秦偉超

（河南焦煤能源有限公司古漢山礦，河南 焦作 454000）

采煤工作面回采過(guò)后，勢(shì)必會(huì)造成采場(chǎng)圍巖發(fā)生變形、移動(dòng)、斷裂和垮落，根據(jù)采空區(qū)覆巖移動(dòng)的破壞程度，將在采空區(qū)上方形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，即統(tǒng)稱(chēng)為“三帶”。若煤層上方有含水層，并且覆巖“三帶”中的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較大，“兩帶”將會(huì)達(dá)到含水層并形成導(dǎo)水通道，礦井發(fā)生水害的可能性較大，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶(簡(jiǎn)稱(chēng)“兩帶”)高度的確定對(duì)于礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)、瓦斯抽采、水災(zāi)防治及頂板管理和安全高效生產(chǎn)都至關(guān)重要。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、物理相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段對(duì)工作面采空區(qū)覆巖“兩帶”高度做了大量的研究工作，研究成果在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了良好的應(yīng)用。楊達(dá)明等[1]通過(guò)鉆孔注水漏失量觀測(cè)、鉆孔電視和數(shù)值模擬等綜合方法研究分析了厚松散層軟弱覆巖下綜放開(kāi)采工作面采空區(qū)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律。孫浩彬[2]基于導(dǎo)水裂隙帶觀測(cè)基本原理，實(shí)測(cè)出蓋州煤礦9105 綜采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度。田靈濤[3]針對(duì)察哈素煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件，采用現(xiàn)場(chǎng)沖洗液漏失量法和彩色鉆孔電視孔內(nèi)觀測(cè)法，并與理論分析相結(jié)合研究了察哈素煤礦上覆巖層“兩帶”高度，認(rèn)為鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果部分存在較大差異。何清波等[4]采用物理相似模擬方法研究了傾斜煤層放頂煤工作面開(kāi)采條件下采場(chǎng)覆巖“兩帶”分布特征，通過(guò)分析覆巖下沉量變化規(guī)律并確定“兩帶”高度，最后采用UDEC 模擬軟件驗(yàn)證相似模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。谷文偉等[5]采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)極近距離煤層綜放開(kāi)采工作面覆巖“兩帶”的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律做了深入研究分析，并確定袁店一礦824 工作面覆巖“兩帶”的發(fā)育高度?？讘c軍等[6]通過(guò)綜合方法研究了發(fā)耳煤礦五采區(qū)1#煤層頂板“兩帶”發(fā)育規(guī)律，為高位鉆孔瓦斯抽采、頂板治理提供理論依據(jù)。楊高峰等[7]采用理論計(jì)算、FLAC3D模擬軟件以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，得到鎮(zhèn)城底礦28107 工作面垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，對(duì)本礦防治水工作具有重要指導(dǎo)意義。張輝等[8]通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)、數(shù)值模擬和井下仰孔分段注水法實(shí)測(cè)等方法，研究了放頂煤工作面的覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。張剛艷等[9]以沙吉海煤礦某高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面為原型，建立了三維離散元數(shù)值模型，并基于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型參數(shù)的選取進(jìn)行了合理性校核，分析了不同采厚、工作面傾向長(zhǎng)度、走向長(zhǎng)度與推進(jìn)速度對(duì)沙吉海礦高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”最大高度的影響。以上實(shí)踐研究表明，綜放工作面回采后采空區(qū)空間較大，采空區(qū)上覆巖層依次出現(xiàn)垮落帶、裂隙帶，即“兩帶”。若“兩帶”高度發(fā)育到上覆含水層，礦井將會(huì)面臨著潰水等災(zāi)害，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。

古漢山礦1604 工作面為首個(gè)綜放開(kāi)采工作面，具有煤層較厚、埋深大及高強(qiáng)度開(kāi)采的特點(diǎn)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)出“兩帶”發(fā)育高度有利于礦井安全高效生產(chǎn)。

