李正杰 黃 銳 王業(yè)征 梁開(kāi)宇

(1. 天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013； 2. 煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3. 內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)有限公司紅慶河煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000)

煤層開(kāi)采后上覆巖層中形成的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶簡(jiǎn)稱為“三帶”，其發(fā)育特征和覆巖性質(zhì)、煤層傾角、煤層厚度、采面布置、采煤方法、頂板管理以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。垮落帶是巖層破斷后的巖塊呈不規(guī)則垮落，排列極不整齊，碎脹系數(shù)比較大，一般達(dá)到1.1～1.5，其最大高度一般是由工作面煤層頂板特有的巖性組合及巖石物理力學(xué)性質(zhì)決定的?？迓鋷Ц叨鹊拇_定是了解“三帶”分布范圍的關(guān)鍵，是合理設(shè)計(jì)頂板高抽巖巷的布置層位和高抽鉆孔的終孔層位的前提，并直接決定了工作面礦壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度。裂隙帶是巖層破斷后，巖塊仍然排列整齊的區(qū)域，碎脹系數(shù)較小，和垮落帶一起通常被稱為導(dǎo)水裂隙帶。研究覆巖“三帶”發(fā)育特征對(duì)指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

當(dāng)前我國(guó)煤礦主要采用的覆巖“三帶”測(cè)試方法包括井下仰孔測(cè)漏法、微震監(jiān)測(cè)、電法測(cè)試等，其中，井下仰孔測(cè)漏法原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用成熟，測(cè)試精度高，測(cè)試費(fèi)用相對(duì)較低，而微震監(jiān)測(cè)和電法監(jiān)測(cè)測(cè)試程序繁瑣，數(shù)據(jù)誤差偏大，費(fèi)用相對(duì)較高。井下仰孔測(cè)漏法作為一種傳統(tǒng)、可靠的上覆巖層裂隙發(fā)育高度的確定方法，其實(shí)質(zhì)是在井下工作面的外圍巷道或硐室中，向工作面斜上方打小口徑仰斜鉆孔，超過(guò)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶頂界一定的高度，采用膠囊對(duì)鉆孔進(jìn)行逐段封隔注水，測(cè)定各孔段的漏失量，以此探測(cè)確定覆巖破壞高度；其原理是覆巖“三帶”的破壞程度與其透水性存在著顯著差異，即垮落帶水的漏失量大，裂隙帶水的流失量次于垮落帶，彎曲下沉帶水的流失量很低。

本文以紅慶河煤礦大采高工作面為背景，基于改進(jìn)型封隔器測(cè)試覆巖“三帶”發(fā)育高度，為工作面頂板管理和出水防治工作提供基礎(chǔ)參數(shù)和依據(jù)。

1 試驗(yàn)工作面條件

紅慶河煤礦位于東勝煤田新街礦區(qū)，當(dāng)前開(kāi)采侏羅系中下統(tǒng)延安組3-1煤層，該煤層可采厚度0.80～8.45 m，平均厚度6.14 m，可采面積181.06 km2，賦存深度583.55～861.90 m，平均718.60 m。該煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般不含夾矸，煤層頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖、泥巖。紅慶河煤礦瓦斯含量低，煤塵具有爆炸性，3-1煤層自燃傾向性為Ⅰ級(jí)(容易自燃)，煤層開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生過(guò)沖擊事件。

3-1401工作面為礦井北翼首個(gè)大采高綜采工作面，工作面可采走向長(zhǎng)度2942 m，傾斜長(zhǎng)度241 m，煤層傾角1°～3°。工作面采用“兩進(jìn)一回”布置方式，共布置3條巷道，分別為3-1401工作面回風(fēng)平巷、3-1401工作面運(yùn)輸平巷以及3-1402工作面輔運(yùn)平巷，運(yùn)輸平巷與輔運(yùn)平巷凈煤柱寬度為40 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，3-1煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為23.88～40.81 MPa，平均29.56 MPa，煤層中硬以上。直接頂砂質(zhì)泥巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為24.70 MPa，基本頂中粒砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為21.85 MPa，直接頂和基本頂頂板整體性較好，但強(qiáng)度不大。

2 “三帶”測(cè)試方案

2.1 “三帶”觀測(cè)孔位置確定

采用井下鉆孔漏失量法實(shí)測(cè)3-1401工作面采空區(qū)上覆巖層“三帶”，從鉆孔參數(shù)取值合理性以及鉆機(jī)施工便利考慮，測(cè)試地點(diǎn)選擇3-1401工作面運(yùn)輸平巷1100 m聯(lián)巷內(nèi)，如圖1所示，初次測(cè)試時(shí)距離工作面約500 m，保證頂板不受超前支承壓力影響。

圖1 井下鉆孔施工位置示意圖

2.2 鉆孔參數(shù)確定

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

根據(jù)類似開(kāi)采條件大采高綜采工作面冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度擬合公式進(jìn)行計(jì)算。其中，冒落帶高度計(jì)算公式如下：

y冒=-27.29x2+337.305x-1005.623(1)

