為36.8 m;②綜合分析布置在1805運(yùn)順3個(gè)觀測孔的鉆孔攝像結(jié)果，垂高29.4～37 m為裂隙帶，裂隙帶最大高度37 m，垂高7.7 m進(jìn)入冒落帶;③綜合分析網(wǎng)絡(luò)并行電法結(jié)果，可以看出隨著工作面的不斷推進(jìn)監(jiān)測區(qū)內(nèi)的巖體變形破壞階段性明顯，可分為階段Ⅰ、階段Ⅱ、階段Ⅲ、階段Ⅳ。

階段Ⅰ(回采位置距孔口10 m以前)，該期間回采位置處于監(jiān)測區(qū)，覆巖變形破壞不明顯，整體處于相對穩(wěn)定階段。

階段Ⅱ(回采位置距孔口10 m推進(jìn)至距孔口3 m)為覆巖彎曲變形及離層階段，變形主要發(fā)生在軟巖層或原生裂隙較發(fā)育的砂巖層。

階段Ⅲ(面回采位置從距孔口3 m推進(jìn)至距孔口0 m)，該階段為巖體破壞階段，監(jiān)測區(qū)內(nèi)的巖體發(fā)生了較大變形和位移，破壞了巖體的結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生了大范圍的裂隙區(qū)，局部區(qū)域巖體開始垮落。

階段Ⅳ(回采位置通過孔口-1 m以后)，該階段巖體大部分位于工作面老空區(qū)上方，應(yīng)力集中區(qū)對巖體破壞作用最強(qiáng)，變形破壞作用繼續(xù)增強(qiáng)，裂縫帶進(jìn)一步發(fā)育，底部巖體失穩(wěn)垮落。

冒落帶高度范圍為7.1～8.7 m，監(jiān)測孔范圍內(nèi)1805工作面運(yùn)輸順槽的裂采比范圍為4.0～4.8；采動(dòng)裂隙帶高度范圍為32.1～35.8 m，監(jiān)測孔范圍內(nèi)1805工作面運(yùn)輸順槽的裂采比范圍為17.8～19.9；頂板巖層35.8 m以上段巖層為彎曲下沉帶。

綜合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法、鉆孔攝影法與網(wǎng)絡(luò)并行電法現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，利用關(guān)鍵層綜合分析法分析得出如下結(jié)論：①8#煤層頂板巖性較軟，且上部有6-4上、6-4下、6-3煤層，導(dǎo)致冒落帶與裂隙帶發(fā)育相對較小;②1805工作面上覆巖層相對較軟，沒有巖層形成起決定性作用的主關(guān)鍵層，8.07 m細(xì)砂巖形成了主關(guān)鍵層，決定1805采空區(qū)冒落帶高度;③1805工作面走向長485.0 m，傾斜長140.6～150.1 m，為典型的走向長壁工作面，煤層平均傾角為10°，上部巖層垮落基本呈規(guī)整的“回”形圈或“O”形圈。在回采過程中，采動(dòng)裂隙帶內(nèi)的瓦斯由于升浮—擴(kuò)散和積聚而形成瓦斯集聚區(qū)，上覆鄰近的6-3煤層、5-3煤層、5-2煤層、5-1煤層瓦斯隨回采通過采動(dòng)裂隙帶涌入1805工作面采空區(qū)，因此瓦斯抽采高位鉆孔應(yīng)盡量布置在8.07 m細(xì)砂巖層上部離層區(qū)內(nèi)。

4　結(jié)　論

研究對薄及中厚且具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的近距離煤層群的首采煤層頂板“三帶”發(fā)育情況進(jìn)行了現(xiàn)場觀測與理論分析，研究對象在貴州省乃至西南地區(qū)具有代表性，研究結(jié)論可指導(dǎo)類似條件礦井的安全高效開采。

1) 在研究方法上，采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、現(xiàn)場觀測、關(guān)鍵層分析相結(jié)合，利用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算進(jìn)行預(yù)測，得出鉆孔參數(shù)后，利用點(diǎn)線觀測的鉆孔攝影法和區(qū)域觀測的網(wǎng)絡(luò)并行電法相互結(jié)合進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)態(tài)觀測，對工作面頂板移動(dòng)與“三帶”發(fā)育的規(guī)律進(jìn)行多角度多方法分析，提高觀測結(jié)果可靠性。

2) 薄及中厚且具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的近距離煤層群的首采煤層頂板冒落帶、裂隙帶發(fā)育受煤系巖性影響，巖性較軟，冒落帶、裂隙帶發(fā)育較小。

3) 該類煤層工作面上覆巖層相對較軟，沒有巖層形成起決定性作用的主關(guān)鍵層，由相對硬度較大巖層承擔(dān)關(guān)鍵層作用，并決定其頂板冒落帶高度。

4) 由于薄及中厚且具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的近距離煤層群大部分屬于工作面長壁工作面，且煤層傾角較小，上部巖層垮落基本呈規(guī)整的“回”形圈或“O”形圈，此時(shí)瓦斯主要來源為中上部鄰近煤層，瓦斯抽采高位鉆孔應(yīng)盡量布置在關(guān)鍵層上部離層區(qū)內(nèi)。