李利軍

(山西焦煤集團(tuán) 介休正益煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

近年來(lái)，對(duì)于煤層底板破壞深度的探測(cè)技術(shù)的研究得到快速發(fā)展，眾多探測(cè)技術(shù)紛紛運(yùn)用到各礦井工作面實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，獲得了大量實(shí)測(cè)結(jié)果，取得了良好效果，推動(dòng)了底板采動(dòng)破壞機(jī)理相關(guān)研究的發(fā)展。常用的探測(cè)技術(shù)有鉆孔注水法、地球物理探測(cè)法、直流電阻率法、震波CT法、電磁輻射法、超聲波探測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行電法等，這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷[1-3].

以上井下實(shí)測(cè)方法效果較好，但經(jīng)常受井下復(fù)雜條件限制，且經(jīng)濟(jì)成本高，而鉆孔雙端封堵測(cè)漏法適用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)成本不高，操作簡(jiǎn)單，效果良好[4-6]. 某礦3上煤開(kāi)采11308工作面時(shí)采用了鉆孔雙端封堵測(cè)漏法對(duì)底板破壞深度進(jìn)行探測(cè)。

1 礦井地質(zhì)條件

某礦地層屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)。井田走向長(zhǎng)度為5.08～5.71 km，平均為5.61 km，傾斜寬為4.72～8.03 km，平均為6.36 km，開(kāi)采深度為-300～-1 100 m 水平，井田面積為28.64 km2. 帶區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，局部地區(qū)褶曲寬緩發(fā)育，煤層底板小有波動(dòng)，局部變化較大，煤層傾角3°～11°，平均為7.04°，總體呈近水平。由鉆孔資料可知，地層自上而下依次為第四系(Q)、侏羅系(J5 m)、二迭系(P)、石炭系(C5+2)及奧陶系(O1+2). 11308 工作面所開(kāi)采的煤層為二疊系山西組內(nèi)31煤層，其煤層頂、底板巖體性質(zhì)的基本特征見(jiàn)表1.

11308工作面所采煤層平均厚度為1.91 m，埋深960 m左右，煤體賦存相對(duì)穩(wěn)定，其內(nèi)結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單～一般簡(jiǎn)單，單條正斷層SF142，無(wú)溶洞存在，無(wú)小型滑動(dòng)構(gòu)造。31煤層頂板巖性基本為泥巖、中砂巖及粉砂巖，細(xì)砂巖則較薄；底板巖層主要由泥巖和粉細(xì)砂巖組成。直接底泥巖厚度為2.03 m，屬砂質(zhì)泥巖，層理發(fā)育；基本底粉細(xì)砂巖厚4.90 m，碎屑以石英為主，斜層理發(fā)育。

經(jīng)前期開(kāi)采揭露得到的地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)，大小斷層共16條，5條斷層落差大于100 m，6條斷層落差大于50 m小于100 m，2條斷層落差大于30 m小于50 m，3條斷層落差小于30 m. 所測(cè)11308工作面內(nèi)含一條斷層，斷層為落差10 m正斷層。目前未發(fā)現(xiàn)大型斷裂構(gòu)造帶，需要在開(kāi)采過(guò)程中揭露發(fā)現(xiàn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)底板采動(dòng)破壞深度探測(cè)

2.1 底板破裂深度計(jì)算

11308工作面采用的是傾斜長(zhǎng)壁仰采采煤法，地質(zhì)條件適合的采煤工藝為綜合機(jī)械化采煤。3上煤層主要賦存范圍為礦區(qū)西北部，底板巖層直接底為泥巖，基本底為粉砂巖，其厚為0.85～14.36 m，底板巖層中間夾雜著炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，厚度較薄。

表1 由鉆孔數(shù)據(jù)所得的煤層頂?shù)装鍘r性表

根據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，規(guī)程給出關(guān)于底板巖層破壞高度的大小，可由以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：

h1—底板導(dǎo)水破壞深度，m；

H—埋深，m;

L—開(kāi)采工作面斜長(zhǎng)，m；

α—煤層傾角，(°).

該礦3上煤開(kāi)采11308工作面斜長(zhǎng)為120 m，開(kāi)采深度為960 m，煤層傾角近似為7°，為近水平煤層，采用式(1)對(duì)導(dǎo)水破壞深度進(jìn)行計(jì)算。將數(shù)據(jù)代入式(1)，得到該工作面煤層底板巖層采動(dòng)破壞深度：

h1=17.93 m

據(jù)此，在實(shí)際探測(cè)開(kāi)始前，計(jì)劃觀測(cè)鉆孔深度應(yīng)在底板巖層采動(dòng)破壞深度15～24 m，同時(shí)，也要將設(shè)計(jì)觀測(cè)鉆孔深度適當(dāng)?shù)卦龃?，留出一段未破壞巖層的漏失量與巖石破壞段進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 觀測(cè)位置和鉆孔施工

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)概況及探測(cè)技術(shù)條件，在工作面中部布置3個(gè)觀測(cè)鉆孔，方位見(jiàn)圖1，鉆孔俯角分別為155°、20°、25°，其中1#鉆孔為開(kāi)采前觀測(cè)鉆孔，2#、3#鉆孔均為開(kāi)采后觀測(cè)鉆孔。根據(jù)式(1)結(jié)果得出，破壞帶最大深度為17.93 m. 底板鉆孔施工要素及要求見(jiàn)表2，底板巖層鉆孔剖面示意圖見(jiàn)圖1.

