淺埋煤層綜采面覆巖破壞規(guī)律的鉆探實測研究

蔚保寧，黃慶享

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

圖1 潰水潰砂事故現(xiàn)場

煤礦潰水潰砂災(zāi)害的發(fā)生條件和機理十分復(fù)雜，與煤層上覆含水層的規(guī)模和性質(zhì)、煤層開采厚度、開采方式、覆巖厚度和強度、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題，目前神東礦區(qū)尚未制定出明確的評價標(biāo)準(zhǔn)。以往針對潰水潰砂機理研究與防治主要偏重于水和砂方面，也沒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變化、水位下降等問題[14-15]。實際上，水砂致災(zāi)機理及防治不僅僅是研究和防治水和砂的問題，開采活動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法和彩色鉆孔電視觀測法，掌握了哈拉溝煤礦22208工作面開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械化采煤法，全部垮落法管理頂板。在距離開切眼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，通過疏放水，水位已經(jīng)下降12 m；該工作面地表存在一個小水庫，實施回采時已基本抽干。該工作面地層覆巖特征情況見表1。

表1 地層覆巖特征

2 水砂探測方法和設(shè)計

2.1 探測方法

覆巖破壞特征的觀測方法主要分為地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法、彩色鉆孔電視觀測法。覆巖破壞特征的觀測目前仍以地面鉆孔觀測為主，為了研究冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度和采動覆巖斷裂破壞特征，提高“兩帶”高度觀測的準(zhǔn)確性，采用地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法和彩色鉆孔電視觀測法相結(jié)合的綜合觀測法進(jìn)行觀測，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法

地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法是通過在采空區(qū)地面布置一定數(shù)量的鉆孔，測定鉆進(jìn)過程中鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位變化及鉆進(jìn)過程中的各種異常現(xiàn)象，經(jīng)過綜合分析來確定垮落帶、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法進(jìn)行“兩帶”觀測孔位、孔數(shù)及孔徑、觀測孔施工時間和使用要求都必須考慮周全才能準(zhǔn)確觀測出“兩帶”發(fā)育規(guī)律[18-19]。

2.1.2 彩色鉆孔電視觀測法

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。彩色鉆孔電視觀測法是根據(jù)鉆孔圖像資料信息，直接識別巖性、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]。

觀察組患者則在參照組的基礎(chǔ)上加強心理護(hù)理干預(yù)[5]：（1）護(hù)理人員用熱情的態(tài)度，和藹的語氣并且衣著整潔的接待患者，帶患者了解醫(yī)院的大概環(huán)境，熟悉病房。（2）護(hù)理人員對患者進(jìn)行疾病的教育，讓患者對自己的病情有深入的了解，避免患者因為長期受到疾病的困擾而出現(xiàn)各種焦慮、抑郁等消極的情緒，所以護(hù)理人員幫助患者認(rèn)真的了解自身的疾病是很重要的。（3）護(hù)理人員要通過與患者的溝通中發(fā)現(xiàn)患者出現(xiàn)的心理問題進(jìn)行心理疏導(dǎo)，幫助患者消除不利于自身和治療的負(fù)面心理，增強與患者的感情，提高患者的依從性。（5）護(hù)理人員要對患者有足夠的尊重和重視，當(dāng)患者向護(hù)理人員傾訴時護(hù)理人員要面到微笑，耐心的幫助患者解決出現(xiàn)的問題。

2.2 探測設(shè)計

哈拉溝煤礦22208工作面鉆孔共設(shè)計8個，其中4個位于切眼附近，用于觀測切眼區(qū)域覆巖破壞情況；其余4個位于工作面“三元溝南溝”區(qū)域，用于觀測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，用于觀測靠近進(jìn)風(fēng)巷及工作面中部初次來壓部位導(dǎo)水裂隙帶、冒落帶發(fā)育特征。采前觀測孔和采后觀測孔相距5 m以內(nèi)，確保采前、采后觀測數(shù)據(jù)對比分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

“三元溝南溝”區(qū)域溝底位置布置采前觀測孔K3采后觀測孔K7，溝底位置2個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)計采動覆巖破壞特征觀測孔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孔K4，采后觀測孔K8，溝底位置2個鉆孔均位于工作面中間區(qū)域，用于觀測溝底與出溝2種情況下導(dǎo)水裂隙帶、冒落帶發(fā)育特征。探測鉆孔布置方案如圖2所示。

