遼寧三臺子水庫下特厚煤層綜放開采覆巖破壞特征

馮國財，李 強，孟令輝

(1.遼寧經濟職業技術學院科研處，遼寧沈陽 110122;2.沈陽煤炭科學研究所采礦室，遼寧沈陽 110015;3.鐵煤集團公司大平煤礦，遼寧沈陽 112600)

0 引言

鐵法煤業(集團)有限責任公司大平煤礦地處沈陽市康平縣境內。井田南北長 8.7km，東西寬3.6km，面積約28.57km2，保有工業儲量2.68 ×108t。三臺子水庫處于井田中部，面積13.6km2。庫下壓煤工業儲量1.33×108t。

三臺子水庫下煤層賦存穩定。煤層埋深250～600m，厚度10～16m，傾角 6°～8°。2005年以來，礦井采用綜放采煤方法，已連續在庫下安全回采了N1S1、S2S2、S2N1、N1S2 和 S2S9等 5 個工作面，累計采出煤炭2417×104t。

采動裂隙是溝通地面水體的重要通道。留設足夠厚度防水煤巖柱，是防止采動裂隙導水的有效措施。國內外現有海、湖、河流等地面大型水體下采煤成功實例及相關技術規定，均僅限于薄及中厚煤層單一長壁開采，以及厚及特厚煤層分層開采［1-4］。國家現行《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》規定:防水安全煤巖柱垂高應大于或等于導水裂縫帶的最大高度加上保護層厚度，即Hsh≥Hli+Hb(式中Hsh為防水安全煤巖柱厚度，Hli為導水裂縫帶最大高度，Hb為保護層厚度)。但建議采用的導水裂縫帶高度計算公式及保護層厚度選取方法均明確注明不適合綜放開采［5-6］。

特厚煤層綜放開采，覆巖破壞嚴重。在沒有可借鑒的成功實例和成熟經驗情況下，為確保水庫下采煤安全，大平煤礦采用鉆孔沖洗液耗失量法在多個工作面開展了覆巖破壞觀測，獲取了大量的實測數據［7-9］。分析特厚煤層綜放開采覆巖破壞特征、規律，對于指導礦井水庫下壓煤安全開采，豐富綜放開采覆巖破壞理論［10-11］具有重要的意義。

1 地層結構及巖性特征

大平煤礦開采隱蔽型康平煤田(即三臺子煤田)。井田位于煤田西南，前震旦系變質巖系構成煤田之基底，白堊系含煤地層直接不整合于老地層之上，再上為第四系。

白堊系地層由建昌組、三臺子組和孫家灣組組成。三臺子組分底部礫巖段、砂巖段、含煤段、油頁巖段及泥巖段。含煤段由煤層、炭質頁巖、黑色泥巖、油頁巖及粉砂巖組成，厚度2.22～44.77m。油頁巖段厚度2.1～36.9m，以黑褐色油頁巖為主，夾黑色泥巖、粉砂巖、泥灰巖及菱鐵礦透鏡體。泥巖段底部以黑色泥巖為主，夾有深灰色粉砂巖，厚1.22～38.7m;上部層厚2.41～75.4m，以灰綠色、黑色泥巖為主，夾有粉砂巖、細砂巖，泥巖質軟易碎，遇水膨脹。孫家灣組底部為灰綠色砂泥巖段，厚度2.3～89.1m，以灰綠色粉砂巖、細砂巖為主，夾泥巖、粗砂巖和砂礫巖，膠結物為泥質，松軟易碎。上部紫紅色砂巖段220.8～660.2m，以紫紅色粉砂巖、細砂巖為主，夾泥巖、粗砂巖及砂礫巖。

第四系地層厚1～20m。上部由0.20～0.50m黑色腐植土組成，中部為0.20～17.0m灰黃色亞粘土，下部由1.50～5.0m黃色粗砂組成，底部含有礫石。

煤巖層強度普遍偏低，單軸抗壓強度一般3～5MPa，最大15.5MPa。砂巖均為泥質膠結，成分以石英、長石為主。砂質礫巖、粗砂巖膠結程度低、松散破碎。泥巖、粘土巖成分主要為蒙脫石、伊利石，遇水膨脹。

