劉國臻，尹家寬，高 超

(1.國能榆林能源有限責任公司 青龍寺煤礦分公司，陜西 榆林 719499；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

井下工作面開采引起的覆巖垮落帶和裂縫帶發(fā)育高度對煤礦安全開采意義重大，眾多學者對不同地質采礦條件下的覆巖“兩帶”高度發(fā)育特征進行了較深入的研究。劉天泉院士等[1]實測并回歸分析了不同巖性條件的覆巖“兩帶”高度預計公式；孫慶先等[2]分析了紅柳煤礦大采高綜采條件下的“兩帶”發(fā)育高度特征；劉世奇等[3]對近距離多煤層重復采動條件下的“兩帶”高度預計方法進行了探討；王振廣等[4]基于云蓋山煤礦軟媒、軟底和硬頂?shù)牡刭|采礦條件，應用井下仰斜鉆、鉆孔成像技術及數(shù)值模擬方法確定了該地質采礦條件下的“兩帶”發(fā)育高度；張國奇等[5]通過鉆孔漏失量觀測結合取芯情況分析了沙吉海地質采礦條件下的“兩帶”發(fā)育高度，并對其發(fā)育特征進行了簡要分析；吳云等[6]將并行電法應用于兩帶發(fā)育高度的實測中，并用鉆孔成像技術驗證了并行電法的科學性；陳建華與朱續(xù)保[7]將理論分析、相似材料模擬、數(shù)值分析與現(xiàn)場實測得到的“兩帶”高度的科學性進行了探討，并對比分析了以上手段的準確性；譚毅等[8]對淺埋深堅硬頂板、非充分采動條件下的“兩帶”高度進行了實測分析，揭示了非充分采動條件下不同采寬“兩帶”高度發(fā)育呈階梯狀跳躍增長的特征；周金龍[9]對隆德煤礦205工作面“兩帶”高度進行了實測，并將實測值與經(jīng)驗公式對比說明了二者數(shù)值的差異問題；孫慶先等[10]應用彩色鉆孔電視、漏失量觀測等綜合手段確定了紅柳林煤礦大采高綜采條件下的“兩帶”高度；昌修林等[11]針對軟弱覆巖影響的“兩帶”高度經(jīng)驗公式計算誤差較大的特點，對計算公式進行了修正；趙明等[12]結合謝橋煤礦的巖性特征應用相似材料模擬研究了提高開采上限后的覆巖移動變形及“兩帶”高度發(fā)育特征；于鐘博等[13]應用鉆孔成像技術分析了鮑店煤礦地質采礦條件下的“兩帶”高度發(fā)育；侯公羽等[14]將光纖應用于相似材料模擬實驗中的應變監(jiān)測，并用光纖的突變點表征巖層的破斷垮落、用應變曲線表征巖層的變形過程；焦振華等[15]應用相似材料模擬試驗、鉆孔電視技術綜合確定了保護層下安全開采的垮落帶和裂隙帶的發(fā)育高度；曹丁濤等[16]針對經(jīng)驗公式與實測“兩帶”高度的誤差特征，基于40例實測數(shù)據(jù)擬合回歸了導水裂縫帶高度計算公式；喬軍好等[17]綜合數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式、井下實測、相似材料模擬等多手段，擬合求取了適用于綜放開采軟弱覆巖條件下的導水裂縫帶發(fā)育高度公式；張彬等[18]對軟弱巖層特厚煤層分層開采垮落帶和裂隙帶高度進行了漏失量觀測，并結合彩色鉆孔電視確定了其“兩帶”發(fā)育高度；張剛艷等[19]應用數(shù)值模擬分析了開采厚度、推進速度、工作面尺寸對“兩帶”發(fā)育高度的影響規(guī)律；劉卓然等[20]認為工作面推進速度、覆巖巖性、工作面尺寸對“兩帶”高度有一定的影響，并對各因素的影響特征進行了探究?！皟蓭А卑l(fā)育高度與煤層采厚、開采工藝、覆巖巖性等相關。由于礦井地質采礦條件復雜，眾多學者針對不同開采條件，采取了理論分析、經(jīng)驗公式、數(shù)值分析、現(xiàn)場實測等方法對覆巖“兩帶”發(fā)育高度進行了一系列研究；但針對于高強度綜采、工作面快速推進地質采礦條件下的“兩帶”發(fā)育高度相關研究較少。筆者以青龍寺煤礦綜采快速推進工作面為例，應用覆巖破壞勘察、鉆孔沖洗液流失量觀測、彩色鉆孔電視等多手段綜合分析了該地質采礦條件下的“兩帶”高度發(fā)育特征。

