礦井豎三帶觀測(cè)及其分布規(guī)律研究

裴俊斌

摘 要：為了研究煤礦頂板巖層豎三帶，掌握裂隙帶變化規(guī)律，文章針對(duì)常村礦地質(zhì)條件，采用井下仰孔分段注水觀測(cè)方法，進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)，分析了導(dǎo)水裂隙帶高度，進(jìn)一步計(jì)算出煤層采動(dòng)覆巖冒落帶發(fā)育高度，確定了常村礦3#煤層頂板覆巖采后形成的裂隙帶高度范圍及覆巖采動(dòng)冒落帶高度，得出了相應(yīng)的冒采比，為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：三帶觀測(cè)；分布規(guī)律；冒落帶高度；觀測(cè)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）10-0071-03

Abstract： In order to study the vertical three zones of roof rock in coal mine and master the variation law of fracture zone， this paper， according to the geological conditions of Changcun Mine， adopts the method of sublevel water injection observation of downhole， carries out engineering experiments， and analyzes the height of water-conducting fissure zone. The development height of overlying rock caving zone in coal seam mining is further calculated， and the height range of fracture zone formed after mining roof rock of coal seam in Changcun Coal Mine and the height of overlying rock caving zone after mining are determined， and the corresponding caving ratio is obtained， which provides technical guidance for coal mine safety production.

Keywords： three band observation； distribution law； height of falling zone； observation method

引言

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤層頂板巖層產(chǎn)生變形破裂，在垂直向地表方向通常會(huì)形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶等三個(gè)不同變形特征的分帶，簡(jiǎn)稱(chēng)“三帶”。“三帶”高度是影響煤礦安全的一個(gè)重要因素，是瓦斯抽放、頂板管理、頂板水防治中必須考慮的一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)。因此準(zhǔn)確確定“三帶”高度對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[1-5]。

1 觀測(cè)方案及方法的確定

1.1 觀測(cè)方案的選取

地面鉆孔簡(jiǎn)易水文觀測(cè)法為常用的采動(dòng)覆巖裂隙帶觀測(cè)方法，通過(guò)選取地面上位于采空區(qū)機(jī)運(yùn)巷或回風(fēng)巷兩側(cè)一定區(qū)域，以采空區(qū)一側(cè)為主開(kāi)展一批鉆孔施工，觀察鉆孔施工過(guò)程中沖洗液消耗量的變化值，進(jìn)而確定采動(dòng)覆巖裂隙帶的分布形態(tài)和高度。但是當(dāng)煤層埋藏深度較深時(shí)，使用該方法會(huì)導(dǎo)致鉆孔施工工程量大，觀測(cè)精度較難達(dá)到要求。

為了提高觀測(cè)的精度、節(jié)約工程費(fèi)，本文擬選取井下仰孔分段注水觀測(cè)的新技術(shù)方法。該技術(shù)方法通過(guò)在煤礦井下工作面一定區(qū)域內(nèi)，選取適宜的觀測(cè)地點(diǎn)，沿采空區(qū)斜上方施工鉆孔。鉆孔施工過(guò)程中，需避開(kāi)冒落帶并傾斜穿過(guò)裂隙帶，且達(dá)到預(yù)定的裂隙帶頂界以上一定高度。通過(guò)使用“鉆孔兩端封堵測(cè)漏設(shè)備”對(duì)鉆孔實(shí)施分段封堵并注水，測(cè)定鉆孔各分段水的流失量，掌握巖層的破壞、裂隙及松動(dòng)情況，進(jìn)而確定裂隙帶的頂界高度（圖1所示）。其中，“鉆孔兩端封堵測(cè)漏設(shè)備”主要由孔內(nèi)封堵注水探測(cè)管、孔外控制調(diào)節(jié)閥門(mén)和系統(tǒng)觀測(cè)儀表構(gòu)成（圖2所示）。

