采動覆巖裂隙時空演化鉆孔流量探測研究

2022-02-12 11:43:36任強

山西焦煤科技 2022年12期

任強

(淮北礦業股份有限公司孫疃煤礦，安徽淮北 235000)

煤層采后，覆巖裂隙發育特征及采空區穩定時間對采場及巷道圍巖的控制和工作面回采時序起著關鍵指導作用。目前對于覆巖裂隙探測方法主要有：并行電法探測、鉆孔沖洗液漏失量測試、鉆孔彩色電視觀測、分布式光纖監測、井下瞬變電磁法、微震監測法、預測分析法[1-8]，這些方法從不同方面給出了煤層采后覆巖裂隙發育規律，并成功指導了現場實踐。

在覆巖裂隙帶發育高度預測方法方面，諸多學者開展了相應的研究工作。陳佩佩等[9]選取采高、基巖柱厚度、傾角、頂板單軸壓強度、泥巖比例和覆巖結構6種因素作為導水斷裂帶預測模型的影響因子，基于非線性理論的人工神經網絡技術建立導水斷裂帶高度預測模型。楊國勇等[10]采用模糊聚類方法研究了開采厚度、開采深度、工作面斜長、巖石抗壓強度、巖層組合特征等因素對覆巖裂隙帶影響權重。張云峰等[11]基于RBF神經網絡，研究了采厚、覆巖性質及其組合結構、工作面參數等影響因素與導水斷裂帶的關系，建立了適用于綜放開采的導水斷裂帶高度預計模型。黃歡等[12]綜合分析開采深度、煤層傾角、開采厚度、走向長度、傾斜長度、頂板巖性等變量的影響，基于偏最小二乘回歸法建立導水裂縫帶高度預測模型。然而對于特定地質條件下采動覆巖裂隙在時間及空間演化特征的研究還不充分，而這些問題又與采場圍巖控制、巷道圍巖控制及回采工作面布置時序密切相關。本文采用自主研發的“裂隙發育鉆孔流量測試儀”，在時間和空間兩個維度探測了采后覆巖裂隙高度，為認識和掌握覆巖裂隙時空演化特征及實現煤礦安全高效生產提供技術支持。

1 采動覆巖“三帶”分布特征

煤層開采后，將采空區上方經采動影響穩定后的巖層按破壞程度分為：頂板垮落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶等。頂板“三帶”的分布見圖1.

1—垮落帶；2—裂隙帶；3—整體彎曲下沉帶圖1 采動覆巖 “三帶”圖

1) 垮落帶。

直接頂垮塌后形成的垮落帶發育的高度取決于頂板覆巖的巖石力學性質，其高度一般為采高的2～5倍。頂板覆巖越松散，抗拉強度越低，垮落帶的高度就越大；巖石越堅硬、抗拉強度越高、碎脹系數越小，垮落帶高度就越小。常用計算法和經驗法確定垮落帶的高度。

2) 裂隙帶。

裂隙帶是指在采空區上覆巖層中產生裂隙、離層及斷裂，但仍保持層狀結構的那部分巖層。在空間上，該范圍內的巖層不僅發育垂直于層內裂隙，而且發育沿巖層面的離層裂隙。裂隙發育的規模及大小除取決于巖層所受應力大小和巖層自身力學性質外，還與其所處的空間位置及厚度密切相關。垮落帶和導水裂縫帶俗稱為頂板“兩帶”。

3) 整體彎曲下沉帶。

整體彎曲下沉帶在時間上滯后采場推進時間，彎曲下沉速度較緩慢。在彎曲下沉帶內部巖層中發育有極少量規模較小的離層裂隙，其最終表現是在地面形成沉降。彎曲下沉帶在垂向上受拉張應力而彎曲，橫向上受擠壓應力而被壓縮，具有較好的隔水性。

2 覆巖裂隙探測方案

2.1 工程概況

童亭煤礦1095工作面位于-400 m上水平109采區，開采10煤，該面地面標高+27.13 m，巷道標高-373.4～-425.3 m. 工作面走向長1 530～1 620 m，平均1 575 m；傾斜寬164～166 m，平均165 m.

根據現有資料及附近鉆孔分析，煤厚1.0～4.7 m，平均3.6 m. 該面煤層傾角為4°～10°，平均6°. 1095工作面綜合柱狀表見表1.