1 地質采礦條件

1.1 工程地質及工作面規(guī)劃

青龍寺煤礦隸屬榆林市府谷縣老高川鄉(xiāng)鎮(zhèn)管轄，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)地貌單元，井田地表絕大部分被第三系、第四系沉積物覆蓋。依據(jù)地質填圖及鉆孔揭露由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)延長組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，侏羅系中統(tǒng)延安組，新近系上新統(tǒng)保德組，第四系上、中更新統(tǒng)，全新統(tǒng)河流沖積層及風積沙。

本區(qū)巖石飽和抗壓強度一般大于26 MPa，以中硬類巖石為主；巖石軟化系數(shù)，0.61～0.89，平均0.76，抗壓強度較易受水影響，飽和狀態(tài)比干燥狀態(tài)抗壓強度一般低6～12 MPa；正?；鶐r一般較完整，RQD值一般大于68%，砂巖組大于76%。層理是巖石的主要結構面，當巖石受力沿裂隙、層理破壞時，巖石抗壓強度降低。

青龍寺煤礦采用斜井開拓方式，設計生產(chǎn)能力300萬t/a，自上而下分別為3-1、3-2、4-2、5-2煤層，主采3-1、5-2煤。礦井首先開采5-201盤區(qū)的5-2煤層，盤區(qū)內工作面采用長壁采煤法，一次采全高，后退式開采，全部垮落法管理頂板。5-201盤區(qū)內5-20101、5-20102、5-20104、5-20105工作面已經(jīng)回采結束，正在回采5-20106工作面，盤區(qū)工作面平面布置如圖1所示。

圖1 5-201盤區(qū)工作面布置

1.2 工作面地質采礦特征

1)5-20101工作面概況。5-20101工作面為5-201盤區(qū)的首采工作面，位于5-201盤區(qū)的北側；工作面寬度301 m，工作面連續(xù)推進長度為3767 m，工作面北側為未開采的5-20102工作面，南側為5-2煤西翼大巷，東側為水管線保護煤柱，西側為石窯店煤礦。根據(jù)鉆孔資料揭露煤層厚度變化小，煤層中部夾有一層厚度平均在0.17 m的夾矸，主要為砂質泥巖，局部為泥巖；煤層平均厚度為2.3 m，煤層傾角1°左右。工作面于2016—2018年回采，工作面平均推進速度為10.4 m/d。

2)5-20105工作面概況。5-20105工作面為5-201盤區(qū)的第4個開采工作面，位于井田西南部；工作面寬度301 m，工作面連續(xù)推進長度為1536 m，工作面北側為5-2煤西翼大巷，南側為王塔煤礦越界采空區(qū)，東側為5-20105工作面，西側為5-20104工作面。煤層中部有一層夾矸，夾矸厚度一般為0.10 m，煤層平均厚度為2.36 m，煤層傾角平均≤1°。工作面于2021年回采，工作面平均推進速度為8.2 m/d。

2 覆巖破壞實測研究

為探明青龍寺煤礦5-2煤層“兩帶”發(fā)育規(guī)律，采用“地面鉆孔+漏失量觀測”方法，通過鉆進過程中沖洗液消耗量漏失、孔內水位變化、巖芯完整情況、彩色鉆孔電視探測巖層破碎情況等，綜合分析、確定覆巖破壞“兩帶”高度。

2.1 鉆孔孔位位置

根據(jù)煤炭行業(yè)標準《導水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》[21]的要求及5-201盤區(qū)各工作面的布置情況，分別在5-20101與5-20105工作面對應地表于2021年11月布設并施工2個覆巖觀測孔(如圖1所示)，具體情況如下：

