王臺鋪煤礦條帶開采覆巖“三帶”高度實測研究

萇 珂

（晉城煤業集團寺河礦，山西 沁水 048000）

井工開采中覆巖“三帶”的研究對于生產作業安全、礦山環境保護及地表復墾等具有重要意義，多年來一直是研究的重點方向[1-2]。然而現有研究多數集中在長壁垮落法工作面方面，對于條帶開采覆巖“三帶”的研究較少[3]。本文以王臺鋪煤礦XV2317 南條帶工作面為研究背景，通過采用井下壓水試驗法對條帶開采后覆巖的“三帶”高度進行實測分析。

1 工程概況

XV2317 南條帶工作面處于朝天宮村西北部，徐家嶺村東部，西王臺村北部，王臺鋪礦排矸井筒西側。工作面位于二水平二盤區，煤層底板標高為+634～+646 m，地面標高為+815～+867.5 m。工作面走向長度為344.54～348.32 m，傾向長度為133～184.76 m，面積為54 740.5 m2。XV2317 工作面所采煤層為15#煤層，回采范圍內煤層總厚度為1.8～3 m，平均厚度為2.7 m。煤層傾角為1°～3°，平均1.5°。煤層黑色，亮煤，碎塊狀，半金屬光澤，裂隙較發育，夾矸為泥巖，屬于較穩定煤層。煤層普氏硬度為2～4，夾矸普氏硬度為1～2。

煤層無偽頂，煤層直接頂、老頂均為石灰巖，厚8.33 m，深灰色，致密，中厚層狀，隱晶質結構，上部裂隙發育，方解石脈充填，含蜓類化石；直接底為鋁土泥巖，厚7.71 m，淺灰～灰白色，致密，塊狀，具滑面，有滑感，底部含黃鐵礦結核豐富；老底為石灰巖，深灰色，中厚層狀，細晶結構，少量裂隙，方解石脈充填，頂部裂隙面含少量黃鐵礦斑晶。

2 實測方法及方案

2.1 實測方法

壓水實驗作為測量覆巖“三帶”范圍的一種有效技術手段已被廣泛應用，總體來說，可以劃分為井下壓水試驗和地表壓水試驗兩類。由于井下壓水試驗具有施工量小、施工簡便、試驗周期短等顯著優點，且在鉆孔位置的選擇及方向精度的控制方面具有無可比擬的優勢，因此在現場測試方面得到廣泛應用。

井下壓水試驗的試驗原理為通過在巷道向采空區內頂板巖層打設鉆孔，通過壓水試驗過程中獲得的流速及注水壓力等數據判定巖層內孔隙及裂隙發育情況，進而掌握覆巖“三帶”的發育范圍。為實現端頭堵漏，鉆孔施工過程中孔底位置應高于覆巖裂隙帶范圍，鉆孔孔底一般應高于裂隙帶最高處10～20 m。測試時，鉆孔兩端應該施工堵漏，并采用分段加壓注水的方法分別測試鉆孔不同位置的流速及注水壓力等指標。最終，通過對鉆孔不同位置的注水流速及壓力等數據進行分析，確定“三帶”的發育范圍。一般而言，流速大且漏水量大的位置就是裂隙高度發育的位置，反之，巖層完整性較好。井下壓水試驗法如圖1。

圖1 井下壓水試驗法

2.2 實測方案

為測試XV2317 南條帶工作面覆巖“三帶”分布特征，在工作面的回風及運輸巷（XV23173）設計并施工兩個壓水鉆孔，分別編號為1#和2#。1#鉆孔深度77 m，2#鉆孔深度81 m，兩鉆孔均按一定傾角打入工作面側頂板巖層內，傾角分別為58°和66°。施工過程中，鉆孔開口先使用Φ140 mm 鉆頭鉆進，當鉆孔穿過垮落帶范圍后，在鉆孔內安裝Φ120 mm 套管，并在套管外側焊接配套的法蘭盤及閘閥，后使用高標號水泥將鉆孔外壁與空隙進行密封處理。最后，采用Φ95 mm 鉆頭鉆進至鉆孔終孔，并關閉套管閘閥，從而防止采空區積水及有毒有害氣體通過鉆孔涌入工作面。

