王子升

(國(guó)家能源集團(tuán)神東技術(shù)研究院，陜西 神木 719300)

地下煤層被采出以后，頂板覆巖垮落斷裂，根據(jù)上覆巖層的破斷變形情況，將回采結(jié)束后的上覆巖層分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，垮落帶和裂隙帶統(tǒng)稱(chēng)為導(dǎo)水裂隙帶[1-3]。導(dǎo)水裂隙帶是溝通采空區(qū)與上覆含水層的導(dǎo)水通道，若導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度大于或等于開(kāi)采煤層與頂板含水層的間距，含水層中的水就會(huì)通過(guò)導(dǎo)水裂隙涌入開(kāi)采工作面或巷道，造成煤層突水。因此，準(zhǔn)確確定工作面導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)防止地下水流失及礦井防治水具有重要指導(dǎo)意義。導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育受礦井現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)和技術(shù)條件的綜合影響，影響導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育的因素主要包括煤層埋深、采高、圍巖性質(zhì)、工作面推進(jìn)速度等[4-6]。為了研究導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育程度和規(guī)律，長(zhǎng)期以來(lái)專(zhuān)家學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究和探索。研究導(dǎo)水裂隙帶高度的手段和方法主要有理論分析法[7]、物理實(shí)驗(yàn)法[8]、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法[9]、鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法[10]、物探法[11]、鉆孔電視法[12]以及井下分段注水法[13]等。通過(guò)長(zhǎng)期的研究，眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)深埋工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究有了充分認(rèn)識(shí)，為諸多礦井的安全生產(chǎn)提供了重要保障[15-17]。

隨著我國(guó)東部礦區(qū)煤炭資源開(kāi)采殆盡，煤炭開(kāi)采逐漸往西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，西部礦區(qū)成為新的能源開(kāi)發(fā)重點(diǎn)戰(zhàn)略區(qū)域。不同于東部礦區(qū)的深井開(kāi)采，淺埋厚煤層是西部礦區(qū)工作面開(kāi)采的顯著特點(diǎn)[18-20]。與常規(guī)深井煤層開(kāi)采相比，淺埋煤層的頂板大都為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，少數(shù)為雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，因此淺埋煤層覆巖破斷、垮落規(guī)律存在明顯差異，上覆基巖不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。此外，厚煤層大采高導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤層開(kāi)采后頂板立即發(fā)生冒落，頂板覆巖裂隙發(fā)育明顯。目前，針對(duì)淺埋厚煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響還在探索階段，尚沒(méi)有形成完畢的研究體系。寸草塔二礦31204工作面是典型淺埋厚煤層開(kāi)采工作面，本文綜合采用相似模擬試驗(yàn)、井下分段注水監(jiān)測(cè)以及鉆孔電視觀測(cè)對(duì)31204工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行研究確定。研究成果不僅可以為寸草塔二礦的安全生產(chǎn)提供理論技術(shù)支持，也能為相似淺埋厚煤層工作面的開(kāi)采提供指導(dǎo)借鑒。

1 工程概況

寸草塔二礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，屬于神東礦區(qū)。神東礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，煤層埋深淺且賦存條件優(yōu)越，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，有利于大規(guī)模開(kāi)采。但礦區(qū)地表植被稀少，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，容易受到礦井開(kāi)采影響而發(fā)生破壞。礦區(qū)煤層上覆基巖薄，含水層距淺部主采煤層近，開(kāi)采不當(dāng)便會(huì)造成水資源流失及礦井突水等事故。

寸草塔二礦31204工作面位于2-2煤22115和22117采空區(qū)下方，3-1煤回風(fēng)大巷西北側(cè)，31205綜采工作面西南側(cè)，為3-1煤層二盤(pán)區(qū)第四個(gè)工作面，如圖1所示。工作面地面標(biāo)高1269.5～1331m，底板標(biāo)高1006～958m，煤層厚度為6.35～7.39m，平均煤厚6.87m，工作面采用放頂煤開(kāi)采，是典型淺埋厚煤層開(kāi)采工作面。工作面內(nèi)含水層為侏羅系-白堊系志丹群砂巖裂隙含水層、侏羅系直羅組裂隙含水層、侏羅系延安組裂隙含水層及2-2煤至3-1煤層間基巖裂隙水。若31204工作面開(kāi)采不當(dāng)將導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度高，工作面通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶與含水層溝通，含水層介質(zhì)孔隙完全充滿水分，這些水分沿著導(dǎo)水裂隙帶的裂隙滲入工作面，不僅給工作面生產(chǎn)帶來(lái)突水潰沙的危險(xiǎn)還會(huì)造成地下水流失。因此有必要對(duì)工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律及高度進(jìn)行研究，從而達(dá)到合理控制導(dǎo)水裂隙帶高度的要求，為工作面安全開(kāi)采和地下水保護(hù)提供足夠保障。