1)Z1孔：位于5-20105工作面中部的運輸巷側，孔口坐標為(37457354.4，4332272.4，1214.0)，5-2煤底板標高為+1008 m，工作面平均采厚為2.36 m；根據(jù)采掘工程平面圖與地質臺賬可知，Z1孔附近采厚為2.38 m。

2)Z2孔：位于5-20101工作面中部的回風巷側，孔口坐標為(37459168.7，4333513.7，1235.0)，5-2煤底板標高為+1016 m，工作面平均采厚為2.3 m；根據(jù)采掘工程平面圖與地質臺賬可知，Z2孔附近采厚為2.30 m。

2.2 漏失量觀測及結果分析

鉆孔沖洗液法可直接觀測鉆進過程中的沖洗液漏失量、鉆孔水位、鉆進異常情況、巖芯完整性和地質描述等資料來綜合判定“兩帶”發(fā)育高度及特征的方法。青龍寺煤礦鉆孔漏失量情況如下：

1)Z1鉆孔觀測結果分析：Z1鉆孔的沖洗液漏失量自深度49.6 m開始，至深度131.6 m結束(深度132.8 m處由于巖層水平離層的發(fā)育、壓力較大，無法堵漏)，鉆孔沖洗液漏失量觀測結果如圖2所示。深度49.6 m至128.6 m深度范圍內，鉆孔沖洗液消耗量雖有所波動，但總體較為平穩(wěn)，單位時間單位進尺的沖洗液消耗量基本穩(wěn)定在0.2L/(s·m)以內，反映出鉆孔位置沖洗液觀測段地層完整性較好，裂隙不發(fā)育。自深度131.6 m以后，沖洗液漏失量明顯增加，直至深度132.8 m時不返水。鉆探過程中有明顯的掉鉆現(xiàn)象，最大掉鉆深度約0.02 m，可以判斷此處地層的離層較為發(fā)育；后期的彩色鉆孔電視探測也證實了這一點。

圖2 Z1孔單位時間單位進尺沖洗液漏失量

Z1鉆孔孔內水位觀測自深度58.19 m開始，至深度179.84 m結束，孔內水位觀測如圖3所示。由觀測數(shù)據(jù)可知，鉆孔深度在58.19～132.8 m范圍內，鉆孔水位下降速度基本保持平穩(wěn)。鉆孔深度在132.8～167.83 m范圍內，鉆孔水位下降速度逐漸加快，推斷此處橫向離層或巖層原生裂隙較為發(fā)育；后續(xù)經(jīng)彩色鉆孔電視勘察也進行了證實，此范圍內橫向離層有明顯發(fā)育。深度167.83 m以后，鉆孔內水位下降速度又有明顯增加，直至完全漏失。

圖3 Z1鉆孔單位時間鉆孔內液面下降速度

綜上，根據(jù)鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位下降速度初步判斷，Z1鉆孔導水裂縫帶頂點位于167.83 m深度的位置處。

2)Z2鉆孔觀測結果分析：Z2鉆孔沖洗液漏失量自深度77.47 m開始，至深度151.12 m結束(深度151.12 m處掉鉆與離層發(fā)育明顯，堵漏未成功)，鉆孔沖洗液漏失量觀測數(shù)據(jù)如圖4所示。由觀測數(shù)據(jù)可知，Z2鉆孔深度77.47～123.09 m范圍內，鉆孔沖洗液消耗量雖有所波動，但總體較為平穩(wěn)，單位時間單位進尺的沖洗液消耗量基本穩(wěn)定在0.5 L/(s·m)以內，反映出鉆孔位置沖洗液觀測段地層完整性較好，裂隙不發(fā)育。自深度123.09 m以后，沖洗液漏失量逐漸增加，并有較為明顯的波動，直至151.12 m深度時不返水。鉆探過程中有明顯的掉鉆現(xiàn)象，最大掉鉆深度約0.03 m，可以判斷此處離層較為發(fā)育；后續(xù)彩色鉆孔電視也證實了這一特征。

