綜采工作面覆巖破壞高度實測研究

李 杰，張俊英，馬丕梁，陳清通

（1.煤炭科學(xué)研究總院安全分院，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測分院，北京100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 （煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

綜采工作面覆巖破壞高度實測研究

李 杰1，3，張俊英1，3，馬丕梁2，陳清通1，3

（1.煤炭科學(xué)研究總院安全分院，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測分院，北京100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 （煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度對于確保煤礦水體下安全生產(chǎn)以及地表水、地下水資源等的保護都具有十分重要的意義。陜蒙交界處某煤礦為了確保生產(chǎn)安全，在2201綜采工作面上方，布置了2個鉆孔，采用鉆孔沖洗液消耗觀測法和鉆孔電視觀測法，對覆巖破壞狀態(tài)進(jìn)行了實測。通過對實際觀測資料的總結(jié)分析，獲得了該區(qū)綜采條件下的導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶發(fā)育規(guī)律并進(jìn)行了相關(guān)對比研究，研究成果為條件類似礦井縮小防水煤柱、提高采煤上限等提供了參考。

綜采工作面;覆巖破壞;導(dǎo)水裂縫帶;垮落帶

煤層開采破壞了巖體的原始應(yīng)力場，使得采場圍巖和采空區(qū)的應(yīng)力發(fā)生變化并重新分布，從而引起圍巖，尤其是采空區(qū)上覆巖層發(fā)生變形、開裂及破壞。覆巖破壞的范圍與程度將直接決定水體下采煤的安全與否。覆巖破壞高度包括垮落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度，是“三下”采煤安全性評價的重要參數(shù)［1－2］。覆巖破壞高度的確定，可以通過現(xiàn)場觀測、經(jīng)驗公式預(yù)計、數(shù)值模擬計算等方法得出［3－4］。目前，我國西北地區(qū)垮落帶高度和裂縫帶高度實測資料缺乏，陜蒙某煤礦為了確保生產(chǎn)安全，在2201綜采工作面上方，布置了2個鉆孔，采用鉆孔沖洗液消耗觀測法和鉆孔電視觀測法，對覆巖破壞高度進(jìn)行了實測研究。

1 礦井概況及水文地質(zhì)條件

該煤礦位于陜蒙礦區(qū)，2201工作面開采2－2煤層，工作面位于井田邊界北西一側(cè)，回采范圍內(nèi)第四系松散層厚度為5～25m，上覆基巖厚度為260～290m。工作面沿煤層走向推進(jìn)，走向長度3648m，傾向長度300m，傾角為1～3°，采深280～340m。采煤方法為走向長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法，一次采全高，采厚2.8m，全部垮落法控制頂板。推進(jìn)速度為8.47m/d。

工作面內(nèi)水文地質(zhì)情況簡單，含水層主要為侏羅系直羅組裂隙承壓含水層和侏羅系－白堊系志丹群砂巖裂隙潛水含水層，含水性較弱，為HCO3－Ca型水，礦化度低。工作面正常涌水量15～30m3/h。煤層頂板情況如表1。

2 現(xiàn)場觀測研究

2.1 觀測方法

現(xiàn)場觀測采用鉆孔沖洗液消耗觀測法和鉆孔電視觀測法。

鉆孔沖洗液消耗觀測法 通過直接測定鉆進(jìn)過程中的鉆孔沖洗液消耗量、鉆孔水位、鉆進(jìn)速度、卡鉆、掉鉆、鉆孔吸風(fēng)、巖芯觀察及地質(zhì)描述等資料，綜合判定垮落帶和裂縫帶高度及其破壞特征的一種方法。裂縫帶高度主要是根據(jù)鉆孔沖洗液消耗量、周圍巖體破壞程度和鉆孔水位觀測等結(jié)果加以確定;垮落帶高度則主要是根據(jù)鉆進(jìn)異?，F(xiàn)象加以確定。

彩色鉆孔電視系統(tǒng) 彩色鉆孔電視系統(tǒng)是把自帶光源的防水?dāng)z像探頭放入地下鉆孔中，在地面的彩色監(jiān)視器上可直接觀測地下鉆孔的地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)圖像的形態(tài)、顏色及光亮等信息，可用于識別巖性、裂隙、空洞、軟弱夾層等情況，并用錄像磁帶保存測井資料。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2.2 鉆孔布置及現(xiàn)場觀測

現(xiàn)場觀測采用D1鉆孔和D2鉆孔，兩鉆孔位置均處于2201綜采工作面上。D1孔位于工作面中部，距離工作面運輸巷150m，孔口距離煤層頂板311.5m;D2孔距離工作面運輸巷25m，孔口距離煤層頂板299m。工作面回采時間為2010年2月－2011年4月，鉆孔觀測時間為2011年3月27日－2011年4月10號。鉆孔位置示意如圖1。

