智國軍，劉 潤，楊瑞剛，曹志國，鞠金峰，趙富強

(1.國能包頭能源有限責任公司 萬利一礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011；3.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008；4.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

萬利一礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)，屬典型的干旱半干旱礦區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱。礦井主采3-1煤和4-2煤，屬于近距離煤層群開采條件；由于煤層埋藏淺、采高大，煤炭開采引起的導(dǎo)水裂隙必然會對區(qū)域水系環(huán)境造成影響，導(dǎo)致地下水流失、地表生態(tài)破壞等[1，2]。因此，開展萬利一礦淺埋煤層群開采條件下的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度研究對于指導(dǎo)礦井科學(xué)實施保水采煤與生態(tài)保護具有重要意義。

有關(guān)東勝及周邊類似礦區(qū)淺埋煤層大采高條件下的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律，已有不少學(xué)者開展研究[3-6]，并取得豐富研究成果。余學(xué)義等[3]結(jié)合力學(xué)模型和相似材料模擬實驗，針對陜北淺埋煤層賦存條件，對比研究了一次采全高和限高留煤柱兩種開采方法對應(yīng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，為保護地表含水層提供了依據(jù)。楊俊哲等[4]綜合采用鉆孔沖洗液漏失法和鉆孔電視觀測相結(jié)合方法，對補連塔煤礦大采高綜采的覆巖“兩帶”高度進行了實測。然而，對于諸如萬利一礦這種煤層群、大采高開采條件的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育，卻較少涉及。雖然《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)程”)中已給出了用于預(yù)計覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的統(tǒng)計經(jīng)驗公式[7]，且該公式也已得到許多工程實踐的驗證，但萬利一礦煤層5m左右的大采高開采條件已超出上述統(tǒng)計經(jīng)驗公式采高3m以內(nèi)的適用條件，直接利用該經(jīng)驗公式進行導(dǎo)水裂隙帶高度的判斷顯然是不合適的。巖層控制的關(guān)鍵層理論的提出為研究掌握采動巖層運動及其引起的裂隙演化規(guī)律提供了重要理論依據(jù)[8，9]，基于這一理論許家林等研究提出了基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計新方法[10，11]；由于其考慮煤層頂板巖層具體賦存情況，因而預(yù)計結(jié)果精度相比“規(guī)程”經(jīng)驗公式明顯提高，并在多個礦井的實際工程實踐中得到驗證。然而，該方法仍然是針對單一煤層開采條件提出。對于萬利一礦這種煤層群開采條件，覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育實際是下部第二層煤層開采對上部第一層煤層已破裂頂板的進一步擾動和運移擴展后的疊加結(jié)果；如何確定下煤層開采對上煤層覆巖已發(fā)育裂隙的擾動和擴展程度，是判斷煤層群重復(fù)開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育的關(guān)鍵。本文改進形成了煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的判別方法，據(jù)此開展了萬利一礦煤層群大采高開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計，并利用現(xiàn)場鉆孔工程探測對其進行了驗證，以期為礦區(qū)類似開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度確定提供參考與借鑒。

1 試驗區(qū)地質(zhì)開采條件

工程探測試驗區(qū)選擇在萬利一礦三盤區(qū)，對應(yīng)于3-1煤和4-2煤的首采工作面。其中，3-1煤層厚4.96～5.56m，平均5.35m，煤層傾角平均3°，回采工作面為31301綜采面，平均采高5.1m；4-2煤層厚4.5～5.20m，平均4.85m，煤層傾角平均2.6°，回采工作面為42301綜采面，平均采高4.8m。試驗工作面及探測鉆孔布置如圖1所示。試驗區(qū)對應(yīng)地表標高1422～1443m，3-1煤層底板標高1298～1307m，4-2煤底板標高1248～1253m，兩煤層間距平均50m左右。煤層頂板巖層賦存情況如圖2所示。

圖1 試驗工作面及探測鉆孔布置

圖2 W4鉆孔柱狀及其關(guān)鍵層位置判別結(jié)果

2 煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的理論預(yù)計

2.1 基于關(guān)鍵層位置的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法

覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度確定是準確評價地層含水層受采動破壞程度、科學(xué)制定保水采煤對策等的重要基礎(chǔ)。由于“規(guī)程”中采用的經(jīng)驗預(yù)計公式采取了對覆巖巖性均化統(tǒng)計的方法，忽略了關(guān)鍵層在巖層破斷運動中的控制作用，導(dǎo)致在某些特定開采條件下的預(yù)計結(jié)果與實際偏差較大。為了提高導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計的準確性，許家林等[10，11]結(jié)合覆巖關(guān)鍵層運動對導(dǎo)水裂隙演化的影響規(guī)律，提出了“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計新方法”。其具體判別流程為：根據(jù)地質(zhì)勘探得到的具體覆巖柱狀，采用關(guān)鍵層判別軟件KSPB[9]進行覆巖關(guān)鍵層位置的判別，然后從開采煤層頂界面開始判斷覆巖(7～10)倍采高范圍外是否存在關(guān)鍵層；若存在，則導(dǎo)水裂隙帶高度為(7～10)倍采高范圍外第1層關(guān)鍵層底界面至煤層間的距離；若不存在，則導(dǎo)水裂隙帶高度將大于或等于基巖厚度。該預(yù)計方法的可靠性已得到現(xiàn)場多個工程案例的驗證。