圖1 井下鉆孔法觀測(cè)示意圖

圖2 井下仰孔觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

1.2 觀測(cè)方法

井下仰孔探測(cè)覆巖裂隙帶的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)及孔內(nèi)注水探管已在前面圖2做了描述，其具體操作程序如下：

1.2.1 管路連接

探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)的管路連接見(jiàn)圖2，具體方法可以按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：（1）用耐壓軟管接出高壓水，并通過(guò)三通轉(zhuǎn)換為兩路出水口，并連接上短的耐壓軟管。（2）用三通分出的一個(gè)短耐壓軟管與注水操作臺(tái)進(jìn)水口連接，并從出水口再接耐壓軟管通過(guò)接頭轉(zhuǎn)換到鉆機(jī)水便上。（3）用三通分出的另外一個(gè)短耐壓軟管與堵孔操作臺(tái)進(jìn)水口連接，并從出水口再接至探管進(jìn)水接頭。（4）通過(guò)探管專(zhuān)用轉(zhuǎn)換接頭將探管安裝在鉆桿上并送入鉆孔內(nèi)0～1m孔段。鉆桿接頭間用棉紗線或麻皮纏繞密封。

1.2.2 穩(wěn)定裂隙帶高度監(jiān)測(cè)方法

在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，鉆孔有可能出現(xiàn)變形、塌孔、方向變化等復(fù)雜情況，所以在完成鉆孔監(jiān)測(cè)后，應(yīng)及時(shí)對(duì)地層滲水速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)裝置及對(duì)應(yīng)管路連接好后，把監(jiān)測(cè)裝置送至鉆孔底部并打開(kāi)膨脹閥，監(jiān)測(cè)裝置前后端封隔器膨脹，形成密閉空間，然后將水注入封隔器兩端之間的密閉空間，監(jiān)測(cè)封隔區(qū)域的滲水情況，并記錄其速度；然后暫停注水，解封封隔器，垂直向下移動(dòng)裝置一米后重復(fù)以上步驟；依次一米一段進(jìn)行測(cè)量直至鉆孔口，全部監(jiān)測(cè)工作完成。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)分析研究

2.1 常村礦3#煤覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)結(jié)果

第一觀測(cè)剖面布置在常村礦N2-5軌順巷道鉆場(chǎng)，并對(duì)第一觀測(cè)剖面3個(gè)鉆孔的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。依據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)情況，通過(guò)使用三帶導(dǎo)高監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，生成第一觀測(cè)剖面鉆孔分段注水漏失量分布圖（圖3）和曲線圖（圖4）。

圖3 第一觀測(cè)剖面漏水量分布圖

圖4 第一觀測(cè)剖面注水矢量曲線圖

（1）采前1#孔

采前監(jiān)測(cè)1#孔施工于N2-5工作面未受采動(dòng)影響的上部巖層區(qū)域內(nèi)，觀測(cè)過(guò)程中局部有零星漏水點(diǎn)，漏水量在孔深47m達(dá)到最大值2.1L/min，其他區(qū)域漏水量均小于2L/min，最小值為0.2L/min，原生裂隙導(dǎo)水可能是這些漏水點(diǎn)出現(xiàn)的主因。

（2）采后2#孔

采后監(jiān)測(cè)2#孔施工于N2-6工作面采空區(qū)上部巖層區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)分析顯示，鉆孔深度63m以?xún)?nèi)均有大量漏水。其中，孔深40～50m范圍為下部顯著漏水區(qū)，漏矢量>20L/min，最大值為28L/min（孔深46m處）；孔深50～63m范圍為上部弱漏水區(qū)，漏矢量<20L/min，最大值為18.6L/min，最小值為6L/min。可基本將孔深63m以上界定為原生裂隙漏水區(qū)，不受采動(dòng)影響。