圖1 31204工作面布置

2 相似模擬試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)是研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和規(guī)律的有效手段。實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)不僅能預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶的大致高度、確定現(xiàn)場(chǎng)鉆孔的觀測(cè)范圍，而且能直觀動(dòng)態(tài)演示上覆巖層的垮落、破斷和裂隙發(fā)育過(guò)程，揭示淺埋煤層工作面采動(dòng)過(guò)程中的導(dǎo)水裂縫帶的演化規(guī)律。因此，筆者首先采用相似模擬試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育展開(kāi)研究。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

寸草塔二礦工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，參照31204工作面綜合柱狀圖設(shè)計(jì)相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。二維平面試驗(yàn)臺(tái)尺寸為270cm×20cm×300cm(長(zhǎng)×寬×高)，煤層埋深271.47m，設(shè)計(jì)試驗(yàn)幾何相比為1：100，模型最終尺寸為270cm×20cm×280cm(長(zhǎng)×寬×高)。試驗(yàn)選取細(xì)河沙、石膏和碳酸鈣為膠結(jié)材料，云母粉作為分層材料。模型鋪設(shè)完成后，為便于觀察測(cè)量，在模型平面繪制10cm×10cm的網(wǎng)格。在模型兩側(cè)各留20cm邊界煤柱以消除邊界效應(yīng)，工作面每次開(kāi)挖10cm，待覆巖發(fā)育穩(wěn)定后開(kāi)始下一循環(huán)的開(kāi)挖。

圖2 相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

模型開(kāi)挖過(guò)程如圖3所示，頂板覆巖的垮落破斷隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。隨工作面開(kāi)挖，頂板覆巖的發(fā)育變化大致分為三個(gè)階段。

1)階段一：垮落帶發(fā)育階段。受尺寸效應(yīng)影響，工作面開(kāi)挖初期頂板覆巖不發(fā)生變形，但隨著工作面開(kāi)采距離增加，煤層頂板逐漸變形破斷和垮落。工作面推進(jìn)到45m時(shí)，煤層被采出后，頂板下方出現(xiàn)較大空洞，直接頂在自重力的作用下發(fā)生斷裂垮斷，垮落巖塊充滿采空區(qū)，垮落帶高度為16.4m。

2)階段二：導(dǎo)水裂隙帶快速發(fā)育階段。直接頂垮落后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板下方采空區(qū)空洞不斷加大，頂板也隨之繼續(xù)變形垮落。受張拉力影響，工作面后方和煤壁位置首先產(chǎn)生縱向裂隙，其后工作面中部上覆頂板產(chǎn)生橫向裂隙直至離層。當(dāng)工作面推進(jìn)至100m時(shí)，基本頂懸露步距達(dá)到極限，基本頂及其上覆隨動(dòng)層大面積垮落。采空區(qū)上方覆巖形成梁結(jié)構(gòu)，梁邊緣位置的覆巖因受拉形成縱向切落裂隙自下而上發(fā)展，這些試驗(yàn)現(xiàn)象都是典型的“兩帶”特征，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度為22.6m。工作面推進(jìn)至130m時(shí)，頂板覆巖離層裂隙發(fā)育明顯，采空區(qū)垮落巖塊逐漸被壓實(shí)，未垮落巖層彎曲變形明顯。

3)階段三：導(dǎo)水裂隙帶穩(wěn)定階段。隨著工作面開(kāi)挖，采空區(qū)垮落巖石壓實(shí)范圍和壓實(shí)程度均得到明顯發(fā)展，頂板變形垮落速度也逐漸變緩。當(dāng)工作面推進(jìn)至200m時(shí)，頂板離層裂隙基本閉合，也不再有新的切向裂隙產(chǎn)生，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育趨于穩(wěn)定，隨工作面繼續(xù)開(kāi)挖至終采線，導(dǎo)水裂隙帶高度基本不再發(fā)生變化。

工作面全部回采結(jié)束且待覆巖充分發(fā)育穩(wěn)定后，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶的最終形態(tài)呈“梯形”分布，發(fā)育高度約為49.7m。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法很多，但研究發(fā)現(xiàn)鉆孔法是目前觀測(cè)精度最高的方法[21，22]，因此，采用井下分段注水法和鉆孔電視法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

3.1 井下分段注水監(jiān)測(cè)

井下分段注水法現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)不僅要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工和觀測(cè)的便利性，也要保證探測(cè)鉆孔的角度和長(zhǎng)度能穿透頂板導(dǎo)水裂隙帶。根據(jù)寸草塔二礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件，待31204工作面回采結(jié)束頂板覆巖充分發(fā)育穩(wěn)定后，選取31205輔運(yùn)巷中部布置鉆窩對(duì)31204采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行分段注水監(jiān)測(cè)，井下分段注水監(jiān)測(cè)如圖4所示。前述相似模擬試驗(yàn)研究確定的導(dǎo)水裂隙帶高度為49.7m，為充分保證導(dǎo)水裂隙帶的最大發(fā)育高度及考慮施工方便，預(yù)測(cè)實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶高度為60m，即鉆孔垂高不低于60m，最終設(shè)計(jì)鉆孔仰角為45°，鉆孔斜長(zhǎng)85m。