表1 1095工作面綜合柱狀表

2.2 鉆孔流量測試技術

為了獲得1095工作面覆巖破壞“裂隙帶”發育特征，采用鉆孔注水流量測試法進行測試。具體方法是在工作面巷道中施工若干個鉆孔，在鉆孔中布置流量測試儀，根據鉆孔流量探測覆巖裂隙發育特征。根據覆巖裂隙流量測試數據，判定覆巖裂隙發育高度及穩定時間。此次覆巖裂高探測儀器采用自主研發的“裂隙發育鉆孔流量測試儀”，見圖2.

圖2 裂隙發育鉆孔流量測試儀圖

2.3 裂隙探測鉆孔施工參數

鉆孔孔徑108 mm. 1095工作面各鉆孔設計施工參數見圖3.

圖3 1095工作面鉆孔布置參數示意圖

3 覆巖裂隙時空演化特征

“裂隙帶”指“垮落帶”以上，該帶巖層裂隙普遍發育，橫向縱向導水性好，在該帶范圍內，巖層裂隙發育部位鉆孔測試水流量大；巖層保持完整的部位鉆孔測試水流量非常小，甚至為零。導水裂隙帶上方的“彎曲下沉帶”內，巖層中較少有裂隙發育，但由于下部巖層冒落，其上巖層會向下彎曲下沉，在巖層界面附近常有裂隙或真空離層發育，隨著上部巖層的下沉，先形成的裂隙或離層會有所閉合，在離層裂隙發育階段，鉆孔測試時會有部分水流量，但水流量較小。因此，可以通過測試鉆孔水流量大小來分析覆巖裂隙時空演化規律。

1095工作面收作時間為2020年8月13日，裂高發育測試分為3次，第一次時間為2020年10月8號，第二次時間為2021年1月10日，第三次時間為2021年5月16日。鉆孔第一次鉆取時間選在工作面收作1月后，實測數據為1095面機巷聯巷中布置的3#—6#孔。

將4個鉆孔不同時期實測數據分別繪制成鉆孔高程與流量，見圖4，5,6，7，以3#鉆孔流量測試數據為例，分析如下：

圖4 3#鉆孔不同時期各段測試流量圖

圖5 4#鉆孔不同時期各段測試流量圖

圖6 5#鉆孔不同時期各段測試流量圖

圖7 6#鉆孔不同時期各段測試流量圖

1) 停采線位置3#鉆孔流量測試數據分析。

a) 第一次測試3#鉆孔水流量時，鉆孔49.2 m高程以上，其每分鐘水流量為3 000 mL左右；鉆孔49.2～44.6 m高程間，鉆孔每分鐘水流量均在10 000 mL以上，最大流量達51 342 mL. 據此可知，1095工作面收作56天后，3#鉆孔裂隙帶最大發育高度為49.2 m.

b) 第一次測試結束后94天，開展3#鉆孔水流量第二次測試工作。由測試數據可見，鉆孔47.1 m高程以上，其每分鐘水流量為5 000 mL左右；鉆孔47.1～45.8 m高程間，鉆孔每分鐘水流量均在30 000 mL以上，最大流量達47 209 mL. 據此可知，1095工作面收作150天后，3#鉆孔裂隙帶最大發育高度降為47.1 m.

c) 第二次測試結束后126天，開展3#鉆孔水流量第三次測試工作。由測試數據可見，鉆孔43.2 m高程以上，其每分鐘水流量為2 000 mL左右；鉆孔43.2～41.9 m高程間，鉆孔每分鐘水流量均在40 000 mL以上，最大流量達71 561 mL. 據此可知，1095工作面收作276天后，3#鉆孔裂隙帶最大發育高度降為43.2 m.

2) 不同時期鉆孔流量測試對比。

停采線位置3#鉆孔，第二次鉆孔流量測試數據相比于第一次，流量減小平均為33.4%；第三次鉆孔流量測試數據相比于第二次，流量減小平均為12.3%.

上述數據表明，煤層回采后，其上覆巖層產生不同程度的冒落及裂隙發育，隨著時間的推移，垮落的矸石被逐漸壓實，裂隙及離層空間逐漸閉合。

3) 繪制停采線位置各鉆孔裂隙發育最大高度與時間關系曲線圖，見圖8. 由圖8可知，除3#鉆孔外，其余各鉆孔停采線位置覆巖裂隙最大發育高度值第二次與第三次相同，即煤層停采150天后，采空區上覆巖層移動逐漸趨于穩定，裂隙帶最大發育高度不再有明顯的變化。