圖1 鉆孔位置布置

2.3 觀測結(jié)果

2.3.1 D1鉆孔覆巖破壞高度觀測

觀測D1鉆孔從232m套管以下取芯揭露地層情況。沖洗液漏失量觀測從孔深242m處開始，從孔深271.02m處鉆孔沖洗液不返水，孔深271.52m提鉆孔內(nèi)無水，取出巖芯有縱向斷裂跡象。從孔深280m隨著鉆進(jìn)過程，偶爾有壓力，在287.0m處出現(xiàn)200～300m的掉鉆現(xiàn)象。在孔深296～298m處頻繁掉鉆，且伴隨卡鉆現(xiàn)象，取出巖芯較少，且非常破碎，孔內(nèi)有明顯吸風(fēng)。孔深242.0～254.0m處沖洗液漏失量變化不大，總體趨于平緩。從孔深254.0m開始，沖洗液漏失量開始有變化，先快速增大，后又趨于平緩，分析可能存在原生裂隙導(dǎo)致。在孔深271.0m沖洗液循環(huán)中斷，全部漏失，經(jīng)注水試驗后并不返水。單位時間單位進(jìn)尺漏失量同單位時間漏失量的變化趨勢一致。圖2和圖3分別為D1鉆孔漏失量隨孔深變化曲線圖和下鉆前孔內(nèi)水位隨孔深變化曲線圖。

圖2 D1鉆孔漏失量隨孔深變化曲線

圖3 D1鉆孔下鉆前孔內(nèi)水位隨孔深變化曲線

由圖2和圖3可知，孔內(nèi)水位隨著鉆孔深度的增加呈下降趨勢，綜合沖洗液漏失量、鉆孔水位隨孔深的變化情況及巖芯情況可以看出:在D1鉆孔深270.8m處鉆孔沖洗液漏失量明顯增大，至271m處沖洗液循環(huán)中斷，在孔深271.5m提鉆后孔內(nèi)無水位且?guī)r芯較為破碎，有縱向斷裂跡象。綜合分析，判定271m處為D1鉆孔導(dǎo)水裂縫帶的頂點?？卓诰嚯x煤層頂板高度為311.5m。

導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式為:

式中，Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m;H為煤層頂板距離孔口垂深，m;h為裂縫帶頂點距離孔口垂深，m;W為打鉆觀測時裂縫帶巖層的壓縮值，m。

在D1鉆孔位置煤層采厚M為2.8m，取W=0.2M，即0.56m，經(jīng)計算D1鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度41.06m，為采厚的14.66倍。

在鉆進(jìn)過程中，在D1鉆孔孔深287m發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，在孔深296～298m掉鉆頻繁，且發(fā)生卡鉆及鉆具振動加劇，鉆孔內(nèi)有明顯的吸風(fēng)現(xiàn)象，取出巖芯較少，且非常破碎。因此判定在孔深296m處為D1孔的垮落帶頂點。

垮落帶高度計算公式為:

式中，Hm為垮落帶高度，m。

經(jīng)計算D1鉆孔垮落帶高度為16.06m，為采厚的5.74倍。

2.3.2 D2鉆孔覆巖破壞高度觀測

D2鉆孔孔深在233.75m處不返水，灌水后返水，鉆進(jìn)至234.5m處又不返水，提鉆后巖芯未能取出，孔內(nèi)有120m水位，鉆進(jìn)至236.68取巖芯，巖芯完整，236.68～237.43m沖洗液循環(huán)良好，237.18m時不返水，提鉆后巖芯良好，孔內(nèi)有70m水位，進(jìn)行灌水試驗?？變?nèi)灌滿水，水位迅速下降至20m左右，后緩慢下降。分析漏水原因，鉆具在套管內(nèi)空轉(zhuǎn)時水位循環(huán)，在到孔底位置時仍有水位循環(huán)，鉆進(jìn)0.2m時不返水，分析得出有原生裂隙存在，決定2m一提鉆觀測孔內(nèi)水位。在孔深260.07m處孔內(nèi)有62.5m水位，在262.97m處孔內(nèi)沒水。在孔深 281.41m處掉鉆 0.3m，在283.41m提鉆后孔內(nèi)吸風(fēng)明顯。在孔深283.5m后頻繁掉鉆，且伴隨卡鉆現(xiàn)象，取出巖芯少，且非常破碎，孔內(nèi)有明顯吸風(fēng)。

由于D2鉆孔觀測段原生裂隙多，漏失量無法進(jìn)行精確測量，只能通過鉆孔水位、巖芯、鉆孔電視等進(jìn)行判定導(dǎo)水裂縫帶及垮落帶。圖4為D2孔247.9～284.9m鉆孔電視成像圖。

通過鉆孔水位、鉆孔彩色電視觀測結(jié)果及鉆進(jìn)記錄綜合分析，判定D2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶頂點為261.4m，煤層頂板距離孔口垂深為299m，D2孔位至煤層開采厚度為2.8m，因此D2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度為38.16m，為采厚的13.63倍。根據(jù)鉆進(jìn)過程異常現(xiàn)象及鉆孔電視觀測，判定垮落帶頂點為283m，經(jīng)計算D2鉆孔垮落帶高度為16.56m，為采厚的5.9倍。