以鉆孔深度6.3m為上部弱裂隙帶界限，鉆孔仰角50°，其至3#煤層頂板的垂直高度為48.3m；鉆孔深度40～50m范圍是明顯漏水段，也是裂隙帶最為發(fā)育的孔段，其至3#煤頂板的垂直高度為30.6～38.3m；鉆孔深度50～63m范圍是弱漏水段，也是裂隙帶第二發(fā)育孔段，其至3#煤頂板的垂直高度為38.3～48.3m；最大漏水位于垂直高度35.2m處。

（3）采后3#孔

采后監(jiān)測(cè)3#孔施工于N2-6工作面采空區(qū)上部巖層區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)分析顯示，鉆孔深度73m以?xún)?nèi)存在大量漏水。其中，孔深41～52m范圍為下部顯著漏水區(qū)，漏失量>20L/min，最大值為30.6L/min（孔深42m處）；孔深52～73m范圍為上部弱漏水區(qū)，漏失量<20L/min，最大值為16.4L/min，最小值為7.4L/min。可基本將孔深73m以上界定為原生裂隙漏水區(qū)，不受采動(dòng)影響。

以鉆孔深度73m為上部弱裂隙帶界限，鉆孔仰角40°，其至3#煤層頂板的垂直高度為46.9m；鉆孔深度41～52m范圍是明顯漏水段，也為裂隙帶最為發(fā)育的孔段，其至3#煤頂板垂直高度為26.4～33.4m；鉆孔深度52～73m范圍是弱漏水段，也為裂隙帶第二發(fā)育孔段，其至3#煤頂板垂直高度為33.4～46.9m；最大漏水位于垂直高度27.0m處。

2.2 常村礦3#煤覆巖導(dǎo)水裂隙帶分布規(guī)律

表1為各采后監(jiān)測(cè)鉆孔所觀測(cè)到的裂隙帶發(fā)育頂界高度和最大裂隙帶發(fā)育高度。

表1 常村礦裂隙帶發(fā)育頂界高度及裂隙帶最發(fā)育高度

綜合對(duì)比常村礦第一及第二觀測(cè)剖面采后監(jiān)測(cè)鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)，3#煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度47.4m，覆巖裂隙帶最發(fā)育段位于冒落帶～36.4m之間。3#煤層頂板覆巖開(kāi)采后產(chǎn)生的裂隙帶，分為上、下兩段。其中，上部裂隙帶發(fā)育較弱，距離3#煤層頂板垂直高度介于36.4～47.4m之間；下部覆巖裂隙帶發(fā)育較上部強(qiáng)烈，冒落帶高度<距離3#煤層頂板垂直高度范圍<36.4m。

3 煤層采動(dòng)覆巖冒落帶發(fā)育高度分析

本次觀測(cè)采用的是從井下煤層向頂板施工仰孔進(jìn)行觀測(cè)的方法，通過(guò)鉆孔注水漏失量來(lái)評(píng)價(jià)巖層裂隙發(fā)育情況。而冒落帶巖石已完全失去連續(xù)性，呈不規(guī)則狀態(tài)，雜亂堆積于采空區(qū)內(nèi)，正因?yàn)槿绱耍瑥默F(xiàn)場(chǎng)施工的經(jīng)驗(yàn)看，鉆孔很難穿過(guò)冒落帶，因?yàn)檫@樣勢(shì)必造成夾鉆、卡鉆等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆探事故，因此無(wú)論從鉆孔施工還是從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)都很難取得實(shí)測(cè)的冒落帶高度數(shù)值。本次試驗(yàn)在常村礦第三觀測(cè)剖面3#采后監(jiān)測(cè)孔對(duì)3#煤層采動(dòng)覆巖冒落帶進(jìn)行了兼顧監(jiān)測(cè)并最終結(jié)合、借鑒經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算等方法進(jìn)行綜合分析。

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》給出的上覆中硬巖層冒落帶的發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：Hm—冒落帶的發(fā)育高度； M—累計(jì)采厚

