淺埋煤層綜采面覆巖破壞規(guī)律的鉆探實(shí)測(cè)研究

蔚保寧 黃慶享

摘 要：為研究淺埋綜采工作面上覆巖層破壞規(guī)律，準(zhǔn)確判定采空區(qū)冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，以哈拉溝煤礦22208工作面淺埋煤層開(kāi)采為背景，利用鉆孔探測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了探測(cè)分析。在哈拉溝煤礦22208工作面布置采前、采后鉆孔共計(jì)8個(gè)，利用鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法和彩色鉆孔電視觀測(cè)法對(duì)鉆孔進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，得出切眼中部冒落帶發(fā)育高度為7.22 m，切眼兩端區(qū)域冒落帶發(fā)育高度為13.42 m，切眼中部導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為49.32 m，切眼兩端區(qū)域?qū)严稁Оl(fā)育高度至少為50.82 m。“三元溝”溝底冒落帶發(fā)育高度為10.1 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為25.8 m，“三元溝”出溝區(qū)域冒落帶發(fā)育高度為21.2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為51.6 m。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：工作面進(jìn)回風(fēng)巷附近和“三元溝”溝底導(dǎo)水裂隙帶較發(fā)育，是工作面防治水、防潰水潰砂的重點(diǎn)區(qū)域，需現(xiàn)場(chǎng)提前采取措施并實(shí)時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)防護(hù)。關(guān)鍵詞：淺埋煤層;覆巖破壞;鉆孔電視;冒落帶;導(dǎo)水裂隙帶中圖分類(lèi)號(hào)：TD 991

文章編號(hào)：1672-9315（2022）01-0033-07??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0105開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Drilling measured research on overburden failure

law in shallow buried longwall face

WEI Baoning1，2，HUANG Qingxiang1

（1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

Abstract：The No.22208 working face in Halagou coal mine is taken as the research object to study the overburden failure law in shallow buried longwall face，and determine the development height of caving zone and water flowing fractured zone accurately.The drilling measured technology is applied to reveal the overburden failure law.Eight drilling holes，including drilling holes before and after mining，were arranged in No.22208 working face.The drilling hole fluid consumption observation method and color drilling hole television observation method were used to obtain the development height.The development height of the caving zone in the middle of the cutting hole is 7.22 m，while it is 1342 m in the cutting hole nearby the roadway;the development height of the water flowing fractured zone in the middle of the cutting hole is larger than 49.32 m，while it is larger than 50.82 m in the cutting hole nearby the roadway.The development height of the caving zone is 10.1 m in the bottom of the Sanyuan Gully，and the development height of the water flowing fractured zone is larger than 25.8 m.The development height of the caving zone is 21.2 m in the out of the Sanyuan Gully，the development height of the water flowing fractured zone is larger than 51.6 m.The in-site measurement results show that the water flowing fractured zone is more developed in the bottom of the Sanyuan Gully or nearby the roadway，which is the key area to prevent water and sand burst，and measures should be carried out in advance as well as monitoring on real-time.Key words：shallow buried longwall face;overburden failure;drilling hole television;caving zone;water-flowing fractured zone

0 引 言

薄基巖、厚松散含水層是神東礦區(qū)淺埋煤層典型地質(zhì)特征之一[1-2]。該區(qū)域地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，一般采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁式開(kāi)采方法，具有工作面開(kāi)采強(qiáng)度大、資源采出率高、效益好、安全性高的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，但獨(dú)特的地質(zhì)采礦條件和高強(qiáng)度的采礦技術(shù)方法導(dǎo)致了該區(qū)域特殊的采動(dòng)損害特征，并形成了一系列相應(yīng)的礦井災(zāi)害和安全隱患，造成地下水的生態(tài)破壞[5-6]。薄基巖、厚松散層區(qū)域采煤過(guò)程中由于受開(kāi)采參數(shù)、地質(zhì)條件等因素影響，圍巖容易破壞導(dǎo)通至頂板含水層、地表或相鄰工作面采空區(qū)[7-8]。近年來(lái)曾多次發(fā)生嚴(yán)重的潰水或潰水潰砂事故，事故造成工作面被淹，井下生產(chǎn)設(shè)備被掩埋，多次造成工作停產(chǎn)維護(hù)。對(duì)井下安全高效開(kāi)采環(huán)境構(gòu)成極大威脅[9-10]，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

