采空區覆巖采動裂隙帶高度分析與研究

孫肖肖

（霍州煤電集團煤炭生產管理部，山西霍州 031400）

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及相關采煤沉陷學理論，煤層覆巖采動“三帶”自下而上為垮落帶、裂隙帶、彎曲帶，采動“三帶”的形成和其發育規模的大小與采動條件密切相關，采動“三帶”的形成由初始期、活躍期、衰減穩定期的時間變化規律，至穩定期時，采動裂隙會閉合而失去相互導通性。為進一步指導安全生產，本文對鉆探實測采動裂隙帶成果與理論經驗公式計算結果進行了對比分析。

1 煤層采空區覆巖采動裂隙帶分類特征

“三下”采煤規程采動三帶指綜合機械化采煤方法達充分采動條件時，垮落帶、裂隙帶可達最大高度。非充分采動條件時，所形成的覆巖采動垮落帶和裂隙帶高度則因地而異。裂隙帶的高度規模或發育強度一般分為三類，即弱裂隙帶、一般裂隙帶、強裂隙帶。弱裂隙帶高度低，裂隙延伸短，裂寬很小，相互導通性差或不具導通性，巖層或巖體完整性相對較好，破碎程度很低；一般裂隙帶裂寬及相互導通性一般，或僅下部達強裂隙帶，往上漸變為弱裂隙。強裂隙帶裂寬較大，裂隙發育，巖層完整性差、破碎程度較高，相互導通性好。

在地面鉆探過程中通過鉆孔沖洗液在鉆進過程的消耗量變化及水位變化，可直接反映出裂隙帶的界面。一般情況下，鉆進至裂隙帶頂面以下時，則消耗量明顯增大，或致其全漏至采空區。鉆進過程的孔內水位變化因素較復雜，如遇弱裂隙帶時則常具一定的水位，如遇強裂隙帶并與采空區導通時則會失去孔內水位，或孔內水位為回次鉆進的孔底。據此，可據沖洗液消耗量變化或突變點水位變化的鉆孔深度，并結合巖芯節理、裂隙帶的發育程度、巖芯破碎程度或完整性，綜合確定采動裂隙帶高度。

2 探測礦井地質特征

探測礦井井田大面積為基巖出露，僅在山頂或溝谷中有小面積黃土覆蓋，井田內發育的地層有：第四系中上更新統，二疊系上統上石盒子組、下統下石盒子組、下統山西組，石炭系上統太原組、中統本溪組，奧陶系中統峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組。受區域地質構造的控制和影響，井田構造軸向以南北向的褶皺為主，從西向東，區域性鄭家莊背斜、陸家巖向斜及東南側的梨樹園背斜從井田相伴通過，構成了井田的基本構造格架。井田內發育有9條大小不同的斷層，落差在0.6～5m 左右。井田內發育有11 個陷落柱，根據《煤礦地質工作規定》關于井田地質構造復雜程度類型的劃分原則，本區發育為數不多和方向單一的寬緩褶皺，斷裂構造不發育，沒有巖漿巖影響，地質構造不影響采區的合理劃分和采煤工作面的連續推進，綜述井田地質構造復雜程度屬簡單類型。

井田含煤地層為石炭系上統太原組（C3t）和二疊系下統山西組（P1s），地層平均總厚度為124.05m，煤層平均總厚度為9.79m，含煤系數為7.89%。山西組為一套陸相含煤地層，含煤3層，編號自上而下為2上、2下、3號煤層，2上號煤層賦存區穩定可采（俗稱2號煤層），2下號煤層較穩定局部可采，3號煤層為不可采煤層。山西組地層平均厚度為35.55m，煤層總厚度為2.06m，含煤系數為6.14%。太原組為一套海陸交互相含煤地層,含煤7層，編號自上而下為5、6、7上、7下、8、9、10+11號煤層，其中9+10+11號煤層為全區穩定可采煤層，其余均為不可采煤層。太原組地層平均總厚度為88.5m，煤層總厚度為7.74m，含煤系數為8.75%。