依據(jù)冒落帶的發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式（1）得出如下計(jì)算結(jié)果：a.第一觀測(cè)剖面N2-6工作面，冒落帶高度21.8m±2.5m，取其上限24.3m，冒采比3.8；b.第二觀測(cè)剖面S4-2工作面，冒落帶高度21.7m±2.5m，取其上限24.2m，冒采比3.8。

冒落帶的發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式（2）為：

式中：h—冒落帶高度；k—巖石碎脹系數(shù)，一般按1.3計(jì)算；m—工作面采高；A—煤層傾角

依據(jù)冒落帶的發(fā)育高度計(jì)算公式（2）得出如下計(jì)算結(jié)果：a.第一觀測(cè)剖面N2-6工作面，冒落帶高度為21.6m，冒采比為3.4。b.第二觀測(cè)剖面S4-2工作面，冒落帶高度為21.3m，冒采比為3.4。

3.2 冒落帶探測(cè)分析

由于冒落帶高度探測(cè)難度大，風(fēng)險(xiǎn)性又比較大，而且冒落帶高度發(fā)育的研究意義不大，一般都是按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行概算。本文在常村礦第二觀測(cè)剖面的3#監(jiān)測(cè)孔對(duì)冒落帶高度的發(fā)育情況進(jìn)行了觀測(cè)。

常村礦第二觀測(cè)剖面3#孔在按照監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)前掃孔時(shí)，在鉆孔深度30m左右時(shí)（傾角51°，垂高23.3m）有夾鉆現(xiàn)象，在鉆孔深度33m時(shí)（鉆孔傾角51°，垂高25.6m）發(fā)生嚴(yán)重的卡鉆現(xiàn)象。在該鉆孔探測(cè)時(shí)也因此把設(shè)備掉進(jìn)孔內(nèi)無(wú)法取出。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可以看出，在鉆孔深度小于33m時(shí)，鉆孔漏水量全部大于30L/min，最大的可達(dá)到38.8L/min，也由此判斷進(jìn)入冒落帶范圍，按照傾角51°計(jì)算，該處冒落帶頂界大概為24.8m。

根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，常村礦3#煤采動(dòng)冒落帶高度如下表2：

表2 常村礦3#煤采動(dòng)冒落帶高度綜合分析表

從表上可以最終得出，常村礦3#煤覆巖采動(dòng)冒落帶高度為23.5m左右，而相應(yīng)的冒采比約為3.6。

但從抽放瓦斯的有效性來(lái)看，冒落帶范圍的巖層因裂隙十分發(fā)育且與采煤工作面較近，其占據(jù)冒落帶裂隙中的氣體，空氣含量比重太高，作為抽放層不適宜。另外，由于冒落帶的巖層雜亂無(wú)章，鉆孔施工非常困難。所以研究裂隙帶范圍及其裂隙發(fā)育特征才有工程意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）綜合常村礦第一觀測(cè)剖面和第二觀測(cè)剖面采后監(jiān)測(cè)鉆孔的觀測(cè)資料并聯(lián)系常村礦地質(zhì)特征，分析得出常村礦3#煤層頂板巖層開(kāi)采后產(chǎn)生的裂隙帶，可分為上、下兩段。上部裂隙帶發(fā)育較弱，下部裂隙帶發(fā)育較強(qiáng)，其距3#煤層頂板垂高度范圍為23.5m～36.4m。

（2）通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出常村礦3#煤層采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶上界垂直高度為47.4m，裂隙帶最發(fā)育的垂直高度范圍介于23.5～36.4m之間。

（3）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)合常村礦實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，常村礦3#煤覆巖采動(dòng)冒落帶高度為23.5m左右，而相應(yīng)的冒采比約為3.6。

（4）通過(guò)綜合研究，最終得出常村礦三帶發(fā)育高度如表3所示。

表3 常村礦三帶高度研究綜合成果

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