裕興煤礦15205工作面“兩帶”發(fā)育高度研究

王博

（山西煤炭運銷集團裕興煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

由于煤層采出后，會造成上覆巖層的移動破壞，根據(jù)采空區(qū)覆巖移動的破壞程度，在采空區(qū)上方形成“三帶”，即垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。“兩帶”一般指的是垮落帶和裂縫帶，又稱為“導水裂縫帶”，意指上覆巖層含水層位于“兩帶”范圍內，將會導致巖體水通過巖體破斷裂縫流入采空區(qū)和回采工作面。“兩帶”高度和巖性與煤層采高有關，覆巖巖性越堅硬，“兩帶”高度越大。因此準確地確定“兩帶”高度，對解決水體下采煤問題及下解放層開采瓦斯突出煤層有特別重要的意義[1]。根據(jù)研究方法原理的不同，可以將導水裂縫帶高度的研究方法分為4 類：確定性預測法、統(tǒng)計學預測法、非線性預測法和現(xiàn)場實測法[2]。趙兵朝等[3]以榆陽礦區(qū)薛廟灘煤礦為工程背景，通過理論分析、相似材料模擬實驗等方法，確定出薛廟灘煤礦煤層開采后導水裂縫帶發(fā)育高度為167.21 m，為進一步研究榆陽礦區(qū)“保水開采”奠定了理論基礎；孫潤等[4]以屯蘭礦28120 工作面為研究對象，通過理論分析、FLAC3D 數(shù)值模擬和井下仰孔壓水試驗等方法，確定出屯蘭礦28120 工作面導水裂隙帶最大發(fā)育高度為54.50 m；黃漢富等[5]通過理論分析、UDEC 數(shù)值模擬等方法模擬研究了采動裂隙發(fā)育和煤層群采動相互影響的演變過程，分析了3-1 煤頂板巖層采動裂隙的發(fā)育規(guī)律與預計高度，為該區(qū)的礦壓控制與保水開采提供了有益參考；馮超等[6]以小保當延安組四段2-2 煤層的先期開采工作面為工程背景，采用經驗公式法、理論分析法、FLAC3D數(shù)值模擬法以及物理模擬法等方法，分別預測了小保當井田2-2 煤層采動條件下導水裂隙帶發(fā)育高度并對其結果進行對比驗證。最終確定小保當2-2 煤層采動條件下覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度154 m，為解決小保當井田在煤礦開采時所引起的煤礦安全事故提供參考依據(jù)；舒宗運等[7]以郭家河煤礦的1305綜放工作面為工程背景，通過采用地表鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和UDEC 數(shù)值模擬等方法，對特厚煤層綜放開采條件下的“兩帶”高度進行研究；劉英鋒[8]等以大佛寺煤礦為試驗礦井，采用鉆孔電視系統(tǒng)和鉆孔簡易水文觀測法，探測深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂縫帶發(fā)育高度，并對導水裂縫帶演化特征進行相似模擬和數(shù)值模擬試驗研究，最終確定大佛寺煤礦深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂縫帶發(fā)育高度為170.80～192.12 m。

本文以裕興煤礦15205 工作面為工程實例，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過3DEC 數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法，綜合確定15205 工作面覆巖“兩帶”發(fā)育高度，為裕興煤礦類似地質采礦條件下地表水體及含水層下工作面開采時提供參考依據(jù)。

1 概況

裕興煤礦15205 工作面為15 號煤層二采區(qū)15203 工作面的接替采面，工作面傾斜長154～220 m，走向長1 096 m，地面標高+1 127—1 388 m，井下標高+904—925 m，平均采深約343 m，煤層平均厚度4.18 m，煤層傾角4°～5°。由于井田內廣泛為黃土覆蓋區(qū)，根據(jù)鉆孔及區(qū)域資料可知該井田地層由老至新為：奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f），石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b），石炭系上統(tǒng)太原組（C3t），二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x），二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s），第四系中、上更新統(tǒng)（Q2+3）。