2 測站條件及主要觀測成果

大平煤礦開采庫外N1N1、N1N2、N1N4工作面，庫下 N1S1、S2S2、S2N1、N1S2、S2S9 工作面時，對覆巖破壞進行了建站觀測。圖1為工作面平面位置圖，各工作面條件見表1。總計實施14個觀測孔，其中2個原巖對比孔，各測站鉆孔位置(距回風順槽距離、距開切眼距離)及主要觀測成果見表2。

圖1 工作面測站平面位置圖Fig.1 Layout plan of observation station

表1 覆巖破壞觀測站工作面主要參數Table 1 Working faces'parameters of observation

表2 覆巖破壞觀測主要成果Table 2 Important data of observations

3 覆巖破壞特征

3.1 原巖地層鉆進特征

N1S1工作面原巖對比孔鉆孔沖洗液耗失量普遍在0.001 ～0.003L/m·s，平均0.002L/m·s左右。

白堊系風化帶底部(深度約70m)發育有破碎泥巖層。煤田勘探鉆至該泥巖層時多漏水。原巖對比孔鉆至深212.3m時，遇泥巖破碎帶，鉆孔沖洗液耗失量0.19L/m·s。

3.2 導水裂縫帶巖層破壞特征

導水裂縫帶上段為斷裂巖層，離層、裂縫發育，導水、透氣。下段為垮落巖層，巖塊呈無序堆積狀態，空隙多。鉆機鉆進至裂縫帶，鉆孔沖洗液消耗量大，水位持續下降，鉆進困難，有卡鉆、掉鉆現象，伴有風聲，不返水。

根據N1N4、N1S1等5個觀測站9個有效觀測鉆孔實測數據，煤層采出厚度7.98～15.17m，導水裂縫帶高度148.23～234.10m，為采高的15.31～19.97倍。

類似軟弱覆巖地層，普通長壁采煤法開采，覆巖破壞導水裂縫帶高度一般為采高9～12倍［12］。觀測結果明顯大于這一數值。根據實測觀測數據整理分析，確定導水裂縫帶最大高度與工作面采高的關系式為:

式中:H導——導水裂縫帶高度(m);

M——煤層開采厚度(m)。

N1S1工作面回風巷和中部觀測孔，裂縫帶巖層平均鉆孔沖洗液耗失量0.50～0.71L/m·s，為原巖的250～350倍。

3.3 彎曲變形帶巖層破壞特征

導水裂縫帶上方覆巖，巖層以獨立或成組的形式處于彎曲變形狀態。在下位巖層(組)撓度大于上位巖層(組)撓度處，兩巖層(組)間發育有離層空間。裂隙發育，強度低的巖層，彎曲變形時將破裂、破碎。巖層離層、破碎，取決于覆巖結構、巖性，通常在彎曲變形帶下段集中發育，形成離層破碎帶［13］。

鉆機鉆進至離層、破碎巖層時，會出現短時性漏失量大，水位下降，以及卡、掉鉆等現象。但由于彎曲變形的巖層(組)內無貫通斷裂裂縫，經堵漏后，一般均可正常鉆進。

N1S1工作面測站回風巷孔、中部孔、運輸巷孔分別鉆至深64.5m、73.0m、80.0m時，遇白堊系風化帶底部原巖破碎帶，沖洗液耗失量劇增。鉆至彎曲帶下段，靠近裂縫帶時，離層破碎巖層增多。根據鉆孔沖洗液耗失量、鉆速等變化情況，結合鉆孔電測曲線巖性對比，確定有 A、B、C、D、E、F共 6處離層破碎巖層，巖性一般為泥巖、泥質粉砂巖，上覆巖層多為砂質礫巖。其中，F為原巖破碎帶。

表3 N1S1測站離層破碎帶漏點沖洗液耗失量Table 3 Loss of drilling rinses of strata's loss site

根據N1N2、N1S1等5個觀測站10個有效觀測鉆孔數據，煤層采出厚度7.54～12.42m，離層破壞帶高度181.58～390.75m，為采高的24.22～36.00倍。圖2為N1S1工作面覆巖破壞示意圖。

