深部大采高工作面覆巖“三帶”發育高度實測

李正杰 黃 銳 王業征 梁開宇

(1. 天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013； 2. 煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區，100013；3. 內蒙古伊泰集團有限公司紅慶河煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000)

煤層開采后上覆巖層中形成的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶簡稱為“三帶”，其發育特征和覆巖性質、煤層傾角、煤層厚度、采面布置、采煤方法、頂板管理以及地質構造等因素有關。垮落帶是巖層破斷后的巖塊呈不規則垮落，排列極不整齊，碎脹系數比較大，一般達到1.1～1.5，其最大高度一般是由工作面煤層頂板特有的巖性組合及巖石物理力學性質決定的。垮落帶高度的確定是了解“三帶”分布范圍的關鍵，是合理設計頂板高抽巖巷的布置層位和高抽鉆孔的終孔層位的前提，并直接決定了工作面礦壓顯現的強度。裂隙帶是巖層破斷后，巖塊仍然排列整齊的區域，碎脹系數較小，和垮落帶一起通常被稱為導水裂隙帶。研究覆巖“三帶”發育特征對指導礦井安全生產具有重要的實用價值。

當前我國煤礦主要采用的覆巖“三帶”測試方法包括井下仰孔測漏法、微震監測、電法測試等，其中，井下仰孔測漏法原理簡單，應用成熟，測試精度高，測試費用相對較低，而微震監測和電法監測測試程序繁瑣，數據誤差偏大，費用相對較高。井下仰孔測漏法作為一種傳統、可靠的上覆巖層裂隙發育高度的確定方法，其實質是在井下工作面的外圍巷道或硐室中，向工作面斜上方打小口徑仰斜鉆孔，超過預計的導水裂縫帶頂界一定的高度，采用膠囊對鉆孔進行逐段封隔注水，測定各孔段的漏失量，以此探測確定覆巖破壞高度；其原理是覆巖“三帶”的破壞程度與其透水性存在著顯著差異，即垮落帶水的漏失量大，裂隙帶水的流失量次于垮落帶，彎曲下沉帶水的流失量很低。

本文以紅慶河煤礦大采高工作面為背景，基于改進型封隔器測試覆巖“三帶”發育高度，為工作面頂板管理和出水防治工作提供基礎參數和依據。

1 試驗工作面條件

紅慶河煤礦位于東勝煤田新街礦區，當前開采侏羅系中下統延安組3-1煤層，該煤層可采厚度0.80～8.45 m，平均厚度6.14 m，可采面積181.06 km2，賦存深度583.55～861.90 m，平均718.60 m。該煤層結構較簡單，一般不含夾矸，煤層頂板巖性多為砂質泥巖，底板巖性多為砂質泥巖、泥巖。紅慶河煤礦瓦斯含量低，煤塵具有爆炸性，3-1煤層自燃傾向性為Ⅰ級(容易自燃)，煤層開采過程中發生過沖擊事件。

3-1401工作面為礦井北翼首個大采高綜采工作面，工作面可采走向長度2942 m，傾斜長度241 m，煤層傾角1°～3°。工作面采用“兩進一回”布置方式，共布置3條巷道，分別為3-1401工作面回風平巷、3-1401工作面運輸平巷以及3-1402工作面輔運平巷，運輸平巷與輔運平巷凈煤柱寬度為40 m。

根據現場取樣及實驗室測試，3-1煤層的單軸抗壓強度為23.88～40.81 MPa，平均29.56 MPa，煤層中硬以上。直接頂砂質泥巖平均單軸抗壓強度為24.70 MPa，基本頂中粒砂巖平均單軸抗壓強度為21.85 MPa，直接頂和基本頂頂板整體性較好，但強度不大。

2 “三帶”測試方案

2.1 “三帶”觀測孔位置確定

采用井下鉆孔漏失量法實測3-1401工作面采空區上覆巖層“三帶”，從鉆孔參數取值合理性以及鉆機施工便利考慮，測試地點選擇3-1401工作面運輸平巷1100 m聯巷內，如圖1所示，初次測試時距離工作面約500 m，保證頂板不受超前支承壓力影響。