圖4 Z2孔單位時間單位進尺沖洗液漏失量

Z2鉆孔孔內水位觀測自深度74.99 m開始，至深度177.12 m結束，孔內水位觀測數(shù)據(jù)如圖5所示。由觀測數(shù)據(jù)可知，鉆孔深度在74.99～123.09 m范圍內，鉆孔水位下降速度基本保持平穩(wěn)。鉆孔深度在123.09～171.13 m，鉆孔水位下降速度逐漸加快，推斷此處裂隙較為發(fā)育，后續(xù)經(jīng)彩色鉆孔電視勘察也證實了該特征，此范圍內有明顯的橫向離層發(fā)育，離層內含水。深度171.13 m以后，鉆孔內水位下降速度又有明顯增加，直至完全漏失。

圖5 Z2鉆孔單位時間鉆孔內液面下降速度

綜上，根據(jù)鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位下降速度初步判斷，Z2鉆孔導水裂縫帶頂點位于171.13 m深度的位置。

2.3 彩色鉆孔電視探測及結果分析

1)Z1鉆孔彩色電視探測結果分析：由鉆孔電視探測結果可知，Z1鉆孔132 m深度以上，巖層總體較為完整，在深度為132.8～141 m范圍內，出現(xiàn)明顯的橫向離層或裂隙，如圖6(a)所示。在深度為142～167.8 m范圍內，巖層相對較為完整，采動裂隙不明顯。在深度為167.83 m時，巖層出現(xiàn)細微的豎向采動裂縫，如圖6(b)所示；深度為173.9 m時，開始出現(xiàn)明顯采動裂隙，并隨著鉆孔深度的增加，采動裂隙逐漸增多，裂隙寬度增大。在深度為199.3 m時，出現(xiàn)明顯的垮落帶特征，如圖6(c)所示。

圖6 Z1孔彩色電視探測結果

根據(jù)彩色鉆孔電視觀測結果并結合漏失量觀測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場鉆探過程中出現(xiàn)的掉鉆、卡鉆等異常情況，確定深度為167.83 m處為導水裂縫帶頂點，深度為199.3 m處為垮落帶頂點。

2)Z2鉆孔彩色電視探測結果分析：由鉆孔電視探測結果可知，Z2鉆孔120 m深度以上，巖層總體較為完整。在深度為122.9 m處，開始出現(xiàn)橫向離層，如圖7(a)所示；在深度為142.9 m開始有離層水流向孔內，并隨深度增加逐漸增多，直至孔深為183.6 m處完全漏失；在深度171.1 m處發(fā)現(xiàn)小型的斜向采動裂隙，如圖7(b)所示；在孔深174.7 m處可看到明顯的采動裂隙發(fā)育，并隨著鉆孔深度的增加，采動裂隙逐漸增多，裂隙寬度增大；在深度為201 m時，出現(xiàn)明顯掉鉆、卡鉆等異常情況，進入垮落帶。

圖7 Z2孔彩色電視探測結果

根據(jù)鉆孔電視觀測結果并結合鉆孔漏失量觀測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場鉆探過程中出現(xiàn)的掉鉆、卡鉆等異常情況，確定深度為171.13 m處為導水裂縫帶頂點，深度為201 m處為垮落帶頂點。

2.4 “兩帶”高度探測綜合分析

綜合分析鉆孔沖洗液漏失量及彩色鉆孔電視勘察結果，并結合鉆探過程中掉鉆、卡鉆等異常情況，確定Z1鉆孔導水裂縫帶發(fā)育高度為31.47 m，裂采比為17.4；垮落帶高度為6.7 m，垮采比為4.1。確定Z2鉆孔導水裂縫帶發(fā)育最大高度為29.87 m，裂采比為20.4；垮落帶最大高度為18.0 m，垮采比為7.4。

基于青龍寺煤礦的實測裂縫帶高度和垮落帶數(shù)據(jù)，計算得到垮采比和裂采比可作為青龍寺煤礦其它工作面及相似地質采礦條件下預計“兩帶”高度計算、多煤層上行開采及水體下采煤參考及類比范例。

