礦井豎三帶觀測及其分布規律研究

裴俊斌

摘 要：為了研究煤礦頂板巖層豎三帶，掌握裂隙帶變化規律，文章針對常村礦地質條件，采用井下仰孔分段注水觀測方法，進行工程實驗，分析了導水裂隙帶高度，進一步計算出煤層采動覆巖冒落帶發育高度，確定了常村礦3#煤層頂板覆巖采后形成的裂隙帶高度范圍及覆巖采動冒落帶高度，得出了相應的冒采比，為煤礦安全生產提供了技術指導。

關鍵詞：三帶觀測；分布規律；冒落帶高度；觀測方法

中圖分類號：TD325 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0071-03

Abstract： In order to study the vertical three zones of roof rock in coal mine and master the variation law of fracture zone， this paper， according to the geological conditions of Changcun Mine， adopts the method of sublevel water injection observation of downhole， carries out engineering experiments， and analyzes the height of water-conducting fissure zone. The development height of overlying rock caving zone in coal seam mining is further calculated， and the height range of fracture zone formed after mining roof rock of coal seam in Changcun Coal Mine and the height of overlying rock caving zone after mining are determined， and the corresponding caving ratio is obtained， which provides technical guidance for coal mine safety production.

Keywords： three band observation； distribution law； height of falling zone； observation method

引言

煤礦開采過程中，煤層頂板巖層產生變形破裂，在垂直向地表方向通常會形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶等三個不同變形特征的分帶，簡稱“三帶”。“三帶”高度是影響煤礦安全的一個重要因素，是瓦斯抽放、頂板管理、頂板水防治中必須考慮的一個重要的技術參數。因此準確確定“三帶”高度對于煤礦安全生產具有十分重要的意義[1-5]。

1 觀測方案及方法的確定

1.1 觀測方案的選取

地面鉆孔簡易水文觀測法為常用的采動覆巖裂隙帶觀測方法，通過選取地面上位于采空區機運巷或回風巷兩側一定區域，以采空區一側為主開展一批鉆孔施工，觀察鉆孔施工過程中沖洗液消耗量的變化值，進而確定采動覆巖裂隙帶的分布形態和高度。但是當煤層埋藏深度較深時，使用該方法會導致鉆孔施工工程量大，觀測精度較難達到要求。

為了提高觀測的精度、節約工程費，本文擬選取井下仰孔分段注水觀測的新技術方法。該技術方法通過在煤礦井下工作面一定區域內，選取適宜的觀測地點，沿采空區斜上方施工鉆孔。鉆孔施工過程中，需避開冒落帶并傾斜穿過裂隙帶，且達到預定的裂隙帶頂界以上一定高度。通過使用“鉆孔兩端封堵測漏設備”對鉆孔實施分段封堵并注水，測定鉆孔各分段水的流失量，掌握巖層的破壞、裂隙及松動情況，進而確定裂隙帶的頂界高度（圖1所示）。其中，“鉆孔兩端封堵測漏設備”主要由孔內封堵注水探測管、孔外控制調節閥門和系統觀測儀表構成（圖2所示）。

圖1 井下鉆孔法觀測示意圖

圖2 井下仰孔觀測系統示意圖

1.2 觀測方法

井下仰孔探測覆巖裂隙帶的現場觀測系統及孔內注水探管已在前面圖2做了描述，其具體操作程序如下：

1.2.1 管路連接

探測觀測系統的管路連接見圖2，具體方法可以按照以下幾個步驟進行：（1）用耐壓軟管接出高壓水，并通過三通轉換為兩路出水口，并連接上短的耐壓軟管。（2）用三通分出的一個短耐壓軟管與注水操作臺進水口連接，并從出水口再接耐壓軟管通過接頭轉換到鉆機水便上。（3）用三通分出的另外一個短耐壓軟管與堵孔操作臺進水口連接，并從出水口再接至探管進水接頭。（4）通過探管專用轉換接頭將探管安裝在鉆桿上并送入鉆孔內0～1m孔段。鉆桿接頭間用棉紗線或麻皮纏繞密封。

