李江華，王東昊，黎 靈，郭文硯

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤層開采覆巖破壞規(guī)律及其形態(tài)分布特征是礦井預防水害、壓架等安全事故發(fā)生的關鍵。覆巖破壞特征的研究主要包括現(xiàn)場觀測、相似材料模擬試驗、數(shù)值模擬分析及理論分析等[1]。20世紀70年代，劉天泉院士提出了覆巖破壞 “三帶”模型，其中垮落帶和導水裂縫帶(合稱“兩帶”)高度的確定是頂板水害預測預報及防水(砂)安全煤巖柱留設的重要依據(jù)。同時隨著大采高和綜放開采技術的快速發(fā)展，相應條件下的覆巖“兩帶”特征研究也取得了突破性進展[2]。張宏偉等[3]研究了石炭—二疊系特厚煤層綜放開采的覆巖破壞特征；孫慶先等[4]測得了侏羅系大采高綜采和綜放工作面的“兩帶”發(fā)育特征；馮國財?shù)萚5]通過現(xiàn)場觀測分析了白堊系特厚煤層綜放開采導水裂隙帶高度與采高的關系；楊達明等[6]得出了厚松散層軟巖綜放開采導水裂隙帶發(fā)育高度。隨著水體下綜放開采技術不斷推廣應用，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)增多。許延春等[7]根據(jù)實測資料建立了適用于綜放開采工作面“兩帶”高度計算的經(jīng)驗公式；張玉軍等[8]研究了鄂爾多斯盆地侏羅系煤層開采導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律；白利民等[9]統(tǒng)計了中硬覆巖下一次采全高導水裂隙帶高度經(jīng)驗公式；陳連軍等[10]研究了上覆巖層內裂縫萌生演化特征，提出覆巖導水裂隙帶高度的確定方法。

筆者在上述研究的基礎上，通過對比分析覆巖類型劃分方法和覆巖破壞經(jīng)驗公式，明確了覆巖破壞高度預計選取標準。采用現(xiàn)場沖洗液消耗量和鉆孔電視觀測方法，對比分析了堅硬巖層和軟弱巖層高強度開采條件下覆巖破壞裂隙發(fā)育特征。對于近距離煤層特厚煤層開采，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》(以下稱《“三下”采煤指南》)[11]中給出的綜合采厚公式已不適用。通過構建數(shù)學模型，優(yōu)化了近距離高強度開采綜合采厚計算公式，可為類似地質條件下高強度開采覆巖破壞高度預計提供依據(jù)。

1 高強度采動裂隙發(fā)育高度預計方法

1.1 覆巖類型劃分方法

巖體的強度和質量等級對工程設計、布置、運營等環(huán)節(jié)均起重要的作用[12]。根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》[13]，按飽和單軸抗壓強度將巖石堅硬程度劃分為堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖共5類(表1)。表1的巖石強度劃分方法主要用于采礦開挖巖體的防護、建筑物地基的承載能力和變形計算、采動地表移動變形計算及水利水電工程等領域。然而，礦井防治水中預計采動覆巖破壞高度時，基于巖石力學強度統(tǒng)計出有規(guī)律的經(jīng)驗公式，根據(jù)工程實際按照巖石單軸抗壓強度將煤層頂板覆巖劃分為堅硬、中硬、軟弱和極軟弱共4種類型(表2)，定量化劃分范圍與工程巖體分級標準有一定的差異。

表1 工程巖體分級標準巖石堅硬程度分類Table 1 Standard for engineering classification of rock mass

表2 “兩帶”覆巖巖石強度分類Table 2 Rock strength classification of caved and fractured zones strata

1.2 厚煤層“兩帶”發(fā)育高度預計方法

我國許多學者研究了不同采礦和地質條件的圍巖破壞裂隙演化特征，解決了諸多地下工程中的技術難題，取得了突破性進展。20世紀80年代以來，現(xiàn)代化綜放開采技術得以快速發(fā)展，同時綜放工作面覆巖裂隙演化規(guī)律研究取得了突破性進展，覆巖破壞高度確定方法主要有經(jīng)驗公式法、現(xiàn)場觀測法(地面和井下鉆孔注水觀測、鉆孔電視觀測及地球物理勘探等)、相似材料模擬及數(shù)值分析等。隨著綜放工作面現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的增多，《“三下”采煤指南》[11]給出了不同覆巖類型條件下單層厚煤層綜放開采垮落帶和導水裂隙帶高度(2個)計算公式(表3)。