井田可采煤層為山西組2號煤層和太原組9、10+11 號煤層。1、2 號煤層位于山西組中下部，煤層厚度1.06～1.11m，平均1.09m，結構簡單，含夾矸0～1層，為賦煤區穩定可采煤層，頂板為泥巖，底板為泥巖。由于埋藏淺，除剝蝕風化外，該煤層全部被老窯、小窯破壞。9+10+11 號煤層位于太原組下段，K2灰巖之下，上距2號煤層71.36～85.21m。煤層厚度6.56～8.40m，平均7.49m，結構簡單，含夾矸2～4 層，為全區可采的穩定煤層，煤層頂板為K2石灰巖，底板為泥巖。該區含煤地層沉積類型和特征與區域上大致相同，煤巖層對比采用標志層法、地層組合特征法，層間距法、煤層自身特征法等，本區各段地層組合及煤層自身特征明顯，標志層發育較好，層間距相對穩定，便于對比。作為煤層對比標志主要有太原組K2、K3、K4灰巖，K1、K5砂巖，含菱鐵礦結核泥巖及山西組K7砂巖，下石盒子組K8砂巖、煤層、地層組合關系等。

2 號煤層下距3 號煤層6.42m，兩煤層之間巖性為泥巖、粉砂巖及不穩定砂巖，2號煤層屬中厚煤層，結構簡單，不含夾矸。9+10+11 號煤層，屬厚煤層，結構中等，含2～4 層夾矸。煤層自身特征，如2、3、9、10、11 號煤層結構，層位相對穩定，特征明顯。3 號及以上煤層硫含量低，3號煤層以下煤層硫含量逐漸增高。11號煤層硫含量較低也是顯著特點。總之，本區煤層容易對比，特別是主煤層，通過各種手段綜合對比，對比結果可靠。

3 探測礦井水文特征

煤礦生產實踐表明，對礦井充水有影響的水源主要有大氣降水、地表水、含水層水及老采空區積水。其影響程度，主要取決于上述各水體的發育程度或富水性，以及水體同開采煤層的關系。

井田四周邊界為人為邊界，邊界內外地表水、地下含水層之間的水力聯系不因礦界而改變。井田內岔口河及其支流部位煤層埋藏淺，最大導水裂隙帶高度可達地表，雨季生產時，地表洪水可通過導水裂隙帶潰入井下，造成水害事故。未來開采時一定要留足保安煤柱，確保安全生產。井田東南部邊界附近有馬王窯斷裂，斷層具有一定的導水性，有溝通其它含水層之間的水力聯系的可能。因此存在通過斷層溝通其它含水層對煤層產生側向突水的可能，在斷層附近開采時一定要預留防水煤柱，防止側向突水。

井田內沒有專門水文孔，主要依據井田內施工的水井資料及區域水文地質資料，根據含水介質和地下水性質的不同可分為四組類型：碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、碎屑巖類裂隙含水層及松散巖類孔隙含水層。

本區多年平均降水量455.9mm，降水量分配極不均勻，降水主要集中在7、8、9三個月，暴雨強度大，來勢猛，易形成集中補給，使礦坑積水嚴重，因此開采過程中在暴雨季節應加以防范。大氣降水是本區地下水的主要補給來源，地形陡，地層產狀平緩的地質地貌條件有利于雨水迅速排泄，雨季來臨時，自然降水大部分順溝谷流出井田，大氣降水僅有少量滲入含水層，各含水層或埋于地下或出露山坡，出露面積很小，不利于大氣降水滲入，排泄條件好，含水層富水性弱，故大氣降水一般不會產生充水危害。但由于區內煤層埋藏淺，開采放頂和頂板冒落沉降易使地面產生變形，出現地裂縫、裂隙等，在雨季或長時間的陰雨天氣，地表水可以通過地裂縫、裂隙下滲或灌入補給地下水，使地下水量增加，在坑道中可能出現滴水或涌水，造成礦坑充水，特別在7、8、9三個月雨季，暴雨強度大，來勢猛，易形成集中補給，使礦坑積水嚴重。

