郭斌

（忻州市應(yīng)急管理局，山西 忻州 034000）

1 概 況

東峰煤業(yè)井田位于山西黃土高原的中部，礦井批準(zhǔn)開采8 號、9 號煤層，8 號煤層位于太原組下段頂部，L1灰?guī)r之下，上距7 號煤層平均24.67 m，下距9 號煤層平均3.68 m；7 號煤層、9 號煤層基本未采動，結(jié)構(gòu)為1.4～1.6 m〈0.02～0.1 m（局部）〉 1.6～2.94 m，平均厚度3.6 m，煤層傾角為-2°～6°，結(jié)構(gòu)簡單，含1 層夾矸，為井田穩(wěn)定可采煤層。煤層基本頂為L1灰?guī)r，9 號煤層上距8號煤層平均3.68 m，煤層均厚3.1 m。礦井現(xiàn)階段開采9 號煤層，9 號煤層蓋山厚度較大，地表無煤層露頭，無河流、水源井、小窯井口分布，無塌陷等地表水滯留地形條件，預(yù)計地表水對該工作面正常開采影響較小。9 號綜采工作面頂板上距L1石灰?guī)r含水層平均距離9.0 m，L1石灰?guī)r含水層平均厚度為2.3 m，富水性較弱；上距K3石灰?guī)r含水層32.85 m，K3石灰?guī)r含水層厚度為6.38 m，富水性中等；上距K2石灰?guī)r含水層47.98 m，K2石灰?guī)r含水層厚度為10.43 m，富水性較好。

根據(jù)鉆探情況分析，L1薄層石灰?guī)r含水層該含水層單位涌水量小于0.05 L/s·m，充水強(qiáng)度較弱，對回采影響較??；K3石灰?guī)r含水層單位涌水量小于0.07～0.11 L/s·m，充水強(qiáng)度較弱，對9 號煤層采煤工作面正常生產(chǎn)影響較??；K2石灰?guī)r含水層單位涌水量小于0.78～1.15 L/s·m，充水強(qiáng)度中等，可能對9 號煤層采煤工作面正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響。9號煤層底板高程1 053～1 091 m，井田內(nèi)奧灰水位推測標(biāo)高為884—886 m，奧灰水位低于9 號煤層底板177 m，因此奧灰?guī)r溶水不會對8101 工作面造成威害。

根據(jù)9 號煤層水文地質(zhì)條件可知，煤層主要充水水源為頂板巖層內(nèi)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對于工作面涌水水源、涌水量預(yù)測及水害治理措施的設(shè)計具有重要意義，因此采用相似模型、現(xiàn)場實測手段對該工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度展開相關(guān)研究。

2 相似模型

2.1 相似模擬模型的建立

相似模擬實驗將工程實體按比例縮小，采用自行研制的測試平臺，以河砂為骨料，石膏為水泥，石灰為填料，按不同比例模擬軟、中、硬巖層，用白云母片作為巖層間的節(jié)理面。通過對東峰煤業(yè)9號煤層一采區(qū)地質(zhì)資料的分析，確定模擬實驗的地層，實驗中以1∶100 的比例模擬煤層重復(fù)開采條件下覆巖裂縫的發(fā)育和演化。模擬地層厚度約100 m，長約100 m，厚約20 m，7 號煤層上覆巖層厚度為52 m，7 號煤層厚度0.7 m，與下方8 號煤層間巖層厚度24 m，8 號煤層厚度3.6 m，9 號煤層厚度3.1 m，模型詳情如圖1 所示。

圖1 相似模型概念示意圖Fig.1 Concept diagram of similar model

2.2 重復(fù)采動下覆巖裂隙發(fā)育及演化特征

將模型劃分為一次煤層開挖和二次煤層開挖，每層開挖80 cm（模擬工作面回采80 m），8 號煤層、9 號煤層均由左側(cè)開挖，在開挖過程中，利用攝像機(jī)記錄煤層和上覆巖石的變化。上煤層開采前，下煤層和頂板存在大量原生裂隙，上層煤采礦引起應(yīng)力變化，導(dǎo)致這些主裂縫擴(kuò)展成各種形式的新次生裂縫。

圖2 為近距離煤層組上層煤初采覆巖裂隙形成、發(fā)育與演化模擬結(jié)果。8 號煤層工作面開挖10 m 時，頂板完好無損，無明顯裂縫，圍巖狀況良好，相反底板巖層出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，表明頂板巖層強(qiáng)度更低；當(dāng)8 號煤層工作面開挖至80 m 時，直接頂基本已全部垮塌，上覆巖層裂縫向上發(fā)育，工作面前方頂板呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，工作面推進(jìn)方向中部區(qū)域頂板冒落高度最大，冒落帶高度約為15 m，上覆巖層內(nèi)出現(xiàn)明顯的裂隙發(fā)育和局部輕微破碎現(xiàn)象，裂隙帶發(fā)育高度約為15～45 m。綜上所述，近煤層組上煤層開采過程中覆巖裂隙發(fā)育模式與單煤層相似，工作面后方基本頂板破碎，上覆巖體裂隙呈階梯沉降。

圖2 上層煤采動期間覆巖裂隙發(fā)育模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of overburden fracture development during upper coal mining