表3 綜放開采“兩帶”高度計算公式Table 3 Computational formula of caved and fractured zones heights for full-mechanized caving mining

2 堅硬覆巖高強度采動裂隙發(fā)育特征

2.1 現(xiàn)場觀測區(qū)概況

庫車礦區(qū)某礦開采下1和下5煤層，下1煤采厚3.5 m，大采高一次采全厚開采。下5煤層平均采厚9.7 m，采用綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。下5煤頂板以粉砂巖為主，泥巖、砂質泥巖抗壓強度平均為68.3 MPa，粉砂巖抗壓強度為53.7 MPa，根據(jù)表2劃分標準頂板為堅硬類型。下5煤層5104工作面位于東翼一采區(qū)，其上部為下1煤采空區(qū)。工作面走向長度為3 122 m，傾向長度為240 m。

現(xiàn)場觀測過早，導水裂隙帶未發(fā)育至最大高度；觀測過晚則部分裂隙已壓實閉合，難以測得有效值。根據(jù)工作面開采狀況，將19-1鉆孔選定在距終采線1 000 m，距上平巷20 m處；19-2鉆孔選定在距終采線1 012 m，距下平巷30 m處(圖1)。設計松散層中下套管，鉆孔開孔孔徑為219 mm，鉆至第四系底界面以下3～5 m的基巖段，下放?140 mm套管。固管止水合格后，換?113 mm巖心管取心鉆進，終孔位置在取得垮落帶高度特征后終止鉆進。鉆孔結構如圖2所示。

圖1 5104工作面“兩帶”孔布置Fig.1 Boreholes Lay-out plan of caved and fractured zones

圖2 5104工作面鉆孔結構Fig.2 Borehole structure of No.5104 working face

2.2 現(xiàn)場觀測

2.2.1 鉆孔沖洗液和水位觀測

19-1鉆孔沖洗液消耗量和水位觀測結果如圖3所示。松散層由砂土及底部礫石組成，為防止塌孔，松散層段下套管，基巖段清水鉆進，鉆進過程中共出現(xiàn)5次不返水，且鉆孔中水位逐漸下降。初次在68.74 m位置不返水，剛進入基巖段，表明導水裂隙帶頂點已發(fā)育基巖頂界面，進入松散層，導水裂隙帶頂點埋深小于68.74 m；導水裂隙帶中局部存在擾動但未破裂的巖層，鉆進至該位置時有返水現(xiàn)象；131.15 m處沖洗液全部漏失，循環(huán)終止，鉆孔中已無水，出現(xiàn)“掉鉆”現(xiàn)象；鉆孔穿過下1煤層采空區(qū)后，并未發(fā)現(xiàn)完整巖層，表明下5煤開采垮落帶已發(fā)育至下1煤頂板，131.15 m為綜合開采垮落帶頂點位置。

圖3 19-1鉆孔沖洗液消耗量和水位變化Fig.3 Water consumption quantity and water level variation of borehole 19-1

19-2鉆孔鉆至松散層97.2 m，即距松散層底界面3.8 m時不返泥漿，沖洗液全部漏失，循環(huán)終止，并且該位置之后一直無返水，表明導水裂縫帶已發(fā)育至松散層，導水裂隙帶頂點小于97.2 m。

2.2.2 鉆孔電視觀測

19-2鉆孔電視觀測到采動裂隙已發(fā)育至基巖頂部，并進入松散層，導水裂隙帶采動裂隙以縱向交叉為主，與巖心特征一致；隨著鉆孔深度的增大，采動裂隙逐漸發(fā)育，即煤層附近頂板裂隙發(fā)育(圖4)。觀測到178.35 m處出現(xiàn)空洞(圖5)，且有卡、掉鉆現(xiàn)象，深部空洞更明顯。鉆孔穿過下1煤層采空區(qū)后，同樣為發(fā)現(xiàn)完整巖層，表明下5煤開采垮落帶已發(fā)育至下1煤頂板，178.35 m為垮落帶頂點。

圖4 19-2鉆孔不同深度導水裂隙帶鉆孔電視觀測成果Fig.4 Fissure zone observation of borehole TV from different depth in 19-2 borehole

圖5 不同深度垮落帶鉆孔電視觀測成果Fig.5 Caving zone observation of borehole TV from different depth