圖1 井下鉆孔施工位置示意圖

2.2 鉆孔參數確定

2.2.1 經驗公式計算

根據類似開采條件大采高綜采工作面冒落帶和導水裂隙帶高度擬合公式進行計算。其中，冒落帶高度計算公式如下：

y冒=-27.29x2+337.305x-1005.623(1)

式中：y冒——冒落帶高度，m；

x——采高，m。

導水裂隙帶高度計算公式如下：

y導=-222.41x2+2609.05x-7538.7(2)

式中：y導——導水裂隙帶高度，m。

紅慶河煤礦3-1401工作面煤層厚度平均6.23 m，代入上述公式，得出y冒=36.6 m，y導=83.3 m。由此，導水裂隙帶發育高度為83.3 m。

2.2.2 裂采比估算法

根據上覆巖層巖性和周期來壓判斷，本礦井的頂板屬于中等堅硬—偏軟類型，頂板“兩帶”發育高度估計12～15倍的采高(煤層開采高度按照全回采率的6.23 m計算)，加上礦區內煤層近水平分布(煤層傾角1°～3°)，故得出“兩帶”的發育高度約為95 m。

根據以上兩種計算方法，初步判斷紅慶河煤礦3-1401工作面回采后，其導水裂隙帶最大發育高度約95 m。由此，實測鉆孔的垂直高度應不低于95 m。

2.2.3 鉆孔施工參數

基于上述“兩帶”高度分析與計算，現場共施工3組鉆孔，1號鉆孔為對比孔，2號、3號鉆孔為觀測孔，具體參數見表1，鉆孔平剖面如圖2所示。

表1 井下仰斜鉆孔施工參數

圖2 井下仰斜鉆孔設計示意圖

2.3 改進型封隔器

以往井下仰孔測漏法所采用的雙端膠囊封孔器與鉆桿是獨立的進水系統，即兩路進水系統，一路用于膠囊膨脹封堵，一路用于封堵段進水測漏。為了簡化測試系統，對封隔器進行改進，在兩膠囊之間增加定壓閥，定壓閥壓力可調，利用膠囊膨脹壓力與定壓閥開啟壓力之間的壓差，一趟進水系統即可同步完成封孔、測漏。封隔器實物如圖3所示。

3 測試過程

3.1 管路連接

用高壓膠管將3 MPa靜壓水源與壓力表、流量計、水變、鉆桿串聯，連接處用生膠帶纏繞3～5圈，增加密封性以防漏水；壓力表和流量計相鄰串接，兩側各用一個球形閥門連接，以控制水量和水壓，如圖4所示，并采用人工控制方式，通過調節球形閥門進行穩壓；封隔器通過加工的變頭與鉆桿相連，接頭處用生膠帶纏繞密封。

圖3 封隔器

圖4 壓力表與流量計串接

3.2 調定封隔器出水壓力

封隔器膠囊膨脹壓力0.4 MPa。通過控制螺絲扣松緊，微調出水壓力，調節定壓閥出水壓力1.2 MPa。

3.3 密封檢查

啟動鉆機將鉆桿緩慢送入鉆孔0～3 m測段，以封隔器與鉆桿的接頭正對孔口為準。緩慢打開高壓水源進水管路閥門，調節球形閥門，使進水壓力升至0.5 MPa，此時封隔器雙端膠囊起脹，關閉進水端球形閥門，保持10 min，觀察壓力表壓力值是否下降和孔內是否有水流或滴水現象。若壓力不降低、孔內無流水，表明系統封閉嚴密。操縱注水操作臺，繼續開啟高壓水源管路閥門，使壓力升至1.2 MPa，關閉進水端球形閥門，保持10 min，若壓力不降低、孔內無流水，表明系統密封良好。檢查完畢后，打開卸壓閥卸壓，開始測試。

3.4 分段注水觀測

(1)封孔與注水：緩慢開啟進水閥門，當水壓升至0.4 MPa完成孔段封堵；繼續保持進水，使壓力達到定壓閥開啟值，封孔段開始出水(為克服靜水壓力，保證封隔器出水壓力始終保持在1.2 MPa，鉆孔垂高每升高10 m，進水壓力增加0.1 MPa)。