上述判別方法主要用于單一煤層開采條件，對于諸如萬利一礦這種近距離煤層群開采條件，可在其基礎(chǔ)上做相應(yīng)的改進。由于兩層煤重復(fù)開采引起的覆巖運動并不等同于單一煤層的一次開采，因此，上述判別方法中的采高選取并不能單純按兩煤層采高累加直接進行計算，而應(yīng)按照兩煤層累計的等效采高Md進行判斷。等效累計采高即是下煤層開采引起的巖層運動波及至上煤層位置時的下沉量與上煤層采高之和；按此等效累計采高在上煤層位置進行判別。即按照上煤層頂界面以上(7～10)Md范圍外是否存在關(guān)鍵層進行判斷。等效累計采高計算公式為：

Md=M1+Hb

(1)

Hb=M2-D(KP-1)

(2)

式中，Hb為下煤層開采引起的巖層運動波及至上煤層位置時的下沉量，m；M2為下煤層采高，m；D為上下煤層間距，m；KP為兩煤層之間巖層的殘余碎脹系數(shù)，一般取值1.05～1.1[12]；當Hb<0時，說明下煤層的采高量已被煤層間采動破壞巖層的碎漲抵消，此時的等效累計采高即為上煤層采高M1。

2.2 試驗區(qū)煤層群開采的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計

根據(jù)上述理論預(yù)計方法，首先對W4鉆孔柱狀進行了關(guān)鍵層位置的判別，判別結(jié)果顯示3-1煤上覆頂板中存在2層關(guān)鍵層，4-2煤和3-1煤之間存在1層關(guān)鍵層。其次，對3-1煤開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度進行判斷；根據(jù)3-1煤5.1m的平均采高，取10倍采高，則3-1煤頂界面以上10倍采高之外已不存在關(guān)鍵層，由此3-1煤開采后的導(dǎo)水裂隙應(yīng)發(fā)育至基巖頂界面(即裂隙已發(fā)育至2.82m的表層砂土中)。當再次開采4-2煤時，根據(jù)式(1)所示公式，按照1.05的碎脹系數(shù)取值，則4-2煤開采后巖層運動波及至3-1煤位置對應(yīng)的下沉量為2.6m，相應(yīng)兩層煤重復(fù)開采后的等效累計采高為7.7m。如此，從3-1煤頂界面向上按照10倍的等效累計采高進行判斷，此范圍外同樣不存在關(guān)鍵層。即，4-2煤開采后的導(dǎo)水裂隙依然處于基巖頂界面以上，3-1煤開采及3-1煤與4-2煤重復(fù)開采這兩種條件下導(dǎo)水裂隙的發(fā)育高度相同。

3 覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的鉆孔探測

為了驗證上述理論預(yù)計結(jié)果的準確，開展了試驗區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的現(xiàn)場鉆孔工程探測。

3.1 鉆孔探測方案

目前，用于采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度現(xiàn)場探測的最常用、最準確方法為鉆孔沖洗液漏失量法，即通過在已回采的采空區(qū)對應(yīng)地表施工探測鉆孔，通過記錄鉆孔鉆進過程中的沖洗液漏失量及鉆孔內(nèi)水位變化情況，來判斷對應(yīng)覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況，進而得到覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。本試驗區(qū)探測方法即是采用該方法?？紤]到上下煤層回采工作面的同一側(cè)開采邊界在平面上基本處于重疊狀態(tài)(31301運輸巷和42301輔運巷)。因而，將地面探測鉆孔布置于該側(cè)開采邊界附近，距離巷道區(qū)段保護煤柱約70m，距離兩工作面切眼位置的水平距離為350m左右；鉆孔鉆進終孔深度直至4-2煤底板，深度約170m。

為了直觀地觀測到孔壁裂隙發(fā)育及圍巖破壞情況，在鉆孔成孔后又采用鉆孔電視進行了觀測，以和沖洗液漏失量法的觀測結(jié)果形成印證，增強觀測結(jié)果的準確性。

3.2 鉆孔沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化

鉆孔實際施工過程中的沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化情況如圖3所示。在鉆進孔深2m后即出現(xiàn)孔口不返漿現(xiàn)象，對應(yīng)沖洗液漏失量基本維持在2～4L/(m·s)范圍，直到鉆孔鉆進至孔深49m位置，沖洗液漏失量開始下降，而后至50m孔深位置開始出現(xiàn)孔口返漿現(xiàn)象，對應(yīng)沖洗液漏失量也進一步降低(基本處于0.1～0.4 L/(m·s))。后續(xù)鉆進過程中，僅在孔深78～79m位置出現(xiàn)沖洗液漏失量的暫時明顯升高，其它區(qū)段鉆進過程中漏失量均偏??；直至鉆進至孔深94～101m范圍時，沖洗液又再次出現(xiàn)較大漏失；根據(jù)該區(qū)域?qū)?yīng)巖層柱狀，對應(yīng)孔深已接近3-1煤位置。繼續(xù)向下鉆進過程中，沖洗液漏失量相對偏低，直至鉆進至孔深132m位置時，沖洗液漏失量開始呈現(xiàn)上升區(qū)域，并在后續(xù)鉆進過程中呈現(xiàn)一定波動性；最終鉆進至孔深147m位置時，沖洗液漏失量明顯升高(漏失量3～4L/(m·s))，且一直持續(xù)至終孔170m位置。