煤礦潰水潰砂災(zāi)害的發(fā)生條件和機(jī)理十分復(fù)雜，與煤層上覆含水層的規(guī)模和性質(zhì)、煤層開(kāi)采厚度、開(kāi)采方式、覆巖厚度和強(qiáng)度、覆巖破壞形式等很多因素有關(guān)，覆巖破壞規(guī)律與礦區(qū)保水開(kāi)采有很大關(guān)系[11-13]。關(guān)于薄基巖厚松散含水層采煤工作面潰水潰砂問(wèn)題，目前神東礦區(qū)尚未制定出明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以往針對(duì)潰水潰砂機(jī)理研究與防治主要偏重于水和砂方面，也沒(méi)有從根本上杜絕潰水潰砂事故。導(dǎo)水裂隙通道的形成可能造成地下水的流場(chǎng)變化、水位下降等問(wèn)題[14-15]。實(shí)際上，水砂致災(zāi)機(jī)理及防治不僅僅是研究和防治水和砂的問(wèn)題，開(kāi)采活動(dòng)造成的覆巖破壞才是工作面發(fā)生潰水潰砂的內(nèi)因，研究工作面潰水潰砂機(jī)理在于弄清覆巖破壞規(guī)律，以達(dá)到有效防治潰水潰砂的目的[16-17]。文中采用鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法和彩色鉆孔電視觀測(cè)法，掌握了哈拉溝煤礦22208工作面開(kāi)采前后的覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，揭示了切眼和“三元溝”區(qū)域的冒落帶和裂隙帶的發(fā)育高度，可為礦井的突水潰砂防治提供指導(dǎo)。

1 工程概況哈拉溝煤礦22208工作面存在典型的薄基巖、厚松散含水層，工作面埋深為50～120 m，采煤方法為一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。在距離開(kāi)切眼670～920 m區(qū)間有“三元溝南溝”，此溝寬度為250 m，該區(qū)段埋深為50～80 m，煤層厚度為4.8～6.0 m，基巖厚度最薄為23.95 m，原始基巖上松散層含水厚度為18 m，通過(guò)疏放水，水位已經(jīng)下降12 m;該工作面地表存在一個(gè)小水庫(kù)，實(shí)施回采時(shí)已基本抽干。該工作面地層覆巖特征情況見(jiàn)表1。

2 水砂探測(cè)方法和設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)方法覆巖破壞特征的觀測(cè)方法主要分為地面鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法、彩色鉆孔電視觀測(cè)法。覆巖破壞特征的觀測(cè)目前仍以地面鉆孔觀測(cè)為主，為了研究冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度和采動(dòng)覆巖斷裂破壞特征，提高“兩帶”高度觀測(cè)的準(zhǔn)確性，采用地面鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法和彩色鉆孔電視觀測(cè)法相結(jié)合的綜合觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，并結(jié)合采空區(qū)地表破壞情況綜合判定“兩帶”發(fā)育高度。

2.1.1 地面鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法地面鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法是通過(guò)在采空區(qū)地面布置一定數(shù)量的鉆孔，測(cè)定鉆進(jìn)過(guò)程中鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位變化及鉆進(jìn)過(guò)程中的各種異常現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)綜合分析來(lái)確定垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度及破壞特征的方法。鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法進(jìn)行“兩帶”觀測(cè)孔位、孔數(shù)及孔徑、觀測(cè)孔施工時(shí)間和使用要求都必須考慮周全才能準(zhǔn)確觀測(cè)出“兩帶”發(fā)育規(guī)律[18-19]。

2.1.2 彩色鉆孔電視觀測(cè)法彩色鉆孔電視是利用自帶光源的防水?dāng)z像探頭放入地下鉆孔中，在地面直接觀測(cè)地下鉆孔的地質(zhì)構(gòu)造，并進(jìn)行圖像記錄。彩色鉆孔電視觀測(cè)法是根據(jù)鉆孔圖像資料信息，直接識(shí)別巖性、裂隙、空洞和軟弱夾層的位置，判別垮落帶與裂隙帶高度的方法[20-21]。