(2)流量觀測：觀察壓力表和流量計變化，等待封孔段注水滿孔，調節前后球形閥門，使進水壓力保持穩定；用秒表計時，每隔3 min記錄相應的水流量和總注水量。

(3)解除封孔：單段測試完成后，打開卸壓閥，孔內膠囊卸壓收縮，封孔段濁水流出。

(4)推移鉆桿：開動鉆機，續接2根鉆桿，將鉆桿內推3 m。續接鉆桿時，用生膠帶纏繞鉆桿接頭處使其密封。

重復上述步驟，繼續進行堵孔注水觀測，直至全孔觀測完畢。

4 測試結果分析與驗證

4.1 測試結果分析

1號對比孔超前工作面約500 m開始測試，實際測試深度168 m，垂高119 m，連續測試周期為4 d。2號、3號觀測孔在工作面推過測試地點2個月、采空區后方約400 m進行測試，確保采空區上覆巖層充分活動。2號觀測孔實測深度177.2 m，實測垂高115 m；3號觀測孔實測深度180 m，實測垂高117 m。測試得出3個鉆孔相對漏失量曲線如圖5所示。

由圖5可知，冒落帶基本以0.3～0.7 m3為分界區間，裂隙帶以0.1～0.3 m3為分界區間，彎曲下沉帶下部以小于0.1 m3為分界區間。由2號觀測孔判斷，冒落帶最大發育高度為42.4 m，導水裂隙帶最大發育高度為101.8 m；由3號觀測孔判斷，冒落帶最大發育高度為44.5 m，導水裂隙帶最大發育高度為110.3 m。因此，在實際采高為6 m時，冒落帶高度為42.4～44.5 m，平均43.5 m，冒采比7.25；導水裂隙帶高度為101.8～110.3 m，平均106.1 m，裂采比為17.7。

“三帶”發育高度分布見表2，由表2可知，冒落帶大約發育至直羅組平均厚度為16.82 m的粗粒砂巖層位，裂隙帶大約發育至直羅組平均厚度為8.47 m的粉砂巖層位，安定組及以上巖層為彎曲下沉帶。

圖5 觀測孔不同層位相對漏失量

地層平均層厚/m巖石名稱“三帶”分布安定組J2a37.46砂質泥巖彎曲下沉帶直羅組J2z延安組J1-2y3延安組J1-2y28.47粉砂巖54.50中粒砂巖16.82粗粒砂巖4.49中粒砂巖1.72粗礫巖19.76粉砂巖—砂質泥巖6.233-1煤16.76砂質泥巖裂隙帶冒落帶

4.2 實測驗證

根據紅慶河煤礦3-1401工作面礦壓監測數據分析，工作面來壓時支架壓力平均14600 kN，支架中心距1.75 m，控頂距為5.391～6.256 m，頂板巖石容重按25 kN/m3計算，動載系數取1.25，根據經驗公式估算得出工作面支架承載的垮落巖層高度約為42.7～49.5 m，與實測冒落帶高度43.5 m吻合。

納林河二號井與紅慶河煤礦地理位置相近，開采條件類似，同采3-1煤層，埋深544 m，“三帶”測試點開采厚度約6 m，31101首采工作面長度240 m。該礦采用了地面鉆孔沖洗液漏失量觀測法和彩色鉆孔電視探測進行“三帶”測試，測試結果為導水裂隙帶發育高度103.23 m，裂采比為17.21，與紅慶河煤礦導水裂隙帶測試結果相近，說明此次測試結論可信度較高。

5 結論

(1)通過改進封隔器對紅慶河煤礦北翼3-1煤層進行了井下仰孔漏失量測試，實測了大采高工作面覆巖“三帶”發育高度，得出采高6 m時冒落帶高度平均43.5 m，冒采比7.25；導水裂隙帶高度平均106.1 m，裂采比17.7；并通過實測驗證了該測試結果的可靠性。

(2)采用改進型封隔器實施井下鉆孔測漏，簡化了測試系統；在測試過程中，應采用高壓鉆桿，以保證測試系統的密封性和實測結論的可靠性。