圖3 為近距離煤層組二次開采時上覆巖裂隙發(fā)育及演化的模擬圖，可以看出，9 號煤層工作面開挖10 m、25 m 時，層間巖層保持穩(wěn)定，上覆巖層無明顯裂縫和垮塌，頂板和底板完好無損，圍巖狀況良好，說明此時下層煤的開采并未對上覆采空區(qū)穩(wěn)定造成顯著影響，上覆巖層冒落高度和裂隙發(fā)育范圍無明顯增大；在9 號煤層工作面開采30 m 時，層間巖層第一次破裂坍塌，且上覆巖層出現(xiàn)明顯的垮落現(xiàn)象，并且導(dǎo)致裂隙發(fā)育范圍擴(kuò)大；后續(xù)工作面開采期間，層間巖層呈階段性垮落特征，上覆巖層冒落高度和裂隙發(fā)育高度逐漸增大；在9 號煤層工作面開采78 m 時，層間巖層全部破壞垮落，上覆巖層冒落范圍和裂隙發(fā)育范圍較9 號煤層開采前顯著增大，冒落帶高度約為30 m，裂隙明顯發(fā)育的巖層高度范圍為30～58 m。

圖3 下層煤期間覆巖裂隙發(fā)育模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of overburden fracture development during lower coal mining

綜上所述，下煤層二次開挖時上覆巖移動及裂隙發(fā)育規(guī)律與一次開采時不同。下煤層覆巖在開采擾動下更容易發(fā)生局部失穩(wěn)和破裂，導(dǎo)致頂板垮落步距減小，下煤層工作面初次來壓步距30 m，后續(xù)周期來壓步距約10 m，與單一煤層開采相比，近距離采空區(qū)下工作面來壓更為頻繁。在下煤層回采過程中，上煤層的垮落矸石將荷載轉(zhuǎn)移給下煤層，導(dǎo)致下煤層覆巖上形成新的砌體梁結(jié)構(gòu)。隨著工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)中部頂板裂隙發(fā)育擴(kuò)大，覆巖的穩(wěn)定狀態(tài)再次被打破，采空區(qū)頂板巖層冒落范圍和裂隙帶發(fā)育范圍再次增大，9 號煤層開采后冒落帶高度約為30 m，裂隙帶發(fā)育范圍為30～58 m。

3 現(xiàn)場實測

為研究9 號煤層頂板裂隙區(qū)演化特征，采用鉆孔雙端堵漏法進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，旨在為確定覆巖裂縫發(fā)育規(guī)律提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)支持。在東峰煤礦9101 運輸順槽及回風(fēng)順槽內(nèi)設(shè)計布置頂?shù)装邈@孔，觀測孔的布置如圖4 所示，采用鉆孔雙端堵漏檢測方法，對上覆巖層“三帶”進(jìn)行了觀測分析。

圖4 頂?shù)装逵^測鉆孔布置Fig.4 Observation drilling hole layout in roof and floor

東峰煤礦9 號煤層頂?shù)装辶严栋l(fā)育情況觀測任務(wù)歷時90 d，在此期間工作面推進(jìn)了660 m，完成了導(dǎo)水裂縫帶觀測任務(wù)，提供了可靠的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)各觀測孔的漏失數(shù)據(jù)繪制出鉆孔漏失量變化曲線，如圖5 所示。

圖5 采前、采后頂?shù)装邈@孔漏失量實測結(jié)果Fig.5 Measured results of drilling hole leakage of roof and floor before and after mining

由圖5（a） 可知，對于采前頂板鉆孔漏失量變化，觀察到當(dāng)鉆孔穿過煤層時，有明顯的漏失量增加。對比采前、采后觀測數(shù)據(jù)可以看出，隨著孔深超過30 m，采后、采前頂板鉆孔的流量差逐漸增大，工作面開采前，在50 m 深度以上，漏失流量有減小的趨勢，但采后頂板鉆孔的漏失流量仍呈現(xiàn)增大趨勢，且明顯大于工作面開采前，這表明30～50 m 范圍是裂隙較為發(fā)育的區(qū)域，裂隙在50～66 m 內(nèi)持續(xù)存在，但發(fā)育程度較低。由此可計算出觀測范圍內(nèi)對應(yīng)的垂向高度，裂縫帶高度為28.7～55.5 m。

由圖5（b） 可知，當(dāng)鉆孔深度超過6 m 時，開采前與開采后漏失量差距逐漸增大，說明該范圍內(nèi)巖層破碎間嚴(yán)重，計算出相應(yīng)的垂向深度為5.2 m，即底板明顯破壞深度范圍為5.2 m。

4 結(jié) 論

（1） 通過建立物理相似模型模擬研究表明，東峰煤礦上位8 號煤層開采時，對底板巖層及9 號煤層造成一定破壞，冒落帶巖層高度為15 m，裂隙帶發(fā)育高度范圍為15～45 m；9 號煤層開采后冒落帶巖層高度達(dá)到30 m，裂隙帶發(fā)育高度范圍為30～58 m。

（2） 在東峰煤礦9101 工作面開展雙端封堵測漏法實測研究表明，頂板巖層裂縫帶高度為28.7～55.5 m，底板明顯破壞深度范圍為5.2 m。

（3） 此次研究結(jié)果表明，通過物理相似模擬得到的裂隙帶發(fā)育范圍與實測結(jié)果較接近，近距離煤層分層開采覆巖垮落及裂隙發(fā)育與單層煤開采存在明顯差異，采用傳統(tǒng)的覆巖“三帶”經(jīng)驗公式無法準(zhǔn)確預(yù)測下層煤開采覆巖“三帶”的發(fā)育規(guī)律，可采用物理模擬實驗或現(xiàn)場實測的方式展開“三帶”發(fā)育規(guī)律的研究。