式中：y冒——冒落帶高度，m；

x——采高，m。

導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式如下：

y導(dǎo)=-222.41x2+2609.05x-7538.7(2)

式中：y導(dǎo)——導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

紅慶河煤礦3-1401工作面煤層厚度平均6.23 m，代入上述公式，得出y冒=36.6 m，y導(dǎo)=83.3 m。由此，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為83.3 m。

2.2.2 裂采比估算法

根據(jù)上覆巖層巖性和周期來(lái)壓判斷，本礦井的頂板屬于中等堅(jiān)硬—偏軟類型，頂板“兩帶”發(fā)育高度估計(jì)12～15倍的采高(煤層開(kāi)采高度按照全回采率的6.23 m計(jì)算)，加上礦區(qū)內(nèi)煤層近水平分布(煤層傾角1°～3°)，故得出“兩帶”的發(fā)育高度約為95 m。

根據(jù)以上兩種計(jì)算方法，初步判斷紅慶河煤礦3-1401工作面回采后，其導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度約95 m。由此，實(shí)測(cè)鉆孔的垂直高度應(yīng)不低于95 m。

2.2.3 鉆孔施工參數(shù)

基于上述“兩帶”高度分析與計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)共施工3組鉆孔，1號(hào)鉆孔為對(duì)比孔，2號(hào)、3號(hào)鉆孔為觀測(cè)孔，具體參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔平剖面如圖2所示。

表1 井下仰斜鉆孔施工參數(shù)

圖2 井下仰斜鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

2.3 改進(jìn)型封隔器

以往井下仰孔測(cè)漏法所采用的雙端膠囊封孔器與鉆桿是獨(dú)立的進(jìn)水系統(tǒng)，即兩路進(jìn)水系統(tǒng)，一路用于膠囊膨脹封堵，一路用于封堵段進(jìn)水測(cè)漏。為了簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)封隔器進(jìn)行改進(jìn)，在兩膠囊之間增加定壓閥，定壓閥壓力可調(diào)，利用膠囊膨脹壓力與定壓閥開(kāi)啟壓力之間的壓差，一趟進(jìn)水系統(tǒng)即可同步完成封孔、測(cè)漏。封隔器實(shí)物如圖3所示。

3 測(cè)試過(guò)程

3.1 管路連接

用高壓膠管將3 MPa靜壓水源與壓力表、流量計(jì)、水變、鉆桿串聯(lián)，連接處用生膠帶纏繞3～5圈，增加密封性以防漏水；壓力表和流量計(jì)相鄰串接，兩側(cè)各用一個(gè)球形閥門連接，以控制水量和水壓，如圖4所示，并采用人工控制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)球形閥門進(jìn)行穩(wěn)壓；封隔器通過(guò)加工的變頭與鉆桿相連，接頭處用生膠帶纏繞密封。

圖3 封隔器

圖4 壓力表與流量計(jì)串接

3.2 調(diào)定封隔器出水壓力

封隔器膠囊膨脹壓力0.4 MPa。通過(guò)控制螺絲扣松緊，微調(diào)出水壓力，調(diào)節(jié)定壓閥出水壓力1.2 MPa。

3.3 密封檢查

啟動(dòng)鉆機(jī)將鉆桿緩慢送入鉆孔0～3 m測(cè)段，以封隔器與鉆桿的接頭正對(duì)孔口為準(zhǔn)。緩慢打開(kāi)高壓水源進(jìn)水管路閥門，調(diào)節(jié)球形閥門，使進(jìn)水壓力升至0.5 MPa，此時(shí)封隔器雙端膠囊起脹，關(guān)閉進(jìn)水端球形閥門，保持10 min，觀察壓力表壓力值是否下降和孔內(nèi)是否有水流或滴水現(xiàn)象。若壓力不降低、孔內(nèi)無(wú)流水，表明系統(tǒng)封閉嚴(yán)密。操縱注水操作臺(tái)，繼續(xù)開(kāi)啟高壓水源管路閥門，使壓力升至1.2 MPa，關(guān)閉進(jìn)水端球形閥門，保持10 min，若壓力不降低、孔內(nèi)無(wú)流水，表明系統(tǒng)密封良好。檢查完畢后，打開(kāi)卸壓閥卸壓，開(kāi)始測(cè)試。

3.4 分段注水觀測(cè)

(1)封孔與注水：緩慢開(kāi)啟進(jìn)水閥門，當(dāng)水壓升至0.4 MPa完成孔段封堵；繼續(xù)保持進(jìn)水，使壓力達(dá)到定壓閥開(kāi)啟值，封孔段開(kāi)始出水(為克服靜水壓力，保證封隔器出水壓力始終保持在1.2 MPa，鉆孔垂高每升高10 m，進(jìn)水壓力增加0.1 MPa)。

(2)流量觀測(cè)：觀察壓力表和流量計(jì)變化，等待封孔段注水滿孔，調(diào)節(jié)前后球形閥門，使進(jìn)水壓力保持穩(wěn)定；用秒表計(jì)時(shí)，每隔3 min記錄相應(yīng)的水流量和總注水量。