因此查明采動裂隙帶高度對礦井安全生產具有一定的指導意義。

4 鉆探實測采動裂隙帶

本次探測地點的采空區形成于2019 年以前，采動“三帶”已處于衰減穩定階段，采動裂隙多呈閉合狀態，相互導通性已變差或失去導通性。探測工作面煤層厚度3.5m，順槽長度1500m，切巷長度135m。探測鉆孔位置依據地形條件及煤巖層走傾向變化，確定布置于工作面采空區中段，確保能夠準確反映上三帶發育高度，探測鉆孔位置示意見圖1。

圖1 探測鉆孔位置示意圖

探測的主要目標是采動導水裂隙帶的高度，其主要質量參數包括取芯層段巖芯地質鑒定、簡易水文地質觀測、鉆孔終孔斜度、鉆孔封閉質量。本次探測鉆探進尺140m，取芯層段為煤系地層全取芯，非煤系地層部分取芯。鉆孔巖芯均進行了節理、裂隙、完整性或破碎程度定性鑒定。因鉆孔終孔層位已至采空區頂面，故鉆孔底部下木塞，并采用325#水泥漿自木塞頂至孔口進行全孔封閉。

5 采動裂隙帶實測成果

采動裂隙帶的層位主要依據鉆孔沖洗液回次消耗量和水位變化突變情況進行分析。探測鉆孔柱狀示意見圖2。孔深0～90.5m 主要由粉砂巖和中細粒砂巖組成，夾少量煤層、砂質泥巖和泥巖，鉆進消耗量0.3～1.5m3/h，分段均具一定的穩定性。孔深90.5～135.2m消耗量突變為0.9～3.5m3/h，以2.5～3.0m3/h為主，巖性組合下部以石灰巖為主，間夾泥巖、中粒砂巖，上部由細粒砂巖和泥巖組成。孔深135.2～140m孔內消耗量達3.5～4.5m3/h，即全漏至采空區，同時水位至孔底。

圖2 探測鉆孔柱狀示意圖

以孔深90.5m為界，以下消耗量突然增大且具有增大的連續性，屬采動裂隙帶的典型特性。孔深90.5m以上消耗量不具有統一的變化規律，總體上明顯小于90.5m 以下層段的消耗量，預計與基巖風化帶裂隙、中細粒砂巖裂隙含水層及粉砂巖原生裂隙相關，不具有自上往下持續增大的連續性。

孔深90.5～135.2m 的鉆進消耗量增大但孔內仍保持一定的水位，說明采動裂隙相互導通性差，未與采空區導通而失去水位，應屬弱裂隙帶類型。孔深135.2～140m孔內消耗量達3.5～4.5m3/h，即全漏至采空區，同時水位至孔底。說明該段裂隙十分發育，巖層破裂程度高，屬強裂隙帶。

從以上情況分析，工作面采空區覆巖采動裂隙帶頂面孔深為90.5m，至135.2m 為采動裂隙帶，其高度為44.7m，之下為垮落帶及采空區。

6 采動裂隙帶理論計算

工作面煤層上覆巖石以石灰巖為主，為堅硬巖石。井田煤層傾角一般在2°～8°之間。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》水體下緩傾斜煤層開采時導水裂隙帶高度計算公式覆巖巖性中硬、堅硬，采用以下公式進行計算：

上述公式中，M為累計采厚，取3.5m；導水裂縫帶最大高度取兩式之最大值，帶入公式計算得導水裂隙帶高度為66.12m。理論計算值采動裂隙帶最大高度與實際探測值有一定的偏差。

7 結論

根據探測鉆孔沖洗液回次消耗量和水位變化突變情況，判斷工作面采空區覆巖采動裂隙帶頂面孔深為90.5m，90.5～135.2m為采動裂隙帶，其高度為44.7m，之下為垮落帶及采空區。實測采動裂隙帶高度與堅硬頂板理論計算值存在一定的偏差，考慮實測區域煤層埋深相對較淺，礦壓較小，采空區石灰巖頂板屬堅硬巖石，且厚度較大，抗拉和抗剪力較大，致實測采動裂隙帶高度比充分采動條件下理論計算值偏小。本次探測對地質條件類似礦井采動裂隙帶高度研究具有一定的借鑒指導意義。