3 覆巖破壞特征分析

3.1 經(jīng)驗公式對比分析

自1950年開始，眾學者在全國二百余個礦井開展了覆巖破壞及“兩帶”發(fā)育的觀測及研究工作，基于實測數(shù)據(jù)回歸出不同巖性“兩帶”高度計算經(jīng)驗公式，巖性為中硬時垮落帶及導水裂縫帶高度計算公式[1]分別為：

將青龍寺煤礦采厚M=2.3 m代入上述公式，可得垮落帶高度Hk=10.0 m、導水裂縫帶高度Hli=37.2 m。由此可知應用經(jīng)驗公式計算得到的“兩帶”發(fā)育高度小于機械化程度較高、工作面快速推進的現(xiàn)代化礦井的“兩帶”高度實測值。

3.2 工程對比分析

孫營岔一礦與青龍寺煤礦井田之間僅隔有王塔煤礦，孫營岔一礦51205工作面平均推進速度為3.4 m/d(每月推進約103 m)、主采5-1煤層，G6鉆孔附近采深約114 m、平均采厚3.6 m，開采及施工時間與青龍寺煤礦Z1鉆孔相近。通過G6號鉆孔進行鉆孔沖洗液漏失量觀測和孔內鉆孔電視觀測，實測孫營岔一礦5-1煤層長壁綜采區(qū)的垮落帶高度為14.72 m，垮采比為4.08，導水裂縫帶高度為55.12 m，裂采比為15.31?？梢?，孫營岔一礦工作面推進速度較慢，其垮采比、裂采比均小于工作面推進速度較快的青龍寺煤礦“兩帶”高度對應數(shù)值。

3.3 特殊性分析

式(1)—(2)是基于當時普遍采用的普采和分層綜采而得來的，相關學者也針對綜放開采特征進行了適用性分析[22]；受限于當時的機械化及技術水平，當時礦井工作面推進速度為2～3刀煤/d(推進速度約50～80 m/月)，工作面推進速度較慢。青龍寺煤礦地質采礦條件下工作面推進速度快(約8.2～10.4 m/d)，應用經(jīng)驗公式計算得到的“兩帶”發(fā)育高度小于實測數(shù)據(jù)值；對于機械化程度較高、工作面快速推進的現(xiàn)代化礦井，式(1)—(2)的適用性較差。

現(xiàn)對于以往機械化程度較低的普采工作面，高強度快速推進工作面的推進速度越快，下部穩(wěn)定結構越難以形成、致使垮落帶高度越大、上覆巖層同步移動變形程度越好、導水裂縫帶高度發(fā)育值越大。分析其原因可知，推進速度將影響已垮落塊體的新的穩(wěn)定結構形成。工作面推進速度越快，直接頂保持穩(wěn)定狀態(tài)且整體豎向下沉變形量越大，導致失穩(wěn)后的基本頂回轉角度越小。工作面推進速度越慢，老頂失穩(wěn)后回轉角度越大，破斷的基本頂更容易形成穩(wěn)定的鉸接結構，進而通過穩(wěn)定結構抑制“兩帶”向上發(fā)育。

4 結 論

1)綜合分析鉆孔沖洗液漏失量及彩色鉆孔電視勘察結果，并結合鉆探過程中掉鉆、卡鉆等異常情況，確定青龍寺煤礦地質采礦條件下導水裂縫帶發(fā)育最大高度為41.47～46.87 m，裂采比為17.4～20.4；垮落帶最大高度為9.7～17.0 m，垮采比為4.1～7.4。

2)經(jīng)驗公式對于高強度快速推進工作面的“兩帶”高度預計適用性較差；應用經(jīng)驗公式計算得到的“兩帶”發(fā)育高度小于機械化程度較高、工作面快速推進的現(xiàn)代化礦井的“兩帶”高度實測值。

3)工作面推進速度可影響已垮落塊體的穩(wěn)定結構形成，高強度快速推進工作面的推進速度越快，下部穩(wěn)定結構越難以形成，致使垮落帶高度大、導水裂縫帶發(fā)育高度大。