N1S1測站回風巷及中部孔，離層破碎帶巖層平均鉆孔沖洗液耗失量0.34～0.47L/m·s，為原巖的170～235倍。圖3為5月1日工作面推過182m后，EH-4勘探線巖層電阻率剖面圖。深度164.85～205.22m破碎巖段，3月28日鉆進堵漏時，22h注入了79.3m3水泥。逸散的充填堵漏材料，在以鉆孔為軸心兩側約20m范圍，形成高阻區。

圖2 N1S1工作面覆巖破壞示意圖Fig.2 Overburden strata failure of N1S1

3.4 覆巖破壞發展過程

工作面推進過程中，上覆巖層變形破壞由下至上逐步發展。導水裂縫帶在滯后工作面一定距離處發展到最大高度，覆巖破壞達到最充分狀態。隨著遠離工作面，采空區開始逐漸壓實，空隙縮小、裂隙閉合。觀測鉆孔鉆進時，巖層漏失量減小，導水裂縫帶下降。覆巖破壞發展的時間與空間關系特征，在大平煤礦軟弱地層條件下，表現明顯［13］。

圖3 N1S1測站回風巷鉆孔漏點Fig.3 Loss site of the return air way of N1S1

N1S1工作面測站回風巷觀測孔較運輸巷觀測孔早開工23d。鉆至同一巖段，回風巷觀測孔深度162.4～220.9m時，滯后工作面距離110～116m;運輸巷觀測孔深度177.5～232.1m時，滯后工作面距離172～178m。回風巷鉆孔鉆進時明顯有4個離層破碎點，最大漏失量1.78L/m·s;運輸巷鉆孔鉆進時僅見2個漏點，最大漏失量0.17L/m·s。該巖段鉆進，回風巷孔沖洗液耗失量平均0.82L/m·s，運輸巷孔沖洗液耗失量平均0.03L/m·s，相差26倍，見表4。回風巷孔測得導水裂縫帶發育高度221.54m，為采高的17.84倍;運輸巷孔測得導水裂縫帶發育高度198.895m，為采高的16.01倍。滯后工作面距離增加62m，導水裂縫帶高度下降22.65m，與采高比下降1.83。

表4 N1S1測站離層破碎帶沖洗液耗失量Table 4 Loss of drilling rinses of fracture area

S2N1工作面測站，距切眼804m觀測孔在滯后工作面距離75m時，測得導水裂縫帶發育高度193.15m，為采高11.54m的16.74倍;距切眼971m觀測孔在滯后工作面距離175m時，測得導水裂縫帶發育148.23m，為采高9.68m的15.31倍。滯后工作面距離增加100m，導水裂縫帶高度與采高比下降1.41。

數據顯示:工作面推進度平均3m/d，即工作面推過36～40d，滯后工作面距離110～120m前后，覆巖破壞最充分，導水裂縫帶高度最大。圖4為根據N1S1、S2N1等工作面測站回風巷、運輸巷觀測孔數據整理到的導水裂縫帶發育高度與工作面關系圖。

圖4 裂縫帶高度與工作面位置關系Fig.4 Fractured zone with the working face

4 結論

(1)與單一煤層普通長壁開采，以及厚及特厚煤層分層開采相比，特厚煤層綜放開采一次采出厚度大，覆巖破壞嚴重。大平煤礦綜放開采工作面采高7.54～15.17m，實測導水裂縫帶高度為采高的15.31～19.97倍。

(2)特厚煤層綜放開采，導水裂縫帶上方離層破碎巖層集中發育。大平煤礦綜放開采工作面實測離層破碎帶發育高度為采高的24.22～36.00倍。

(3)大平煤礦軟弱地層，覆巖破壞時間過程明顯。工作面推進度3m/d，推過36～40d，滯后工作面距離110～120m時，覆巖破壞最充分。

(4)三臺子水庫下特厚煤層綜放開采，可按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》規定方法留設防水安全煤巖柱，導水裂縫帶高度按采高的20倍計算，保護層厚度按6倍采高選取。

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