(3)解除封孔：?jiǎn)味螠y(cè)試完成后，打開(kāi)卸壓閥，孔內(nèi)膠囊卸壓收縮，封孔段濁水流出。

(4)推移鉆桿：開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)，續(xù)接2根鉆桿，將鉆桿內(nèi)推3 m。續(xù)接鉆桿時(shí)，用生膠帶纏繞鉆桿接頭處使其密封。

重復(fù)上述步驟，繼續(xù)進(jìn)行堵孔注水觀測(cè)，直至全孔觀測(cè)完畢。

4 測(cè)試結(jié)果分析與驗(yàn)證

4.1 測(cè)試結(jié)果分析

1號(hào)對(duì)比孔超前工作面約500 m開(kāi)始測(cè)試，實(shí)際測(cè)試深度168 m，垂高119 m，連續(xù)測(cè)試周期為4 d。2號(hào)、3號(hào)觀測(cè)孔在工作面推過(guò)測(cè)試地點(diǎn)2個(gè)月、采空區(qū)后方約400 m進(jìn)行測(cè)試，確保采空區(qū)上覆巖層充分活動(dòng)。2號(hào)觀測(cè)孔實(shí)測(cè)深度177.2 m，實(shí)測(cè)垂高115 m；3號(hào)觀測(cè)孔實(shí)測(cè)深度180 m，實(shí)測(cè)垂高117 m。測(cè)試得出3個(gè)鉆孔相對(duì)漏失量曲線如圖5所示。

由圖5可知，冒落帶基本以0.3～0.7 m3為分界區(qū)間，裂隙帶以0.1～0.3 m3為分界區(qū)間，彎曲下沉帶下部以小于0.1 m3為分界區(qū)間。由2號(hào)觀測(cè)孔判斷，冒落帶最大發(fā)育高度為42.4 m，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為101.8 m；由3號(hào)觀測(cè)孔判斷，冒落帶最大發(fā)育高度為44.5 m，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為110.3 m。因此，在實(shí)際采高為6 m時(shí)，冒落帶高度為42.4～44.5 m，平均43.5 m，冒采比7.25；導(dǎo)水裂隙帶高度為101.8～110.3 m，平均106.1 m，裂采比為17.7。

“三帶”發(fā)育高度分布見(jiàn)表2，由表2可知，冒落帶大約發(fā)育至直羅組平均厚度為16.82 m的粗粒砂巖層位，裂隙帶大約發(fā)育至直羅組平均厚度為8.47 m的粉砂巖層位，安定組及以上巖層為彎曲下沉帶。

圖5 觀測(cè)孔不同層位相對(duì)漏失量

地層平均層厚/m巖石名稱“三帶”分布安定組J2a37.46砂質(zhì)泥巖彎曲下沉帶直羅組J2z延安組J1-2y3延安組J1-2y28.47粉砂巖54.50中粒砂巖16.82粗粒砂巖4.49中粒砂巖1.72粗礫巖19.76粉砂巖—砂質(zhì)泥巖6.233-1煤16.76砂質(zhì)泥巖裂隙帶冒落帶

4.2 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

根據(jù)紅慶河煤礦3-1401工作面礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，工作面來(lái)壓時(shí)支架壓力平均14600 kN，支架中心距1.75 m，控頂距為5.391～6.256 m，頂板巖石容重按25 kN/m3計(jì)算，動(dòng)載系數(shù)取1.25，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算得出工作面支架承載的垮落巖層高度約為42.7～49.5 m，與實(shí)測(cè)冒落帶高度43.5 m吻合。

納林河二號(hào)井與紅慶河煤礦地理位置相近，開(kāi)采條件類似，同采3-1煤層，埋深544 m，“三帶”測(cè)試點(diǎn)開(kāi)采厚度約6 m，31101首采工作面長(zhǎng)度240 m。該礦采用了地面鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法和彩色鉆孔電視探測(cè)進(jìn)行“三帶”測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度103.23 m，裂采比為17.21，與紅慶河煤礦導(dǎo)水裂隙帶測(cè)試結(jié)果相近，說(shuō)明此次測(cè)試結(jié)論可信度較高。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)改進(jìn)封隔器對(duì)紅慶河煤礦北翼3-1煤層進(jìn)行了井下仰孔漏失量測(cè)試，實(shí)測(cè)了大采高工作面覆巖“三帶”發(fā)育高度，得出采高6 m時(shí)冒落帶高度平均43.5 m，冒采比7.25；導(dǎo)水裂隙帶高度平均106.1 m，裂采比17.7；并通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該測(cè)試結(jié)果的可靠性。

(2)采用改進(jìn)型封隔器實(shí)施井下鉆孔測(cè)漏，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)；在測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)采用高壓鉆桿，以保證測(cè)試系統(tǒng)的密封性和實(shí)測(cè)結(jié)論的可靠性。