表2 鉆孔施工要素表

圖1 底板巖層鉆孔剖面示意圖

1#鉆孔是在工作面尚未回采時(shí)進(jìn)行觀測(cè)的，2#、3#鉆孔均是在工作面開(kāi)采結(jié)束后進(jìn)行觀測(cè)的，3個(gè)鉆孔均位于觀測(cè)巷道，具體施工觀測(cè)流程如下：

3 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果

某礦11308工作面1#、2#、3#三個(gè)鉆孔的具體注水漏失量成果圖見(jiàn)圖2.

基于對(duì)該工作面底板破壞的估計(jì)，淺部未進(jìn)行觀測(cè)，從30 m處開(kāi)始觀測(cè)，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，開(kāi)采結(jié)束后的注水量測(cè)試數(shù)據(jù)比開(kāi)采過(guò)程中以及采前明顯增大，一般地，開(kāi)采后的分段注水量為開(kāi)采前的3～5倍，個(gè)別點(diǎn)甚至更大?？梢?jiàn)，巖體受采動(dòng)影響破壞后的滲透率比原始滲透率要大得多，破壞后巖體滲透率要比破壞前大1～5倍，甚至十幾倍。

圖2 鉆孔注水漏失量觀測(cè)示意圖

3.2 觀測(cè)資料分析

1) 對(duì)于1#采前鉆孔，在鉆孔深度為31～33 m和39～42 m處，漏失量較大，分別為1.7 L/min和2.9 L/min，根據(jù)前后深度漏失量大小和底板巖層性質(zhì)分析，可能是局部原生裂隙發(fā)育或因鉆孔加劇其裂隙擴(kuò)展或工作面開(kāi)采的影響。在孔深43～50 m段，漏水量小于1 L/min，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)巖層完整性良好，原生裂隙發(fā)育不明顯。

2) 對(duì)于2#采后鉆孔，自孔深36～46 m，鉆孔漏水量均超過(guò)10 L/min，出現(xiàn)連續(xù)漏水現(xiàn)象，說(shuō)明該部分巖層裂隙已經(jīng)貫通，受采動(dòng)效應(yīng)影響較嚴(yán)重，底板處于破壞狀態(tài)；在孔深47～50 m附近，鉆孔漏水量在3 L/min左右，比1#采前鉆孔同深度處漏失量稍大，說(shuō)明該區(qū)段巖層也受采動(dòng)影響但是影響程度不大；在孔深51 m附近，鉆孔漏水量又增加，對(duì)比1#鉆孔同深度漏失量也突然增大，推測(cè)該段附近有較發(fā)育的大裂隙；最大漏水量在鉆孔深度45 m左右，漏失量約為16.1 L/min. 由此可計(jì)算，在2#鉆孔中，鉆孔深度45 m處應(yīng)為實(shí)測(cè)底板破壞帶的邊界，由該鉆孔分俯角為20°可得，從煤層頂界到此處的垂高為5.39 m.

3) 對(duì)3#采后鉆孔，自鉆孔深度32～44 m處，鉆孔呈現(xiàn)出連續(xù)漏水狀態(tài)，漏失量為8～15.8 L/min，反映出該段巖層完整性已遭破壞，最大漏失量出現(xiàn)在孔深42 m處，數(shù)值為15.8 L/min；從孔深45～54 m段，鉆孔漏水量呈明顯減少狀態(tài)，為0～2 L/min，但中間在孔深49 m段，出現(xiàn)明顯漏水點(diǎn)，鉆孔漏水量約為8.3 L/min. 由此數(shù)據(jù)可得，在3#采后孔，實(shí)測(cè)底板裂縫帶的上界位于鉆孔深度41 m處，由該鉆孔俯角為25°可計(jì)算，從煤層頂界到此處的垂高為17.6 m.

由以上鉆孔漏失量數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，綜合2#鉆孔和3#鉆孔的數(shù)值，實(shí)測(cè)煤層底板巖層破壞深度最大值為17.6 m.

4 結(jié)果對(duì)比分析

以某礦3上煤11308工作面底板巖層采動(dòng)破壞深度為主要研究對(duì)象，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法進(jìn)行探討，所得結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 方法與結(jié)果對(duì)比分析表

對(duì)于該礦11308工作面底板巖層采動(dòng)破壞深度，理論公式計(jì)算出的破壞深度預(yù)計(jì)值為17.93 m，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)底板巖層破壞深度為17.6 m. 由于經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算上偏保守，為了安全開(kāi)采其取值要比實(shí)際值大。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某礦11308工作面實(shí)際開(kāi)采底板巖層破壞深度進(jìn)行鉆孔注水探測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)運(yùn)用“鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置”對(duì)某礦3上煤11308工作面底板巖層采動(dòng)破壞深度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到該工作面損傷底板巖層破壞深度為17.6 m.

2) 所得結(jié)論是基于具體特定地質(zhì)條件下底板巖層的破壞情況，對(duì)該礦3上煤安全高效開(kāi)采有一定實(shí)際意義。