1 工作面概況及地質(zhì)條件

1）工作面概況

1604 工作面開(kāi)采二1 煤層，煤厚4.8～6.25 m，平均5.3 m；煤層傾角12°～15°，平均14°。工作面埋深在500～600 m 范圍內(nèi)，地應(yīng)力較高。地層情況詳見(jiàn)地層綜合柱狀圖1。該工作面是該礦首個(gè)綜放開(kāi)采沿空留巷工作面。

2）地質(zhì)構(gòu)造

1604 工作面位于界碑?dāng)鄬樱ㄗ呦騈30°W，傾向SW，傾角70°，H=100～210 m）的下盤(pán)，2015年10 月在1604 底板抽采巷統(tǒng)尺（14 號(hào)鉆場(chǎng)）1024 m 處對(duì)界碑?dāng)鄬舆M(jìn)行了超前鉆探，探明了二1 煤層發(fā)育情況；后期又在該區(qū)域布置地面鉆孔5 個(gè)，基本控制了界碑?dāng)鄬蛹榜R坊泉斷層的走向、位置。工作面切眼距斷層84～126 m，對(duì)工作面回采無(wú)影響。根據(jù)回風(fēng)巷、底抽巷、頂板抽采巷掘進(jìn)揭露實(shí)際情況分析，回采至回風(fēng)巷統(tǒng)尺959.5 m，工作面預(yù)計(jì)揭露斷層F1606，回采10 m 后預(yù)計(jì)揭露斷層F1608，回采82 m 后揭露斷層F1610，回采232 m后揭露斷層F1611，回采至回風(fēng)巷統(tǒng)尺129 m，工作面預(yù)計(jì)揭露斷層F1605。

3）水文地質(zhì)

主要含水層為L(zhǎng)8灰?guī)r水，煤層底板距L8灰?guī)r含水層20.2～33.69 m，該工作面范圍內(nèi)平均間距23.3 m。根據(jù)古水22 孔資料L8灰?guī)r水位為-390 m，工作面最低標(biāo)高為-564 m，水壓為1.74 MPa，突水系數(shù)P/M為0.096 MPa/m ＜0.1 MPa/m；L2灰?guī)r水位為+30 m，煤層底板距L2灰?guī)r含水層81 m，水壓為5.94 MPa，突水系數(shù)P/M值為0.083 MPa/m ＜0.1 MPa/m，，正常情況下，不易發(fā)生底板出水。O2灰?guī)r含水層與L2灰?guī)r含水層水位一致，水位+30 m 左右，上距二1 煤約104.06 m，富水性強(qiáng)，水壓為5.94 MPa，突水系數(shù)P/M值為0.067 MPa/m，正常情況下不易發(fā)生底板出水。工作面上部為16021 采空區(qū)，16021 工作面上下巷無(wú)低洼處且工作面上下巷水能自流，無(wú)老空積水。該工作面下部為1606 工作面未采區(qū)，無(wú)老空積水。該工作面西部為井田邊界斷層煤柱，無(wú)老空積水。該工作面東部為16皮帶下山及-450大巷保護(hù)煤柱，無(wú)老空積水。工作面最大涌水量150 m3/h，正常90 m3/h。

2 “兩帶”發(fā)育高度相似模擬試驗(yàn)

2.1 建立相似模擬試驗(yàn)裝置

為掌握了解煤層采出后覆巖“兩帶”發(fā)育特征，利用二維相似模擬試驗(yàn)裝置（模型尺寸2 m×0.2 m×1.3 m，幾何比例1:100）對(duì)其進(jìn)行模擬試驗(yàn)。利用配重的方式均布加壓以模擬模型上方巖層的重量。模型正面觀察煤層頂板垮落狀況，背面進(jìn)行下沉觀測(cè)，自采面切巷開(kāi)始在煤層垂直方向上布設(shè)9排測(cè)點(diǎn)，每排18 個(gè)測(cè)點(diǎn)且間距0.1 m，并做出標(biāo)記便于監(jiān)測(cè)。

