淺埋煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

李海軍

(陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

我國西部擁有大量的淺埋煤層煤炭資源。其中，陜北侏羅紀(jì)煤田是我國探明儲(chǔ)量最大的煤田之一，占全國煤炭儲(chǔ)量的14%。該煤田煤層埋藏淺，賦存煤層多，為主要開采煤層群。我國西部淺埋煤層群綠色開采，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義[1-3]。

神南礦區(qū)各礦井大多主采煤層屬于大采高煤層，大部分區(qū)域的第一煤層開采完畢，進(jìn)入第二、三主采煤層開采，煤層群下部煤層開采時(shí)容易出現(xiàn)來壓強(qiáng)度大，來壓迅猛，動(dòng)載系數(shù)大，臺(tái)階下沉，壓架冒頂?shù)葎×襾韷含F(xiàn)象[4-6]。淺埋煤層開采實(shí)踐表明，開采后覆巖中只存在冒落帶和裂隙帶，為導(dǎo)水裂隙帶。若導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到覆巖隔水層后，可能會(huì)造成井下突水或淹井災(zāi)害事故，影響區(qū)域生態(tài)平衡。劉天泉[7]提出了“覆巖破壞學(xué)說”，是國內(nèi)研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育機(jī)理的基礎(chǔ)。施龍青等[8]建立了基于采場頂板“上四帶”劃分理論。曹丁濤等[9]研究了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與多因素影響之間的關(guān)系式。黃慶享等[10]利用分形力學(xué)和理論力學(xué)，將裂縫帶又分為“似連續(xù)帶”和“塊體鉸接帶”，提出“上行裂隙”和“下行裂隙”是影響隔水層穩(wěn)定性的重要因素。馬雄德等[11]進(jìn)行了神南礦區(qū)采煤導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚關(guān)系密切，呈非線性關(guān)系。

盡管關(guān)于神南礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了許多研究，但目前針對(duì)紅柳林煤礦煤層群開采導(dǎo)水裂隙帶高的實(shí)測研究甚少。因此，開展紅柳林煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度研究十分有必要，一方面為紅柳林煤礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障，另一方面為陜北淺埋煤層群工作面的開采提供借鑒意義。

1 工作面條件和鉆孔施工

1.1 工作面地質(zhì)及開采條件

紅柳林煤礦所屬神南礦區(qū)，核定生產(chǎn)能力達(dá)到1 500萬t/a，5-2號(hào)煤層、4-2號(hào)煤層為主要可采煤層。24201工作面為4-2號(hào)煤層首采工作面，工作面可采推進(jìn)長度為2 064 m，綜采工作面傾向布置長度為283 m；24201工作面下部為5-2號(hào)煤層25207工作面，2個(gè)工作面近似重疊布置，25207工作面上覆基巖厚度為107～108 m，松散層厚度21～101 m。該工作面平均開采厚度6.2 m，與4-2號(hào)煤層間隔巖層厚度為59 m，工作面對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 煤層群工作面平面位置Fig.1 Plane position of coal seam group working face

1.2 鉆孔施工

為了掌握煤層群工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，在24201工作面施工2個(gè)導(dǎo)水裂隙帶鉆孔，其中SK1號(hào)鉆孔距離順槽邊界80 m，SK2號(hào)鉆孔位于工作面中心，施工現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 鉆孔施工現(xiàn)場Fig.2 Drilling construction site

2 導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測

2.1 圖像觀察分析

根據(jù)測井圖像觀察分析，如圖3所示，SK1鉆孔從套管底端開始可以觀察到斜向裂隙，延伸較短，隨著孔深增大，裂隙密度增加，且裂隙延伸增大；孔深62 m以下孔壁多為裂隙空洞，裂隙發(fā)育密集，孔壁不完整。因此，說明導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)延伸至基巖面以上。同樣，SK2鉆孔在孔深59 m處有裂隙空洞，說明導(dǎo)水裂隙帶已延伸至基巖面以上，如圖4所示。

圖3 SK1鉆孔測井結(jié)果Fig.3 Logging results of SK1 borehole

圖4 SK2鉆孔取芯結(jié)果Fig.4 SK2 drilling coring results

2.2 冒采比分析

SK1鉆孔冒落帶頂界位置為67 m，該鉆孔處4-2號(hào)煤層底深度為83.40 m，故冒落帶高度為16.40 m，冒采比為5.7。SK2鉆孔冒落帶頂界位置為82.70 m，該鉆孔處4-2號(hào)煤層底深度為98.20 m，故冒落帶高度為15.50 m，冒采比為5.4。綜合分析對(duì)比測定，紅柳林煤礦4-2號(hào)煤層冒采比為5.5。