2.2 探測(cè)設(shè)計(jì)哈拉溝煤礦22208工作面鉆孔共設(shè)計(jì)8個(gè)，其中4個(gè)位于切眼附近，用于觀測(cè)切眼區(qū)域覆巖破壞情況;其余4個(gè)位于工作面“三元溝南溝”區(qū)域，用于觀測(cè)工作面基巖厚度最小且上覆松散含水層區(qū)域覆巖破壞情況，鉆孔總進(jìn)尺約為600 m。開(kāi)切眼附近采前孔K1布置在距離進(jìn)風(fēng)巷20 m位置，K2布置在工作面中間位置。采后觀測(cè)孔K5布置在距離進(jìn)風(fēng)巷25 m位置，K6布置在工作面中間位置，用于觀測(cè)靠近進(jìn)風(fēng)巷及工作面中部初次來(lái)壓部位導(dǎo)水裂隙帶、冒落帶發(fā)育特征。采前觀測(cè)孔和采后觀測(cè)孔相距5 m以內(nèi)，確保采前、采后觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析的準(zhǔn)確性和可靠性?！叭獪夏蠝稀眳^(qū)域溝底位置布置采前觀測(cè)孔K3采后觀測(cè)孔K7，溝底位置2個(gè)鉆孔均位于工作面中間區(qū)域。為了研究溝底位置和坡上位置的采動(dòng)覆巖破壞特征，并得到兩者之間的特征差異，在坡上位置設(shè)計(jì)采動(dòng)覆巖破壞特征觀測(cè)孔K4 和K8。工作面推進(jìn)至出溝上坡區(qū)域較之進(jìn)溝下坡區(qū)域的頂板壓力反應(yīng)更為明顯，這與出溝上坡區(qū)域覆巖厚度逐漸增加，荷載逐漸加大有直接原因。因此，出溝坡上位置布置采前觀測(cè)孔K4，采后觀測(cè)孔K8，溝底位置2個(gè)鉆孔均位于工作面中間區(qū)域，用于觀測(cè)溝底與出溝2種情況下導(dǎo)水裂隙帶、冒落帶發(fā)育特征。探測(cè)鉆孔布置方案如圖2所示。

3 采前孔勘測(cè)結(jié)果分析

3.1 采前孔漏失量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析根據(jù)K1，K2，K3，K4鉆孔沖洗液漏失量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，所有鉆孔單位時(shí)間沖洗液漏失量最小值為0 L/s，最大值為0.4 L/s;所有鉆孔單位時(shí)間單位進(jìn)尺沖洗液漏失量最小值為0 L/s，最大值為1.54 L/s。從鉆孔沖洗液漏失量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，以上4個(gè)采前孔鉆孔沖洗液漏失量均屬于正常鉆進(jìn)消耗，不存在較大的漏失突變，因此可以推斷設(shè)計(jì)鉆孔區(qū)域無(wú)發(fā)育較大的原生裂隙存在。具體鉆孔沖洗液漏失量特征曲線如圖3～圖6所示。

3.2 采前孔水位監(jiān)測(cè)結(jié)果分析根據(jù)K1，K2，K3，K4鉆孔變化分析可知，所有鉆孔最高水位為8.5 m，最低水位為0 m。隨著鉆孔深度的增加，孔內(nèi)水位整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，偶有小幅回落，但回落幅度較小，分析水位回落原因?yàn)? d之間的夜間停工導(dǎo)致水位輕微下降。整個(gè)水位變化過(guò)程均勻，無(wú)明顯大起大落。因此可以推斷設(shè)計(jì)鉆孔區(qū)域無(wú)發(fā)育較大的原生裂隙存在。鉆孔水位隨孔深變化曲線如圖7所示。

3.3 采前孔鉆孔電視測(cè)量結(jié)果分析根據(jù)設(shè)計(jì)在每個(gè)采前孔鉆進(jìn)完成后進(jìn)行洗孔，然后采用彩色鉆孔電視對(duì)全孔進(jìn)行測(cè)量。其中，切眼中部鉆孔整個(gè)孔內(nèi)無(wú)較大原生裂隙、無(wú)溶洞等特殊地質(zhì)體存在。采前孔每個(gè)孔內(nèi)最為明顯的一條裂隙如圖8所示，由鉆孔電視圖像可以看出：局部區(qū)域存在輕微裂痕，每個(gè)鉆孔裂痕數(shù)量為2～5條，但每條裂痕的發(fā)育長(zhǎng)度較小，開(kāi)裂寬度也極其微弱，未能形成連通性良好的裂隙通道。因此設(shè)計(jì)鉆孔區(qū)域無(wú)發(fā)育較大的原生裂隙存在。這與由鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法得到的結(jié)果基本一致。