2.4 觀測成果總結(jié)

實測D1孔導(dǎo)水裂縫帶高度41.06m，為采厚的14.66倍;D2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度為38.16m，為采厚的13.63倍。兩者比較接近，平均值為39.61m，為采厚的14.15倍。

圖4 D2孔247.9～284.9m鉆孔電視成像圖

實測D1鉆孔垮落帶高度為16.06m，為采厚的5.74倍。D2鉆孔垮落帶高度為16.56m，為采厚的5.9倍。兩者比較接近，平均值為16.31m，為采厚的5.82倍。

正常情況下，導(dǎo)水裂縫帶分布呈馬鞍型，邊界上方高度略大于中央。本區(qū)D1孔位于采空區(qū)傾向中央、D2孔位于邊界內(nèi)，D1孔導(dǎo)水裂縫帶高度大于D2孔，分析其原因是由于D2鉆孔觀測段原生裂隙多，漏失量無法進(jìn)行精確測量，導(dǎo)水裂縫帶高度是通過鉆孔水位、巖芯、鉆孔電視等進(jìn)行判定確定的，存在一些誤差，故D2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度應(yīng)大于38.16m，考慮到 D1孔導(dǎo)水裂縫帶高度41.06m，結(jié)合本區(qū)地質(zhì)采礦條件，建議本區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度取43m左右為宜，為采厚的15.36倍。

3 規(guī)程公式對比分析

導(dǎo)水裂縫帶高度和垮落帶高度與地質(zhì)和采礦條件密切相關(guān)，目前也尚無統(tǒng)一的多元相關(guān)表達(dá)式。因此，本文根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［5－7］對“兩帶”發(fā)育高度進(jìn)行了計算。

綜合考慮采場上覆地層的巖性和地質(zhì)條件，覆巖選為中硬巖層，根據(jù)規(guī)程，采用如下公式對垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行計算［5－7］。

式中，Hm為垮落帶高度，m;Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m;∑M為煤層累計開采厚度，m。

根據(jù)上式，計算得2－2煤層垮落帶最大高度為10.42m，為采厚的3.72倍;導(dǎo)水裂縫帶高度為43.47m，為采厚的15.52倍。

結(jié)果表明，實測垮落帶高度比經(jīng)驗理論計算值略大，計算得到的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與實際觀測高度基本符合，故規(guī)程中的導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式在本區(qū)是適用的。

4 結(jié)論

（1）通過鉆孔沖洗液漏失量法和鉆孔電視法，對覆巖破壞的發(fā)育情況進(jìn)行直觀觀測，得出該礦綜采條件下導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶的發(fā)育高度。實測D1鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度41.06m，為采厚的14.66倍;D2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度為38.16m，為采厚的13.63倍。實測D1鉆孔垮落帶高度為16.06m，為采厚的5.74倍;D2鉆孔垮落帶高度為16.56m，為采厚的5.9倍。

（2）結(jié)合該礦地質(zhì)條件，建議該礦導(dǎo)水裂縫帶高度取43m左右為宜，為采厚的15.36倍;垮落帶高度取平均值16.31m，為采厚的5.82倍。

（3）實測值與規(guī)程公式計算值對比分析表明，規(guī)程中的導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式在該礦區(qū)適用。

［1］武 雄，汪曉剛，段慶偉，等.重大水利工程下礦產(chǎn)開采對其安全影響評價及加固措施研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（2）:338－346.

［2］武 雄，楊 健，段慶偉，等.煤層開采對岳城水庫安全運行的影響［J］.水利學(xué)報，2004（9）:100－104.

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［4］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

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Observation of Overlying Strata Broken in Full-mechanized Mining Face

LI Jie1，3，ZHANG Jun-ying1，3，MA Pi-liang2，CHEN Qing-tong1，3
（1.Safety Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Detection Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;3.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining ＆ Clean Utilization，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China）

It is very important that obtaining height of water-inductive fissure zone for ensuring safe mining under water body and protecting surface and underground water resources.Applying borehole flush consumption borehole TV observation，2 boreholes were constructed over 2201 full-mechanized mining face to observe overlying strata broken state.The development rule of water-inductive fissure zone and caving zone of this area were obtained.Results could provide reference for reduce waterproof coal-pillar and enhancing mining upper limit in mine with similar conditions.

full-mechanized mining face;overlying strata broken;water-inductive fissure zone;caving zone

TD325.4

A

1006-6225（2012）02-0082-04

2012－02－06

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目 （51004065）

李 杰 （1986－），男，江蘇徐州人，在讀碩士?，F(xiàn)從事開采損害防治及采空區(qū)勘查等方面的科研及技術(shù)服務(wù)工作。

［責(zé)任編輯:張玉軍］

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