2.2 結(jié)果分析

設(shè)計(jì)推進(jìn)速度每次開(kāi)挖0.3 m，對(duì)1604 采面實(shí)施相似模擬試驗(yàn)，周期性來(lái)壓后均要記錄下沉狀況，開(kāi)采結(jié)束后即可得出實(shí)際巖層下沉變化曲線(xiàn)，如圖2（a）。

圖2 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果

受回采動(dòng)壓影響，采空區(qū)覆巖將發(fā)生不同狀況的垮塌，在煤層上方將會(huì)出現(xiàn)垮落帶（受覆巖垮塌作用后出現(xiàn)破斷且無(wú)規(guī)則的塊狀呈現(xiàn)）、裂縫帶（該區(qū)域巖層垮塌后部分巖層將會(huì)有破斷裂紋）及彎曲下沉帶（該區(qū)域巖石結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)較大的破壞）。相似模擬試驗(yàn)表明，1604 綜放面垮落帶發(fā)育高度25 m，裂縫帶發(fā)育高度110 m，以上則是彎曲下沉帶。

1604 綜放面覆巖“兩帶”相似模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖2（b）。在煤層傾斜方向上，采面持續(xù)回采，巖層受力超出自身承載力時(shí)將會(huì)出現(xiàn)豎向裂隙而發(fā)生破斷垮塌。由于煤層具有一定角度，其上覆巖層在傾斜方向上呈現(xiàn)出滑移且與煤層垂直的現(xiàn)象，造成下方巖層下沉較為充分，回采結(jié)束后測(cè)得下部斷裂角71°，上部斷裂角60°。

2.3 “兩帶”發(fā)育高度理論預(yù)測(cè)

根據(jù)1604 工作面煤層柱狀圖，其開(kāi)采厚度約5.5 m，按照三下開(kāi)采指南的規(guī)定，覆巖為中硬情況時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度理論公式為：

由公式（1）、（2）計(jì)算出的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為38.9～56.9 m。

3 “兩帶”發(fā)育高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

3.1 井下導(dǎo)水裂隙帶觀測(cè)原理

在試驗(yàn)工作面停采線(xiàn)附近選取適宜地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，向采空區(qū)上方巖層施工仰斜鉆孔（即導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)鉆孔），其深度應(yīng)超過(guò)覆巖導(dǎo)水裂隙帶，施工到彎曲下沉帶一定距離。采用井下導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)儀，從孔口由下向上每1 m 測(cè)試各段巖層的導(dǎo)水性。所測(cè)巖層滲水的最大高度是采場(chǎng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度。此方法具有觀測(cè)速度快、精度高及成本低的特點(diǎn)。

3.2 實(shí)施方案

結(jié)合頂板覆巖導(dǎo)高的理論計(jì)算值，設(shè)計(jì)觀測(cè)孔時(shí)應(yīng)著重對(duì)煤層上覆38.9～56.9 m 區(qū)域內(nèi)覆巖破壞狀況進(jìn)行研究，考慮發(fā)生裂高偏大的異常狀況時(shí)應(yīng)增加鉆孔深度，所以觀測(cè)孔長(zhǎng)度至少超過(guò)理論計(jì)算值5 m，以期能測(cè)出不漏水孔段的位置，視為裂縫帶頂界的依據(jù)。

設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。鉆場(chǎng)位于1604 工作面回風(fēng)巷與下山煤柱保護(hù)線(xiàn)相交處向外約10 m 的硐室內(nèi)。鉆孔布置如圖3、圖4。

表1 1604 回風(fēng)巷鉆孔施工要素表

圖3 鉆孔布置平面圖

圖4 鉆孔布置剖面圖（m）

此外，為能得到較為精準(zhǔn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)孔施工后應(yīng)盡快進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，以防止塌孔后影響觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度。

3.3 結(jié)果分析

各鉆孔的觀測(cè)均是自下而上進(jìn)行的，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，得到觀測(cè)孔各段巖層的注水漏失情況，觀測(cè)結(jié)果如圖5。