3 軟弱覆巖高強度采動裂隙發(fā)育特征

3.1 觀測區(qū)概況

蒙東礦區(qū)暢彤煤礦主采7號煤層，其中1703工作面走向長度1 262 m，傾斜長度為130 m，煤層平均厚度16.9 m，煤層傾角2°～10°，平均6°，采用分層綜放采煤方法，全部垮落法管理頂板。1703-1上分層工作面平均采厚9.3 m，1703-2下分層工作面平均采厚7.6 m。煤層頂板基巖厚度為110～200 m，以泥巖、泥質粉砂巖為主，其中泥類巖所占比例接近50%。泥類巖單軸抗壓強度1.4～11.6 MPa，平均5.8 MPa；砂類巖單軸抗壓強度3.8～7.2 MPa，平均6.8 MPa。由表2可知，工作面覆巖為軟弱類型。

由于受上分層采空區(qū)區(qū)段煤柱的影響，17-1鉆孔距終采線、上平巷為420 m和40 m。17-2鉆孔距終采線、上平巷為383 m和 20 m(圖6)?？紤]到第四系和新近系含水層的影響，松散層中設計2級套管(圖7)。鉆孔開孔孔徑為480 mm，鉆至第四系底界面以下3～5 m的隔水黏土層，下放一級?273 mm套管。固管止水合格后，換?219 mm鉆頭鉆進，鉆至新近系底界面以下5 m左右的穩(wěn)定基巖層，下放二級?164 mm套管?；鶐r中孔徑為108 mm，取心鉆進，終孔位置為垮落帶頂點以下5 m。

圖6 1703-2工作面“兩帶”孔布置Fig.6 Borehole lay-out plan of caved and fractured zones

圖7 1703-2工作面鉆孔結構示意Fig.7 Borehole structure of No.1703-2 working face

3.2 現(xiàn)場觀測成果

3.2.1 鉆孔沖洗液消耗量和水位變化

17-1和17-2鉆孔沖洗液消耗量和水位變化如圖8所示，2個鉆孔分別在168.5 m和175.9 m以淺沖洗液消耗量不大于1.15 L/min和2.16 L/min，之后逐漸增大；分別鉆進至172.05 m和178.43 m時，鉆孔不返水，沖洗液循環(huán)終止，分析鉆孔已進入導水裂隙帶；分別鉆進至222.72 m和234.43 m時鉆孔水位下降明顯，出現(xiàn)“卡鉆、掉鉆”現(xiàn)象，分析已進入垮落帶。

圖8 軟弱地層沖洗液消耗量和水位變化Fig.8 Water consumption quantity and water level changed in boreholes for weak strata

3.2.2 鉆孔電視觀測成果

鉆孔電視觀測段使用清水鉆進，由于軟巖地層主要為軟弱泥巖或泥質粉砂巖，導致17-1和17-2鉆改導水孔壁不能得到保護，2個鉆孔鉆至垮落帶附近時，孔壁坍塌造成鉆孔180 m以下位置水渾濁，鉆孔電視模糊。經(jīng)2 d沉淀后，再次觀測時，分別在175 m和180 m處再次發(fā)生塌孔，掃孔后水變渾濁，鉆孔電視未觀測到明顯的垮落帶，僅觀測到導水裂隙帶發(fā)育情況。17-1、17-2鉆孔分別在168.5 m和175.9 m處觀測到明顯裂隙(圖9)，與鉆孔沖洗液漏失量增大的位置相符。

圖9 17-1和17-2導水鉆孔裂隙帶鉆孔電視分析Fig.9 Fissure zone observation of 17-1 and 17-2 boreholes TV

4 采動裂隙發(fā)育特征對比及分析

覆巖采動裂隙發(fā)育特征影響因素較多，通常由覆巖強度、采動強度、采煤方法、地質構造等多種因素控制，但通過對比不同覆巖強度條件下高強度開采裂隙發(fā)育特征，可為現(xiàn)場工程實踐及水害防治提供借鑒。上述堅硬地層中19-1和19-2鉆孔揭露下5煤與下1煤間距分別為64.7、65.8 m。由表3堅硬覆巖綜放開采垮落帶高度經(jīng)驗公式，計算下5煤綜放開采垮落帶高度為72.9 m，結合現(xiàn)場觀測成果，表明下層煤垮落帶高度均大于下5煤與下1煤層間距。根據(jù)《“三下”采煤指南》，當下層煤的垮落帶接觸到或完全進入上層煤范圍內，下層煤的導水裂隙帶最大高度應采用上、下層煤的綜合開采厚度計算。上、下層煤的綜合開采厚度為

(1)

式中：M1為上層煤開采厚度，m；M2為下層煤開采厚度，m；h1-2為上、下層煤之間的層間距，m；y2為下層煤的垮落帶高度與采厚之比。

(2)