2.3 導(dǎo)水裂隙帶高度

利用收集到神南礦區(qū)周邊煤礦的斜長與導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育數(shù)據(jù)(表1和圖5)，裂隙帶高度隨工作面斜長增長而增大，在工作面斜長250～300 m，裂隙帶增加速率降低，趨于平緩。

表1 各礦工作面斜長與導(dǎo)水裂隙帶高度Table 1 Oblique length of working face and height of water conducting fracture zone in each mine

圖5 工作面斜長與導(dǎo)水裂隙帶高度Fig.5 The oblique length of working face and the height of water conducting fracture zone

隨著工作面采高從2 m增大至7 m，覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度呈整體增大的趨勢，線性相關(guān)性達(dá)75%，如圖6所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有一定的借鑒意義。因此，結(jié)合本次研究紅柳林煤礦4-2號(hào)煤層和5-2號(hào)煤層實(shí)際開采高度分析得出，在采高3 m左右，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采高的比值(裂采比)大約為27；采高6 m左右時(shí)，裂采比大約為28.5。

圖6 工作面采高與導(dǎo)水裂隙帶高度Fig.6 Mining height of working face and height of water conducting fracture zone

3 導(dǎo)水裂隙帶高度物理模擬

4-2號(hào)煤層工作面繼續(xù)推進(jìn)到65 m時(shí)，基本頂發(fā)生初次垮落，頂板垮落帶高度約為12.5 m，覆巖出現(xiàn)明顯的離層空間，離層高度約為23 m，離層裂隙寬度為0.8 m，基巖垮落角70°。4-2號(hào)煤層工作面推進(jìn)至175 m時(shí)已達(dá)到充分采動(dòng)，基本頂出現(xiàn)第6次周期來壓，在工作面上方紅土與黃土層交界處發(fā)育新的下行裂隙，工作面裂隙帶高度約90 m。6次周期來壓步距分別為20.5 m、16.05 m、14.55 m、16.95 m、19.65 m、22.05 m，平均為18.3 m。

5-2號(hào)煤層埋深為190 m，位于4-2號(hào)煤層底板下方66 m，采高為6.2 m。當(dāng)5-2號(hào)煤層工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，老頂初次來壓，間隔巖層垮落高度10.5 m，切眼側(cè)基巖垮落角為63°，如圖7所示。

圖7 5-2號(hào)煤層工作面初次來壓Fig.7 First weighting of No.5-2 coal seam working face

5-2號(hào)煤層工作面推進(jìn)至136.5 m時(shí)出現(xiàn)第5次周期來壓，來壓步距18 m，兩煤層的層間覆巖完全發(fā)生垮落，同步引起4-2號(hào)煤層上覆巖層移動(dòng)，采空區(qū)已穩(wěn)定的巖層再次發(fā)生移動(dòng)，原已壓實(shí)閉合的裂隙再次發(fā)育，如圖8所示。

圖8 5-2號(hào)煤層間隔巖層完全破斷Fig.8 Fracture of interval strata in No.5-2 coal seam

5-2號(hào)煤層工作面共推進(jìn)262.5 m，工作面共發(fā)生10次周期來壓，平均周期來壓步距為14.5 m，如圖9所示。回采結(jié)束后工作面冒落帶高度為35.2 m。

圖9 5-2號(hào)煤層第10次周期來壓結(jié)束Fig.9 10th periodic weighting of No.5-2 coal seam

由4-2號(hào)煤層及5-2號(hào)煤層的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，4-2號(hào)煤層回采結(jié)束時(shí)，工作面上覆巖層冒落帶高度為14.8 m，冒采比為5.16，導(dǎo)水裂隙帶高度為90 m，裂采比為31.3；5-2號(hào)煤層回采結(jié)束時(shí)，工作面上覆巖層冒落帶高度為35.2 m，冒采比為5.87；回采后裂隙貫穿至地表，裂采比31.7。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場實(shí)測得出紅柳林煤礦4-2號(hào)煤層冒采比為5.5；結(jié)合工程類比分析得出：導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采高和工作面斜長基本呈線性增大的趨勢。采高3 m左右時(shí)，裂采比約為27；采高6 m左右時(shí)，裂采比約為28.5。

(2)根據(jù)物理模擬實(shí)驗(yàn)，4-2號(hào)煤層回采結(jié)束時(shí)，工作面上覆巖層冒落帶高度為14.8 m，冒采比為5.16，與實(shí)測結(jié)果(冒采比為5.5)基本吻合，裂采比為31.3；5-2號(hào)煤層回采結(jié)束時(shí)，工作面上覆巖層冒落帶高度為35.2 m，冒采比為5.87，工作面回采過程中裂隙發(fā)育均貫穿至地表，裂采比為31.7。