圖2 工作面觀測鉆孔設(shè)計示意圖

3 采前孔勘測結(jié)果分析

3.1 采前孔漏失量監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)K1，K2，K3，K4鉆孔沖洗液漏失量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，所有鉆孔單位時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)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，以上4個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)計鉆孔區(qū)域無發(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。

圖3 切眼中部采前孔K1沖洗液漏失量曲線圖

圖4 切眼進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采前孔K2沖洗液漏失量曲線圖

圖5 三元溝溝底采前孔K3沖洗液漏失量曲線圖

圖6 出溝上坡采前孔K4沖洗液漏失量曲線圖

3.2 采前孔水位監(jiān)測結(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，偶有小幅回落，但回落幅度較小，分析水位回落原因為2 d之間的夜間停工導(dǎo)致水位輕微下降。整個水位變化過程均勻，無明顯大起大落。因此可以推斷設(shè)計鉆孔區(qū)域無發(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。

圖7 切眼中部采前孔K1水位變化曲線圖

3.3 采前孔鉆孔電視測量結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計在每個采前孔鉆進(jìn)完成后進(jìn)行洗孔，然后采用彩色鉆孔電視對全孔進(jìn)行測量。其中，切眼中部鉆孔整個孔內(nèi)無較大原生裂隙、無溶洞等特殊地質(zhì)體存在。采前孔每個孔內(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，每個鉆孔裂痕數(shù)量為2～5條，但每條裂痕的發(fā)育長度較小，開裂寬度也極其微弱，未能形成連通性良好的裂隙通道。因此設(shè)計鉆孔區(qū)域無發(fā)育較大的原生裂隙存在。這與由鉆孔沖洗液消耗量觀測法得到的結(jié)果基本一致。

圖8 K1～K4采前孔內(nèi)最明顯的一條裂隙影像圖

4 采后孔勘測結(jié)果分析

4.1 開切眼采后孔勘測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場沖洗液漏失量觀測結(jié)果和鉆孔電視影像綜合分析，結(jié)合采前勘測孔信息，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，地表裂隙開口位置直至采空區(qū)具備導(dǎo)水性。

圖9 采后孔冒落帶頂點鉆孔電視影像圖

4.2 “三元溝”采后孔勘測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場沖洗液漏失量觀測結(jié)果和鉆孔電視影像綜合分析，結(jié)合采前勘測孔信息，“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。“三元溝”出溝上坡區(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。冒落帶頂部位置鉆孔電視影像如圖10所示。

圖10 “三元溝”采后孔冒落帶頂點鉆孔電視影像圖

5 “兩帶”高度綜合分析

根據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》中的經(jīng)驗公式，對工作面采后冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計算，其公式如下

(1)

(2)

式中H1為冒落帶高度，m;H2為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；∑M為累計采厚，m；工作面每個區(qū)域采高都有變化。

經(jīng)過公式(1)(2)對K5,K6,K7,K8這4個區(qū)域的兩帶進(jìn)行預(yù)計計算，并與鉆孔實測結(jié)果進(jìn)行對比，見表2。從表2中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗公式預(yù)測值較現(xiàn)場實測值普遍偏小，這是淺埋煤層的重要特點，在進(jìn)行理論計算時，應(yīng)該考慮上覆巖層厚度。“三元溝”溝底由于上覆巖層較薄，部分巖層的缺失，經(jīng)驗公式不適用，應(yīng)該以現(xiàn)場實測為準(zhǔn)。“三元溝”出溝上坡區(qū)域，現(xiàn)場實測的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度較經(jīng)驗公式偏大，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)時偏大，出溝上坡區(qū)域是工作面防潰水潰砂的重點區(qū)域。綜合分析4個區(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，對于淺埋煤層工作面冒采比一般為2～3，裂采比一般為8～10。

表2 預(yù)測公式及現(xiàn)場實測結(jié)果對比

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。“三元溝”出溝上坡區(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。

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，所以地表裂隙開口位置直至采空區(qū)可認(rèn)定為具備導(dǎo)水性。

4)通過探測分析對重點危險區(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。