鉆孔注水漏失量變化如圖5所示，31204工作面回采完成覆巖發(fā)育穩(wěn)定后，各層位巖石破壞彎曲狀態(tài)不同，鉆孔注水漏失量也因而表現(xiàn)出差異。鉆孔傾斜長(zhǎng)度29m(垂直高度20.5m)之前的孔段位于區(qū)段煤柱上方，此段巖層不受采動(dòng)影響，無(wú)新生裂隙產(chǎn)生，鉆孔注水僅滲入到覆巖原生裂隙中，因此鉆孔注水漏失量較小，其值均在7L/min以下。鉆孔傾斜長(zhǎng)度大于29.0m后，鉆孔注水漏失明顯，其值普遍較高，最大為25.2L/min，最小為11.3L/min，說(shuō)明頂板覆巖進(jìn)入導(dǎo)水裂隙帶范圍。導(dǎo)水裂隙帶范圍巖層垮落破斷嚴(yán)重，原生裂隙擴(kuò)展發(fā)育，新生裂隙數(shù)量急劇增加，造成了鉆孔注水漏失量的增加。沿著鉆孔傾斜方向繼續(xù)發(fā)展，孔深大于75.0m(垂直高度53.0m)后鉆孔注水漏失量又出現(xiàn)明顯下降，其值與初始煤柱上方孔段大體一致，說(shuō)明此段巖層已穿出導(dǎo)水裂隙帶，巖層不再發(fā)生破壞，完整程度好。由以上分析可知，75m孔深是鉆孔注水漏失量的明顯分界點(diǎn)，因此推斷鉆孔斜深75m以內(nèi)巖層為導(dǎo)水裂隙帶范圍，即導(dǎo)水裂隙帶高度為53.0m。

圖5 鉆孔注水漏失量

3.2 鉆孔電視監(jiān)測(cè)

為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，且遵循一孔多用的原則，鉆孔注水漏失量監(jiān)測(cè)完成后又在同一鉆孔進(jìn)行鉆孔電視監(jiān)測(cè)，鉆孔電視監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出：不同孔深時(shí)鉆孔電視成像結(jié)果表現(xiàn)出明顯的差異性。孔深14.0m(垂直高度9.9m)處位于區(qū)段煤柱上方，不受采動(dòng)影響，鉆孔孔壁光滑完整，無(wú)明顯裂隙出現(xiàn)，僅少量原生裂隙分布。孔深31.0m(垂直高度21.9m)處，鉆孔孔壁粗糙程度顯著增加，層向裂隙發(fā)育明顯，巖石開(kāi)始出現(xiàn)破碎，說(shuō)明此區(qū)段已位于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)。孔深42.0m(垂直高度29.7m)處孔壁坍塌，巖石破碎嚴(yán)重，且觀測(cè)過(guò)程中此位置鉆孔電視探頭被破碎巖石卡住，說(shuō)明巖石垮落嚴(yán)重，此段巖層仍處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)?？咨畲笥?9.0m(垂直高度48.8m)后，鉆孔孔壁又逐漸趨于完整，不再有明顯破碎和裂隙出現(xiàn)，說(shuō)明自孔深大于69m后頂板覆巖已穿出導(dǎo)水裂隙帶范圍。由此判斷，導(dǎo)水裂隙帶為孔深69.0m以內(nèi)的巖層范圍，即導(dǎo)水裂隙帶為煤層上方48.8m的垂直巖層范圍。

圖6 鉆孔電視監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3 導(dǎo)水裂隙帶高度綜合分析

從研究數(shù)據(jù)來(lái)看，實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)得到寸草塔二礦31204工作面導(dǎo)水裂隙帶高度為49.7m，井下分段注水法與鉆孔電視法現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果分別為53.0m和48.8m，最大研究結(jié)果與最小研究結(jié)果誤差值僅為7.9%，說(shuō)明了研究結(jié)果的可靠性。

從操作實(shí)用性來(lái)看，實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)研究成本低且研究周期短，但實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)不可避免地會(huì)忽略很多現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)和生產(chǎn)因素，從而對(duì)研究結(jié)果造成偏差。井下分段注水法對(duì)鉆孔兩端的封堵要求高，若封堵效果不好也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成偏差。此外，井下分段注水法不能直觀呈現(xiàn)頂板覆巖的發(fā)育形態(tài)且成本較高。鉆孔電視法對(duì)觀測(cè)地點(diǎn)要求低，且操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性高，能將頂板覆巖的發(fā)育形態(tài)以圖片的形式直接呈現(xiàn)出來(lái)?？梢?jiàn)，鉆孔電視法是最簡(jiǎn)便有效的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段。

4 結(jié) 論

1)采用相似模擬試驗(yàn)對(duì)淺埋厚煤層工作面的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及高度進(jìn)行了初步預(yù)測(cè)，研究表明導(dǎo)水裂隙帶隨工作面的推進(jìn)呈動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，其最后發(fā)育形態(tài)為不規(guī)則的“梯形”。

2)采用井下分段注水法與鉆孔電視法對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，不同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方式得到結(jié)果相近，但不同實(shí)測(cè)方式的操作性和適用性存在差異。

3)淺埋厚煤層工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律不同于常規(guī)深埋工作面，為保證工作面安全生產(chǎn)，應(yīng)提前對(duì)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。