1.2.2 穩定裂隙帶高度監測方法

在現場施工過程中，鉆孔有可能出現變形、塌孔、方向變化等復雜情況，所以在完成鉆孔監測后，應及時對地層滲水速度進行監測。監測裝置及對應管路連接好后，把監測裝置送至鉆孔底部并打開膨脹閥，監測裝置前后端封隔器膨脹，形成密閉空間，然后將水注入封隔器兩端之間的密閉空間，監測封隔區域的滲水情況，并記錄其速度；然后暫停注水，解封封隔器，垂直向下移動裝置一米后重復以上步驟；依次一米一段進行測量直至鉆孔口，全部監測工作完成。

2 導水裂隙帶高度觀測分析研究

2.1 常村礦3#煤覆巖導水裂隙帶高度觀測結果

第一觀測剖面布置在常村礦N2-5軌順巷道鉆場，并對第一觀測剖面3個鉆孔的觀測數據進行分析。依據觀測的數據情況，通過使用三帶導高監測分析系統，生成第一觀測剖面鉆孔分段注水漏失量分布圖（圖3）和曲線圖（圖4）。

圖3 第一觀測剖面漏水量分布圖

圖4 第一觀測剖面注水矢量曲線圖

（1）采前1#孔

采前監測1#孔施工于N2-5工作面未受采動影響的上部巖層區域內，觀測過程中局部有零星漏水點，漏水量在孔深47m達到最大值2.1L/min，其他區域漏水量均小于2L/min，最小值為0.2L/min，原生裂隙導水可能是這些漏水點出現的主因。

（2）采后2#孔

采后監測2#孔施工于N2-6工作面采空區上部巖層區域內，數據分析顯示，鉆孔深度63m以內均有大量漏水。其中，孔深40～50m范圍為下部顯著漏水區，漏矢量>20L/min，最大值為28L/min（孔深46m處）；孔深50～63m范圍為上部弱漏水區，漏矢量<20L/min，最大值為18.6L/min，最小值為6L/min。可基本將孔深63m以上界定為原生裂隙漏水區，不受采動影響。

以鉆孔深度6.3m為上部弱裂隙帶界限，鉆孔仰角50°，其至3#煤層頂板的垂直高度為48.3m；鉆孔深度40～50m范圍是明顯漏水段，也是裂隙帶最為發育的孔段，其至3#煤頂板的垂直高度為30.6～38.3m；鉆孔深度50～63m范圍是弱漏水段，也是裂隙帶第二發育孔段，其至3#煤頂板的垂直高度為38.3～48.3m；最大漏水位于垂直高度35.2m處。

（3）采后3#孔

采后監測3#孔施工于N2-6工作面采空區上部巖層區域內，數據分析顯示，鉆孔深度73m以內存在大量漏水。其中，孔深41～52m范圍為下部顯著漏水區，漏失量>20L/min，最大值為30.6L/min（孔深42m處）；孔深52～73m范圍為上部弱漏水區，漏失量<20L/min，最大值為16.4L/min，最小值為7.4L/min。可基本將孔深73m以上界定為原生裂隙漏水區，不受采動影響。

以鉆孔深度73m為上部弱裂隙帶界限，鉆孔仰角40°，其至3#煤層頂板的垂直高度為46.9m；鉆孔深度41～52m范圍是明顯漏水段，也為裂隙帶最為發育的孔段，其至3#煤頂板垂直高度為26.4～33.4m；鉆孔深度52～73m范圍是弱漏水段，也為裂隙帶第二發育孔段，其至3#煤頂板垂直高度為33.4～46.9m；最大漏水位于垂直高度27.0m處。

2.2 常村礦3#煤覆巖導水裂隙帶分布規律

表1為各采后監測鉆孔所觀測到的裂隙帶發育頂界高度和最大裂隙帶發育高度。

表1 常村礦裂隙帶發育頂界高度及裂隙帶最發育高度

綜合對比常村礦第一及第二觀測剖面采后監測鉆孔觀測數據，3#煤層覆巖導水裂隙帶高度47.4m，覆巖裂隙帶最發育段位于冒落帶～36.4m之間。3#煤層頂板覆巖開采后產生的裂隙帶，分為上、下兩段。其中，上部裂隙帶發育較弱，距離3#煤層頂板垂直高度介于36.4～47.4m之間；下部覆巖裂隙帶發育較上部強烈，冒落帶高度<距離3#煤層頂板垂直高度范圍<36.4m。

