近距離煤層同采覆巖破壞規律研究

郭建清

(中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

近距離煤層在我國相當普遍，在我國大部分礦區中，只有不足1/3總數的礦區可采煤層數少于5層;而有55．2%的礦區可采煤層數達到6～15層，還有一部分礦區的可采煤層數超過了20層［1］。如：淮北礦區、淮南礦區、徐州礦區、新汶礦區、平頂山礦區、大同礦區等都存在近距離煤層群［2－5］。

目前，單一煤層開采覆巖三帶分布規律研究較為充分，而對近距離煤層，上、下煤層不同的開采方式，其上覆巖層三帶分布的變化規律研究較少，不利于近距離煤層的安全開采。因此，本文結合劉東煤礦的具體地質技術條件，研究近距離煤層同采時，上覆巖層的三帶分布規律，以提高近距離煤層開采的安全性、高效性與經濟性。

1 地質條件

劉東煤礦西三采區的37102與37202工作面為近距離煤層開采。工作面位于西三采區軌道上山的西側，F31斷層的東側，F13斷層的西北邊，兩斷層對工作面的回采基本沒有影響。該面地面標高+31．80～ +32．10 m，井下標高 －197．39 ～ －228．54 m。該面可采煤層為2層煤，即71煤、72煤。71煤層賦存不穩定，厚度為 1．36 ～1．88 m，平均厚度1．4 m，結構簡單，且中部有一變薄帶僅為0．7 m左右，為不可采煤層;72煤層賦存穩定，全區可采，厚度為 1．72～4．39 m，平均厚度為 2．5 m 左右;71、72煤層間距 3 m左右，但局部因受構造的影響層間距僅為幾十cm，夾層巖性為薄層狀細砂巖、粉沙巖和煤線互層。煤層傾角平均為 15°，煤層硬度系數為 1～1．5，容重1．3 t/m3。

兩層煤為近距離煤層，煤層基本頂為厚層砂巖，直接頂為泥巖，頂板段巖性為泥巖、粉砂巖、薄層砂巖、煤線等，底板為泥巖，加之煤層松軟，系三軟底層，砂巖占27%，屬不穩定～較穩定、中硬～軟弱頂板，煤層頂底板綜合情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

該面水文地質特征相對比較筒單，主要出水為煤層頂板砂巖裂隙水和斷層裂隙水，正常涌水量20m3/h，最大涌水量200 m3/h。該面瓦斯絕對涌出量0．13 m3/min，煤層爆炸指數 31．2%，煤的自燃傾向性為Ⅲ類，無地溫與沖擊地壓危害。

2 實測技術及方案

71、72煤層開采覆巖三帶分布規律觀測采用YZT－型巖層鉆孔探測儀。為了觀測71煤層開采后覆巖三帶分布特征，在37202下順槽內布置1#鉆孔，鉆孔長度為75 m，具體布置方式見圖1，在37102工作面推過1#鉆孔30 m后，對上覆巖層的破碎狀況進行觀測。

為了觀測71、72煤層開采后覆巖三帶分布特征，在37202排水巷內布置2#、3#鉆孔，鉆孔長度均為115 m，具體布置方式見圖1，在37202工作面推過2#、3#鉆孔30 m后，對上覆巖層的破碎狀況進行觀測。

圖1 鉆孔布置平、剖面示意圖

3 實測結果及分析

3．1 71煤層開采后覆巖三帶分布規律

根據巖層鉆孔探測儀記錄的現場觀測圖像，將其中鉆孔破壞情況有顯著變化的圖像挑選出來，并根據圖像中記錄的鉆孔深度，得到單獨71煤層開采后，部分深度的鉆孔圖像見圖2。

根據鉆孔探測儀探測的結果，結合圖1中1#鉆孔的布置角度與方向，將不同深度的鉆孔換算成距煤層的不同距離，進行實驗室圖像數據處理后，可知在71煤層開采后，距煤層5．5 m內的頂板巖層已完全破碎;距煤層5．5～23．8 m內的頂板巖層的裂隙較為發育;距煤層23．8 m以上的頂板巖層完整性較好。因此，通過分析71煤層開采后對1#鉆孔的破壞影響情況，得到71煤層開采后覆巖三帶分布特征見圖3。

圖2 1#鉆孔不同深度的現場實測圖像

圖3 71煤層開采后覆巖三帶分布圖

從實測結果及分析可見，71煤層單獨開采后上覆巖層形成的跨落帶高度為5．5 m，裂隙帶高度為23．8 m。

3．2 71、72煤層開采后覆巖三帶分布規律

采用同樣的觀測方法與記錄手段，得到71、72煤層全部開采后，2#、3#鉆孔探測的部分深度圖像見圖4、圖5。

圖4 2#鉆孔不同深度的現場實測圖像

根據鉆孔探測儀探測的結果，結合圖1中2#、3#鉆孔的布置角度與方向，將不同深度的鉆孔換算成距煤層的不同距離，進行實驗室圖像數據處理后，可知在71、72煤層全部開采后，距煤層12．6 m內的頂板巖層已完全破碎;距煤層12．6～41．2 m內的頂板巖層的裂隙較為發育;距煤層41．2 m以上的頂板巖層完整性較好。因此，通過分析71、72煤層全部開采后對2#、3#鉆孔的破壞影響情況，得到71、72煤層全部開采后覆巖三帶分布特征見圖6。

圖5 3#鉆孔不同深度的現場實測圖像

圖6 71、72煤層全部開采后覆巖三帶分布圖

從實測結果及分析可見，71、72煤層全部開采后上覆巖層形成的跨落帶高度為12．6 m，裂隙帶高度為41．2 m。

4 主要結論

根據劉東煤礦的具體地質條件，采用巖層鉆孔探測儀，實測了近距離煤層在單獨開采上層煤與上、下煤層全部開采后，覆巖的三帶分布規律，得到的主要結論如下：

1)近距離煤層聯合開采，首先單獨開采上層71煤層時，上覆巖層形成的跨落帶高度為5．5 m，裂隙帶高度為23．8 m。

2)近距離煤層聯合開采，71、72煤層全部開采時，上覆巖層形成的跨落帶高度為12．6 m，裂隙帶高度為 41．2 m。

［1］ 杜計平．采礦學［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2009：121－125．

［2］ 張百勝，楊雙鎖，康立勛，等．近距離煤層回采巷道合理位置確定方法探討［J］．巖石力學與工程學報，2008，27(1)：97－101．

［3］ 琚宜文，王桂梁，胡 超．海孜煤礦構造變形及其對煤厚變化的控制作用［J］．中國礦業大學學報，2002，31(4)：374－379．

［4］ 盧士超．近距離煤層聯合開采技術的應用［J］．煤炭技術，2006，25(9)：．

［5］ 劉純貴．四臺礦近距離煤層采空區下圍巖承壓性能模擬分析［J］．中國煤炭，2005，31(5)：33－35．