4 采后孔勘測(cè)結(jié)果分析

4.1 開(kāi)切眼采后孔勘測(cè)結(jié)果根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沖洗液漏失量觀測(cè)結(jié)果和鉆孔電視影像綜合分析，結(jié)合采前勘測(cè)孔信息，切眼中部冒落帶發(fā)育高度為7.22 m，切眼進(jìn)風(fēng)巷側(cè)冒落帶發(fā)育高度為13.42 m，切眼中部導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為49.32 m，切眼進(jìn)風(fēng)巷側(cè)區(qū)域?qū)严稁Оl(fā)育高度至少為50.82 m，冒落帶頂部位置鉆孔電視影像如圖9所示。工作面切眼區(qū)域地表不存在松散層，地表即為出露基巖風(fēng)化帶，因此，地表裂隙開(kāi)口位置直至采空區(qū)具備導(dǎo)水性。

4.2 “三元溝”采后孔勘測(cè)結(jié)果根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沖洗液漏失量觀測(cè)結(jié)果和鉆孔電視影像綜合分析，結(jié)合采前勘測(cè)孔信息，“三元溝”溝底冒落帶發(fā)育高度為10.1 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為25.8 m?！叭獪稀背鰷仙掀聟^(qū)域冒落帶發(fā)育高度為21.2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為51.6 m。冒落帶頂部位置鉆孔電視影像如圖10所示。

5 “兩帶”高度綜合分析根據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)工作面采后冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算，其公式如下

H2=100∑M1.6∑M+3.6±5.6

（2）式中 H1為冒落帶高度，m;H2為導(dǎo)水裂隙帶高度，m;∑M為累計(jì)采厚，m;工作面每個(gè)區(qū)域采高都有變化。經(jīng)過(guò)公式（1）（2）對(duì)K5，K6，K7，K8這4個(gè)區(qū)域的兩帶進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算，并與鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。從表2中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值普遍偏小，這是淺埋煤層的重要特點(diǎn)，在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，應(yīng)該考慮上覆巖層厚度?！叭獪稀睖系子捎谏细矌r層較薄，部分巖層的缺失，經(jīng)驗(yàn)公式不適用，應(yīng)該以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為準(zhǔn)?！叭獪稀背鰷仙掀聟^(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度較經(jīng)驗(yàn)公式偏大，分析主要原因是由于工作面出溝上坡階段頂板覆巖逐漸加厚，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，兩帶發(fā)育高度較工作面正常推進(jìn)時(shí)偏大，出溝上坡區(qū)域是工作面防潰水潰砂的重點(diǎn)區(qū)域。綜合分析4個(gè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)，冒落帶和裂隙帶高度最小值為切眼中部區(qū)域，最大值為出溝上坡區(qū)域，對(duì)于淺埋煤層工作面冒采比一般為2～3，裂采比一般為8～10。

6 結(jié) 論

1）切眼中部冒落帶發(fā)育高度為7.22 m，切眼進(jìn)風(fēng)巷側(cè)冒落帶發(fā)育高度為13.42 m，切眼中部導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為49.32 m，切眼進(jìn)風(fēng)巷側(cè)區(qū)域?qū)严稁Оl(fā)育高度至少為50.82 m。2）“三元溝”溝底冒落帶發(fā)育高度為10.1 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為25.8 m?！叭獪稀背鰷仙掀聟^(qū)域冒落帶發(fā)育高度為21.2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至少為51.6 m。

3）工作面切眼區(qū)域鉆探發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地表并不存在松散層，地表即為出露基巖風(fēng)化帶，所以地表裂隙開(kāi)口位置直至采空區(qū)可認(rèn)定為具備導(dǎo)水性。

4）通過(guò)探測(cè)分析對(duì)重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)提前采取疏放水、注漿加固、增設(shè)泥漿泵等措施進(jìn)行防潰水潰砂管理。

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