3 煤層采動覆巖冒落帶發育高度分析

本次觀測采用的是從井下煤層向頂板施工仰孔進行觀測的方法，通過鉆孔注水漏失量來評價巖層裂隙發育情況。而冒落帶巖石已完全失去連續性，呈不規則狀態，雜亂堆積于采空區內，正因為如此，從現場施工的經驗看，鉆孔很難穿過冒落帶，因為這樣勢必造成夾鉆、卡鉆等現象，導致鉆探事故，因此無論從鉆孔施工還是從現場觀測都很難取得實測的冒落帶高度數值。本次試驗在常村礦第三觀測剖面3#采后監測孔對3#煤層采動覆巖冒落帶進行了兼顧監測并最終結合、借鑒經驗公式計算等方法進行綜合分析。

3.1 經驗公式計算

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》給出的上覆中硬巖層冒落帶的發育高度經驗公式為：

式中：Hm—冒落帶的發育高度； M—累計采厚

依據冒落帶的發育高度經驗公式（1）得出如下計算結果：a.第一觀測剖面N2-6工作面，冒落帶高度21.8m±2.5m，取其上限24.3m，冒采比3.8；b.第二觀測剖面S4-2工作面，冒落帶高度21.7m±2.5m，取其上限24.2m，冒采比3.8。

冒落帶的發育高度經驗公式（2）為：

式中：h—冒落帶高度；k—巖石碎脹系數，一般按1.3計算；m—工作面采高；A—煤層傾角

依據冒落帶的發育高度計算公式（2）得出如下計算結果：a.第一觀測剖面N2-6工作面，冒落帶高度為21.6m，冒采比為3.4。b.第二觀測剖面S4-2工作面，冒落帶高度為21.3m，冒采比為3.4。

3.2 冒落帶探測分析

由于冒落帶高度探測難度大，風險性又比較大，而且冒落帶高度發育的研究意義不大，一般都是按照經驗公式進行概算。本文在常村礦第二觀測剖面的3#監測孔對冒落帶高度的發育情況進行了觀測。

常村礦第二觀測剖面3#孔在按照監測設計要求進行測前掃孔時，在鉆孔深度30m左右時（傾角51°，垂高23.3m）有夾鉆現象，在鉆孔深度33m時（鉆孔傾角51°，垂高25.6m）發生嚴重的卡鉆現象。在該鉆孔探測時也因此把設備掉進孔內無法取出。從監測數據也可以看出，在鉆孔深度小于33m時，鉆孔漏水量全部大于30L/min，最大的可達到38.8L/min，也由此判斷進入冒落帶范圍，按照傾角51°計算，該處冒落帶頂界大概為24.8m。

根據前面的經驗公式計算和實測數據綜合分析，常村礦3#煤采動冒落帶高度如下表2：

表2 常村礦3#煤采動冒落帶高度綜合分析表

從表上可以最終得出，常村礦3#煤覆巖采動冒落帶高度為23.5m左右，而相應的冒采比約為3.6。

但從抽放瓦斯的有效性來看，冒落帶范圍的巖層因裂隙十分發育且與采煤工作面較近，其占據冒落帶裂隙中的氣體，空氣含量比重太高，作為抽放層不適宜。另外，由于冒落帶的巖層雜亂無章，鉆孔施工非常困難。所以研究裂隙帶范圍及其裂隙發育特征才有工程意義。

4 結束語

（1）綜合常村礦第一觀測剖面和第二觀測剖面采后監測鉆孔的觀測資料并聯系常村礦地質特征，分析得出常村礦3#煤層頂板巖層開采后產生的裂隙帶，可分為上、下兩段。上部裂隙帶發育較弱，下部裂隙帶發育較強，其距3#煤層頂板垂高度范圍為23.5m～36.4m。

（2）通過分析監測數據，得出常村礦3#煤層采動覆巖導水裂隙帶上界垂直高度為47.4m，裂隙帶最發育的垂直高度范圍介于23.5～36.4m之間。

（3）通過經驗公式計算結合常村礦實際監測數據分析得出，常村礦3#煤覆巖采動冒落帶高度為23.5m左右，而相應的冒采比約為3.6。

（4）通過綜合研究，最終得出常村礦三帶發育高度如表3所示。

表3 常村礦三帶高度研究綜合成果

參考文獻：

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