圖5 各測(cè)孔結(jié)果曲線(xiàn)

1）1#對(duì)比孔觀測(cè)結(jié)果分析

從孔深10～94 m 依次分段觀測(cè)，掌握未受采動(dòng)影響的原巖區(qū)域封孔注水漏失情況。1#對(duì)比孔深10～94 m，垂高8～77 m，巖層滲水量0.3～4.7 L/min。因此認(rèn)為滲水量小于4.7 L/min 時(shí)，巖層完整。對(duì)比孔觀測(cè)有利于精準(zhǔn)獲得導(dǎo)水裂隙帶高度。

2）2#、3#觀測(cè)孔觀測(cè)結(jié)果分析

2#孔從孔深22～101 m 處依次分段觀測(cè)，3#孔從孔深30～110 m 處依次分段觀測(cè)，觀測(cè)到導(dǎo)水裂隙帶高度時(shí)停止。

由圖5 可知，2#、3#孔測(cè)試區(qū)域的巖層注水漏失情況差異性較大，一是I 段漏失量大，二是Ⅱ段漏失量比較小。

① 2#孔Ⅱ區(qū) 域 內(nèi) 孔 深96～101 m， 垂 高68.14～71.69 m，巖層注水漏失量為2.1～3.2 L/min；3#孔Ⅱ區(qū)域內(nèi)，孔深103～110 m，垂高66.46～70.98 m，巖層注水漏失量2.1～3.4 L/min；2 個(gè)觀測(cè)孔各段巖層的滲水量均未超過(guò)4 L/min，巖石滲水性比較小，表明該區(qū)域巖層的次生裂隙發(fā)育不明顯，仍以原生裂隙為主。因巖石滲水性不大，隔水性較強(qiáng)，同時(shí)受采動(dòng)影響較小，表明了裂隙帶沒(méi)有發(fā)育到該區(qū)域，巖層完整穩(wěn)定較好。

② 2#孔I 區(qū) 域 內(nèi) 孔 深22～95 m， 垂 高15.62～67.43 m，巖層滲水量為8.6～18.6 L/min；3#孔I 區(qū)域內(nèi)孔深30～102 m，垂高19.36～65.81 m，巖層注水漏失量10.8～18.5 L/min，滲透量都大于10 L/min；2 個(gè)觀測(cè)孔的巖石滲水量是比較大的，表明2 個(gè)孔進(jìn)入了裂隙帶區(qū)域，受回采擾動(dòng)影響后此處巖石的裂隙將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，巖石導(dǎo)水性能增強(qiáng)。觀測(cè)期間，2#孔垂高由68.14 m 降低至67.43 m 時(shí)，巖石滲水量從3.2 L/min 突增為8.6 L/min，說(shuō)明2#孔導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度約68.14 m；3#孔垂高由66.46 m 降低至65.81 m 段時(shí)，巖石滲水量從3.1 L/min 突增為10.8 L/min，說(shuō)明3#孔導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度約在66.46 m。

所測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況比較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)異常情況，可以精準(zhǔn)得到導(dǎo)水裂隙帶高度。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的2 個(gè)頂板導(dǎo)高觀測(cè)孔所測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大值較為可靠且能夠互相驗(yàn)證，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)出的導(dǎo)高值平均67.3 m。

4 結(jié)論

1）理論計(jì)算出1604 綜放工作面開(kāi)采后采空區(qū)覆巖的導(dǎo)水裂隙帶高度為38.9～56.9 m。

2）井下仰孔分段雙端封堵測(cè)漏技術(shù)是覆巖“兩帶”發(fā)育高度觀測(cè)的有效方法。通過(guò)對(duì)本工作面施工3 個(gè)鉆孔（1 個(gè)對(duì)比孔，2 個(gè)觀測(cè)孔）以觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，2#孔導(dǎo)高值68.14 m，3#孔導(dǎo)高值66.46 m。

3）綜合分析得出古漢山礦1604 綜放工作面采場(chǎng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為67.3 m。導(dǎo)高與采厚比為12.23。