通過對15205 工作面水文地質資料分析總結可知，工作面上部地表無大的水體，工作面回采期間正常的涌水量為20～30 m3/h，最大涌水量為25～35 m3/h，頂板以灰?guī)r、細砂巖和泥巖為主，巖性屬于中等堅硬巖層。總體而言，15205 工作面地質條件簡單，工作面覆巖中存在大量的原生裂隙，頂板裂隙發(fā)育，滿足裕興煤礦15 號煤層現(xiàn)場“兩帶”高度探測的需要。

2 “兩帶”發(fā)育高度研究

2.1 經驗公式計算

由于導水裂縫帶的發(fā)育高度主要取決于地層結構、巖石力學性質和開采方法，根據(jù)鉆孔區(qū)域工作面鉆孔柱狀圖可知，煤層平均厚度為4.18 m，根據(jù)《煤礦防治水細則（解讀）》內中硬巖層開采導水裂隙帶高度計算公式：

可計算出的導水裂縫帶高度范圍為40.98～63.96 m，因此主要對覆巖采動破壞高度在40.98～63.96 m 的覆巖破壞情況進行控制研究。

2.2 數(shù)值模擬計算

為得到工作面上覆巖層破壞情況，研究覆巖“兩帶”發(fā)育高度規(guī)律，通過采用3DEC 數(shù)值模擬軟件，以工作面內的鉆孔作為建模依據(jù)，考慮工作面上覆巖層巖性和模型邊界對模擬計算的影響，為使模型在走向方向上達到充分采動，確定模型長600 m，高100 m，建立數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 3DEC數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of 3DEC

根據(jù)鉆孔柱狀圖可知煤層上覆巖層巖性主要為砂質泥巖、細粒砂巖、中粒砂巖、泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r等，因此為更加真實的反映出煤炭開采引起的上覆巖層破壞垮落的運動狀態(tài)，結合實際情況，將工作面分16 次進行分步開挖，每次開挖步距為30 m，截取模擬開挖過程中30、60 和120 m 的豎直方向位移云圖和覆巖裂隙特征圖，如圖2、圖3所示。

由圖2豎直方向位移云圖可知覆巖離層的發(fā)育規(guī)律：開挖至30 m 時，覆巖開始出現(xiàn)移動，煤層上方8.06 m 處出現(xiàn)離層；開挖至60 m 時，覆巖發(fā)生大面積垮落，離層再次向上發(fā)育，在煤層上方40.95 m 處出現(xiàn)離層；開挖至120 m 時，離層明顯閉合。由此可知隨著工作面的不斷向前推動，上方巖層不斷破壞垮落，出現(xiàn)離層的位置也不斷增高，但在豎直方向上隨著遠離采場，離層發(fā)育情況逐漸減弱，直至閉合。

圖2 開挖30、60、120 m豎直方向位移云圖Fig.2 Vertical direction displacement cloud chart with 30,60,120 m excavation

由圖3覆巖裂隙特征圖可知覆巖豎向裂隙發(fā)育規(guī)律：豎向裂隙呈現(xiàn)出先開裂后閉合的特征。開挖至30 m 時，采動影響較小，覆巖內部只有少量豎向開裂裂隙產生；開挖至60 m 時，覆巖內部產生大量豎向裂隙，在采空區(qū)中部上覆巖層裂隙呈現(xiàn)出閉合趨勢；在開挖至120 m 時，原有的部分開裂裂隙逐步演化為閉合裂隙，在采空區(qū)中部形成裂隙閉合區(qū)域。

圖3 開挖30、60、120 m覆巖裂隙特征Fig.3 Fracture characteristics of overburden rock with 30,60,120 m excavation

通過3DEC 數(shù)值模擬綜合分析覆巖離層和豎向裂隙發(fā)育規(guī)律，可知該工作面導水裂縫帶高度約為51.32 m。

3 “兩帶”發(fā)育高度觀測

為了對“兩帶”發(fā)育高度進行觀測，在15 號煤層15205 工作面附近，位于二采區(qū)北翼輔運巷與膠帶巷之間的聯(lián)絡巷內布置2 個鉆孔（1 號鉆孔和2 號鉆孔），鉆孔施工要素見表1。