圖3 探測鉆孔沖洗液漏失量及水位變化曲線

另一方面，從鉆孔鉆進過程中孔內(nèi)水位的變化情況看，在孔深140m左右位置之前，雖然鉆孔沖洗液漏失量時有明顯偏高現(xiàn)象，但其孔內(nèi)水位一直呈現(xiàn)緩慢下降趨勢；而在孔深140m以下鉆進時，沖洗液漏失量的升高伴隨著水位的顯著快速下降。最終，在鉆進終孔位置時，孔內(nèi)水位保持在距孔底14.6m。

3.3 鉆孔電視觀測

為了進一步探究鉆孔孔壁裂隙發(fā)育情況，采用鉆孔電視進行了孔內(nèi)攝像觀測，觀測結(jié)果可見，在鉆進至孔深20～25m范圍時，孔壁異常破碎；根據(jù)附近地質(zhì)鉆孔揭露的巖層賦存情況，該范圍對應(yīng)為煤層和砂巖、泥巖交界的區(qū)域，考慮砂巖膠結(jié)性偏弱，導(dǎo)致采動破壞后鉆進成孔圍巖不完整。繼續(xù)向下探測過程中，孔壁陸續(xù)出現(xiàn)裂隙或破壞現(xiàn)象；直至孔深90m位置開始，孔壁出現(xiàn)裂隙或破壞發(fā)育的位置變得明顯密集；在孔深97～117m范圍，孔壁破壞程度明顯偏大，裂隙發(fā)育尺度明顯增高，孔壁表現(xiàn)出明顯的不完整現(xiàn)象，推斷已進入3-1煤開采引起的垮落帶。而后探測至孔深118m以下位置時，探及3-1煤開采的遺留底煤，由此開始進入3-1煤和4-2煤之間巖層。在孔深120～150m范圍內(nèi)探測時，孔壁雖陸續(xù)出現(xiàn)有裂隙和破壞現(xiàn)象，但其發(fā)育程度相對偏低，直至進入孔深152m以下時，孔壁裂隙發(fā)育及其破壞程度明顯增高，推斷已進入4-2煤開采引起的垮落帶。最后，探測至孔深165m左右位置時，孔內(nèi)受鉆進泥漿沉淀和孔壁塌落巖石封堵，導(dǎo)致攝像探頭無法繼續(xù)下放。

3.4 覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度

綜合上述鉆孔沖洗液漏失量變化曲線以及鉆孔電視觀測結(jié)果，可判斷該區(qū)域?qū)?yīng)3-1煤和4-2煤兩層煤開采引起的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度已發(fā)育至地表，對應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶高度為170m；這與前述第2章節(jié)的理論預(yù)計結(jié)果相同。3-1煤垮落帶發(fā)育至孔深97m位置，按照3-1煤開采位置計算其對應(yīng)垮落帶高度為21m；4-2煤垮落帶發(fā)育至孔深152m位置，按照4-2煤開采位置計算其對應(yīng)垮落帶高度為18m。根據(jù)該鉆孔對應(yīng)3-1煤31301工作面5.1m的平均采高以及42301工作面4.8m的平均采高，其兩層煤開采后引起的覆巖綜合裂采比為17.2，3-1煤開采引起的覆巖垮采比為4.2，4-2煤開采引起的覆巖垮采比為3.8。

4 結(jié) 論

1)萬利一礦為典型淺埋煤層群大采高開采條件，上下煤層采高均已達到5m左右，難以采用國家“規(guī)程”中的經(jīng)驗統(tǒng)計公式對其覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行預(yù)計；為此，綜合采用基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計方法以及鉆孔沖洗液漏失量和鉆孔電視觀測手段，獲得了該礦3-1煤和4-2煤重復(fù)開采后的覆巖垮落和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

2)理論預(yù)計結(jié)果顯示，3-1煤開采后覆巖導(dǎo)水裂隙即發(fā)育至基巖頂界面，再次開采4-2煤時，導(dǎo)水裂隙仍保持發(fā)育在基巖以上的表層砂土中，這一結(jié)果得到了現(xiàn)場鉆孔工程探測結(jié)果的驗證，也證實了“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法”的可靠性。

3)現(xiàn)場鉆孔工程探測結(jié)果顯示，兩煤層重復(fù)開采后的覆巖導(dǎo)水裂隙帶已發(fā)育至地表，對應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶高度為170m，對應(yīng)綜合裂采比為17.2；上部3-1煤開采引起的覆巖垮落帶高度為21m，下部4-2煤開采引起的覆巖垮落帶高度為18m，兩煤層開采的覆巖垮采比分別為4.2和3.8。