3 實測結果分析

為保證試驗測得的注水流速及壓力等指標具有可對比性，試驗過程中應保證每次注水水頭壓力（0.5 MPa）及注水時間（30 min）保持不變，并記錄試驗過程中的鉆孔深度、流速、注水壓力及壓水時間等數據。

3.1 1#鉆孔分析

1#鉆孔試驗得到的詳細數據見表1。根據表1數據可以繪制出XV2317 南工作面1#鉆孔不同深度處的流速曲線，如圖2。

表1 XV2317 南工作面1#鉆孔實測數據

圖2 XV2317 南工作面1#鉆孔流速曲線

由圖2 及表1 可知，隨著鉆孔深度的增加，流速基本呈降低趨勢。當鉆孔深度小于15 m 時，注水流速大于12 L/min，而注水壓力在0.50 MPa 以下。這表明該范圍內巖體較為破碎，巖層內裂隙十分發育。當鉆孔深度處于20～60 m 范圍時，注水流速相較于鉆孔深度小于15 m 時急劇降低，注水流速為4～8 L/min，注水壓力為0.6～0.9 MPa。這表明相較于鉆孔淺處位置巖層，該位置處巖層裂隙發育程度明顯降低。當鉆孔深度大于65 m 時，注水流速大大降低，流速基本處于1.2 L/min 以下，注水壓力則增高至1.2 MPa 以上。這表明該位置處巖層節理裂隙極不發育。綜上，可以認為鉆孔深度15～20 m 位置對應于垮落帶與裂隙帶的分界處，鉆孔深度60～65 m 位置對應于裂隙帶與彎曲下沉帶分界處。根據1#鉆孔傾角計算得出垮落帶范圍為12.45～16.6 m，裂隙帶最高位于49.80～53.95 m。

3.2 2#鉆孔分析

2#鉆孔試驗得到的詳細數據見表2。根據表2數據可以繪制出XV2317 南工作面2#鉆孔不同深度處的流速曲線，如圖3。

表2 XV2317 南工作面2#鉆孔實測數據

圖3 XV2317 南工作面2#鉆孔流速曲線

由圖3 及表2 可知，當鉆孔深度小于10 m 時，注水流速大于11.5 L/min，而注水壓力在0.47 MPa 以下。這表明該范圍內巖體較為破碎，巖層內裂隙十分發育。當鉆孔深度處于15～65 m 范圍時，注水流速相較于鉆孔深度小于10 m 時急劇降低，注水流速為2.5～7.5 L/min，注水壓力為0.6～0.8 MPa。這表明相較于鉆孔淺處位置巖層，該位置處的巖層裂隙發育程度明顯降低。當鉆孔深度大于65 m 時，注水流速大大降低，流速基本處于0.6 L/min 以下，而注水壓力則增高至0.9 MPa 以上。這表明該位置處巖層節理裂隙極不發育。綜上，可以認為鉆孔深度10～15 m 位置對應于垮落帶與裂隙帶的分界處，鉆孔深度65～70 m 位置對應于裂隙帶與彎曲下沉帶分界處。根據2#鉆孔傾角計算得出垮落帶范圍為8.8～13.2 m，裂隙帶最高位于57.2～61.6 m。

4 結論

根據1#鉆孔計算得出垮落帶位于煤層上方12.45～16.6 m 范圍內，裂隙帶最高位于煤層上方49.80～53.95 m 處。根據2#鉆孔計算得出垮落帶位于煤層上方8.8～13.2 m，裂隙帶最高位于煤層上方57.2～61.6 m 位置處。綜合兩鉆孔結果可以確定XV2317 南條帶工作面垮落帶高度約為8.8～16.6 m，裂隙帶上限為49.8～61.6 m。