表1 鉆孔施工要素Table 1 Drilling construction elements

3.1 雙端堵水測漏裝置觀測結果

通過采用雙端堵水測漏裝置對1 號鉆孔和2 號鉆孔進行注水漏失量觀測，可得到1 號鉆孔和2 號鉆孔各段巖層的注水漏失量，如圖4所示。

圖4 鉆孔觀測成果Fig.4 Borehole observation result

由圖4可知，鉆孔觀測范圍內各段巖層的注水漏失量可以明顯分為2 個區(qū)域，即漏失量較大的II段區(qū)域與漏失量較小的I 段區(qū)域和III 段區(qū)域。根據(jù)鉆孔內由下到上的觀測順序，可以發(fā)現(xiàn)在I 段鉆孔區(qū)域內和III 段鉆孔區(qū)域內，兩區(qū)域巖層裂隙不發(fā)育，隔水性較強，受采動影響較小，巖層整體性較強；在II 段鉆孔區(qū)域內，各巖層段的滲透量都明顯大于4 L/min，巖層的漏失量較大，說明此時鉆孔已經穿入裂縫帶內，此區(qū)域巖層內受采動影響產生的次生裂隙較為發(fā)育，巖層的導水性能較強。通過2 個觀測孔的觀測成果相互印證，可以比較準確地測試出導水裂縫帶的上限值，得到較為可靠的導水裂縫帶發(fā)育高度：1 號孔54.45 m、2 號孔54.20m，H（平均） =54.325 m。

3.2 鉆孔成像軌跡儀觀測結果

通過采用ZKXG100-T/T(B)礦用鉆孔成像軌跡儀對1 號鉆孔和2 號鉆孔進行觀測可知，1 號鉆孔從開孔往上孔深52.17 m 處就進入了裂隙區(qū)，裂隙較為發(fā)育，橫向和豎向裂隙交叉分布，巖層破壞嚴重，從78.95 m 往上直至孔底，孔壁保持較完整，部分孔壁出現(xiàn)原生微小裂隙，巖層的滲透率較小，所觀察結果與漏失規(guī)律基本一致；2 號鉆孔從開孔往上孔深73.36 m 處就進入了裂隙區(qū)，裂隙較為發(fā)育，由于該處進入裂隙發(fā)育區(qū)域，巖層出現(xiàn)明顯破壞。從82.25 m 往上，裂隙基本不再發(fā)育，孔壁保持較完整，巖層的滲透率較小，所觀察結果與漏失規(guī)律基本一致。

綜合1 號和2 號鉆孔窺視結果，兩鉆孔所觀測到的導水裂隙帶高度分別發(fā)育至孔深75.53 m 和82.25m 處，高度分別為53.4 m 和55.0 m，平均為54.2 m，與兩端封堵測漏裝置觀測到的結果基本一致。

4 “兩帶”發(fā)育高度綜合分析

通過3DEC 數(shù)值模擬、雙端堵水測漏及鉆孔成像軌跡儀實測，可知15 號煤層15205 工作面的覆巖導高值見表2。

表2 15205 工作面覆巖導高綜合分析Table 2 Comprehensive analysis of overburden rock height of No.15205 Face

由表2可知，采用3DEC 數(shù)值模擬、雙端堵水測漏裝置及鉆孔成像軌跡儀分析確定的導水裂縫帶高度差距較小，對各方法確定的導水裂縫帶高度結果進行了相互驗證，取雙端堵水測漏裝置和鉆孔成像軌跡儀2 種技術方法所測的較大值，為54.45 m。

綜上所述，裕興煤礦15205 工作面覆巖導水裂縫帶的高度為54.45 m。觀測斷面處的工作面煤層采厚M＝4.18 m，工作面的導高與采厚之比為54.45/4.18≈13.02 倍。

5 結論

（1） 裕興煤礦15205 工作面平均采高4.1 m，采場覆巖頂板中泥巖較多，為軟弱偏中硬地層，由公式計算可知導水裂縫帶高度范圍為40.98～63.96 m。

（2） 通過3DEC 數(shù)值模擬、雙端堵水側漏裝置和鉆孔成像軌跡儀綜合分析可知覆巖導水裂縫帶高度為54.45 m，導高和采厚之比為13.02 倍。

（3） 采用3DEC 數(shù)值模擬、雙端堵水側漏裝置和鉆孔成像軌跡儀得到的“兩帶”高度較為一致，為裕興煤礦類似地質條件下工作面開采提供參考依據(jù)。