經(jīng)分析，綜合采厚與層間距成反比，與垮落帶高度成正比。煤層間距越大，下層導水煤裂隙帶高度受上層煤的影響減弱，即上層煤厚度占綜合采厚的比例減小。特厚煤層分層開采時，層間距h1-2=0，則MZ=M2+M1；下層煤垮落帶發(fā)育到上層煤時，h1-2=hk=M2y2，則MZ=M2，即下層煤導水裂隙帶高度計算不受上層煤的影響，但取二者的最高點。通過《“三下”采煤指南》現(xiàn)有數(shù)據(jù)驗證，與原公式綜合采厚計算結果接近，并且涵蓋了近距離厚煤層開采條件取值范圍，完善和改進了原有公式。經(jīng)計算，19-1鉆孔下5和下1煤層綜合開采厚度為9.97 m，19-2鉆孔為9.93 m?，F(xiàn)場觀測垮落帶高度Hk和導水裂隙帶高度確定[14]如下

Hk=Z-M-hk

(3)

Hl=Z-M-hl

(4)

式中：Z為煤層底板埋深，m；hk、hl分別為垮落帶和導水裂隙帶頂點埋深，m。

以上堅硬巖層和軟弱巖層高強度開采“兩帶”高度計算見表4。對于近距離堅硬頂板煤層高強度開采，綜合開采后垮采比為9.39～9.62，裂采比大于17.80，相對表3中垮采比明顯增大，主要是由于下5煤層開采垮落帶發(fā)育至上組下1煤層采空區(qū)，而垮落帶峰值標高低于下1煤層垮落帶頂點，造成綜合垮落帶高度增大，并且煤層組間距相等較大，上組煤對綜合采厚影響較小，造成垮采比明顯增大，近距離高強度開采綜合垮采比和裂采比的計算具有較強的適用性。而軟弱覆巖特厚煤層分層綜放高強度開采垮采比為4.59～4.71，裂采比為8.04～8.58。堅硬巖層高強度開采垮采比和裂采比為軟弱巖層的近2倍。

表4 實測“兩帶”高度Table 4 Heights of caved and fractured zones from in-situ measurement

通過現(xiàn)場沖洗液消耗量觀測，堅硬地層沖洗液消耗量變化斷斷續(xù)續(xù)或者完全漏失，軟弱地層遇到導水裂隙帶時完全漏失。鉆孔電視和巖心觀測到堅硬巖層相對軟弱巖層采動裂隙較發(fā)育，裂隙傾角較大(圖10)，將引起巖層采動傳播影響角增大。堅硬巖層清水鉆進時，鉆孔電視易觀測到明顯的垮落帶和導水裂隙帶特征，而軟弱地層由于遇水軟化，造成塌孔，鉆孔電視較為模糊不易觀測，尤其垮落帶特征難以觀測，為防止鉆孔塌孔導致鉆孔電視卡埋，建議采用沖洗液消耗量、水位觀測及巖樣裂隙觀察等綜合方法進行“兩帶”頂點的判別。

圖10 導水裂隙帶巖樣Fig.10 Rock sample of fissure zone

5 結 論

1)總結分析了覆巖類型定性和定量劃分方法及適用條件，基于巖石力學強度統(tǒng)計的“兩帶”高度經(jīng)驗公式與工程巖體分級標準定量劃分方法有差異，現(xiàn)場預計覆巖破壞“兩帶”高度時，應選擇合適的分類方法及相應的經(jīng)驗公式。

2)通過鉆孔沖洗液消耗量和鉆孔電視觀測相結合的方法，測得了堅硬和軟弱地層高強度開采覆巖破壞裂隙發(fā)育特征。堅硬巖層采動裂隙發(fā)育，沖洗液消耗量變化斷斷續(xù)續(xù)或者完全漏失，且?guī)r層斷裂傾角大，巖層傳播影響角較大。軟弱地層遇水易軟化、塌孔，鉆孔電視成像較為模糊，需采用綜合方法進行“兩帶”頂點的判別。

3)經(jīng)計算，堅硬巖層下5煤綜放開采垮落帶高度大于煤層間距，波及到上層煤采空區(qū)。對于近距離下層特厚煤層開采，《“三下”采煤指南》中綜合采厚公式已不適用。為此通過構建近距離特厚煤層開采垮落帶高度與層間距關系數(shù)學模型，提出了適合該地質條件的綜合采厚計算公式。經(jīng)分析，堅硬頂板高強度開采垮采比為9.39～9.62，裂采比大于17.80，為軟弱覆巖的近2倍。