近距離上行開采煤層圍巖裂隙發育實測分析

王明亮

(陽泉煤業(集團)有限責任公司 大陽泉礦，山西 陽泉 045000)

經過多年高強度開采，朔里煤礦已處于衰老期，為延長礦井服務年限，對處于3煤和5煤采空區之間被遺棄的4煤進行開采，4煤與下方5煤平均間距為9 m，屬于典型的近距離煤層上行開采。該煤層處于上下煤層采動影響區內，5煤采高3 m.為了4煤的安全開采，對4煤進行上行開采的可行性研究及對4煤圍巖裂隙發育情況進行分析十分必要[1-3].

1 采區及試采工作面概況

上行試采的413工作面位于礦井Ⅲ采區，采區位于黃灣復式向斜之中，以中部的王黃背斜為界，采區分布在-200 m以下的盆底之中，四周分別與西一、西二、西三(已報廢)、南一、南二5個采區相鄰，其上限分別以各采區下階段工作面機巷為界，采區形態呈不規則腎狀，采區面積約2.2 km2，采區內3煤、5煤均已回采完畢，4煤層埋藏量207.7萬t.

上行試采4煤的工作面概況：413工作面位于-200 m水平，工作面標高-182.5～-209.2 m，地面標高+33 m，地面位置位于副井口西南約800 m處，工作面可采走向長度為1 000 m，傾斜長度128 m，該面上覆11313工作面(已回采完畢)，下伏11511、11513工作面(已回采完畢)，左鄰111采區邊界，右靠西一后期石門。

該面煤層原始沉積穩定，結構復雜，煤層總厚1.05～1.60 m，平均1.34 m，含一層泥巖夾矸厚0.15～0.40 m，平均0.24 m. 夾矸以上煤層厚0.30～0.60 m，平均0.42 m，夾矸以下煤厚0.50～1.00 m，平均0.68 m. 煤層傾角2°～8°，平均傾角4°. 煤層頂底板情況見表1.

表1 煤層頂底板情況表

2 4煤底板破裂分區實測

2.1 實測內容

采用長壁垮落法開采煤層后，在采空區上覆巖層中自下而上一般會出現垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，上覆巖(煤)層會發生移動、斷裂、裂隙與離層[4].

觀測巖層的冒落、斷裂及離層現象對研究采場巖層穩定性和礦壓顯現特征與規律具有重要作用。下伏5煤采空區上覆巖層“三帶”分布高度和4煤底板巖層的裂隙發育程度作為4煤安全上行開采的重要技術指標，同時作為判別4煤上行開采可行性的重要依據，因此必須對其進行現場探測。

根據朔里煤礦采動破壞區內上行開采的實際情況，決定采用鉆孔窺視和巖芯破壞程度分析方式進行現場實測分析，主要實測內容如下：

1) 5煤采空區上覆巖層“三帶”分布高度。

2) 4煤底板巖層破壞及裂隙發育程度。

2.2 實測鉆孔施工

為了進行鉆孔窺視探測和巖芯破壞程度分析，需布置鉆孔窺視儀攝像頭通道并對巖層進行取芯，因此在井下現場施工鉆孔。依據現有巷道布置系統，在現有5煤底板巷道中施工鉆孔，鉆孔穿過5煤采空區、4煤至4煤頂板巖層。

在5111軌道巷的頂板鉆孔，鉆孔方向為N252°，與巷道水平夾角81°，以50°仰角向上施工。鉆孔布置在下伏5煤采場邊界附近，避免了布置在5煤采空區正下方施工中易發生的卡鉆事故；同時采場邊界上覆巖層的“三帶”分布高度一般高于采場中部，此區域的“三帶”高度即5煤“三帶”的最大高度，鉆孔施工示意圖見圖1.

圖1 鉆孔施工示意圖

2.3 鉆孔窺視探測分析

為了觀測研究下伏5煤采空區上覆巖層“三帶”分布高度和4煤底板巖層的裂隙發育程度，利用YTJ20型巖層探測記錄儀進行鉆孔窺視探測分析。

根據攝錄的鉆孔壁圖像可看出，從孔口至孔底，鉆孔壁整體上較為粗糙，裂隙發育，部分區域孔壁破碎嚴重。對整個鉆孔內揭露巖層的破裂情況進行統計分析，并根據巖層的破裂形式和破裂程度對鉆孔壁劃分為：基本完整區、輕度破裂區、中度破裂區、重度破裂區[4-5]. 鉆孔窺視探測情況及破裂分區的巖性描述、起止位置及破裂形式見表2.

表2 孔窺視探測情況表

鉆孔壁的破壞程度基本反映了巖層內部破壞情況，由表2可以看出，整個鉆孔長度內的孔壁較為粗糙，孔內破壞形式多樣，鉆孔所經過巖層均屬于5煤采動影響區。鉆孔壁從5煤頂板至4煤底板由下至上，經歷重度破碎、中度破碎、輕度破碎、基本完整等形態，巖層破壞情況由嚴重至緩解。其中，處于重度破裂區和中度破裂區內的巖層受5煤采動影響最為強烈，尤其重度破裂區內巖層破碎雜亂無章、縱橫裂縫密集、局部離層，初步判定處于不規則冒落帶內；中度破裂區內巖層破碎、出現裂縫和離層，但巖層破壞情況較重度破裂區稍輕，且裂縫情況略有規則，初步判定處于規則冒落帶內；輕度破裂區和基本完整區內巖層無破碎情況，且破壞形式以規則裂隙和裂縫為主，初步判定已處于裂縫帶內。

從鉆孔窺視探測圖像初步判定，處于重度和中度破裂區內巖層處于5煤采動影響形成的采空區冒落帶內，由于鉆孔位于下部采場邊界附近，“三帶”高度一般大于采場中部區域，因此5煤開采后形成冒落帶最大高度約5.7 m，采空區中部區域冒落帶高度均應小于5.7 m.

2.4 巖芯破壞程度分析

巖層的破碎情況與鉆孔取芯的成芯率相關，巖層若未受到采動影響破壞，整體性強，則成芯率就高，否則，鉆孔取芯的成芯率就低。鉆孔成芯率的高低與下伏煤層采動影響破壞程度有關，還與巖層中的膠結物、巖層中巖石強度、鉆探影響有關，所以需結合其他方法綜合判定冒落帶、裂隙帶高度。鉆孔巖芯率變化曲線見圖2.

圖2 鉆孔巖芯率變化曲線圖

從圖2可以看出，按時間統計巖芯率，其變化曲線總體呈低—高—低的拋物線狀，開鉆前因泥巖強度低且巖層受5煤采動影響的作用，裂縫發育，巖石的整體性差，巖芯率較低；在鉆孔深度達到10 m時，巖芯率明顯升高，進入整條曲線的峰值區，隨后巖芯率又明顯下降。從提取巖芯情況和與4煤底板垂直距離來看，峰值區位于4煤底板2.3～5.3 m處的細砂巖層內，由于巖層較硬，且距離5煤垂直距離較大，受5煤采動影響較開鉆初期小，巖石的整體性較好；而后因進入4煤、3煤煤層中，巖石整體性變差，導致鉆孔取芯率再次降低。從圖2可以看出，累計巖芯率變化曲線與按時間統計巖芯率變化曲線趨勢基本相同，同樣在鉆孔深度10 m時出現最高值，說明巖層在此附近區域內整體性變好，裂隙發育程度變低。

從圖2可以看出，兩種巖芯變化率均是在深度10 m處出現峰值區，4煤與5煤之間的巖層中此處整體性最好，裂隙發育程度變低，初步判定此區域巖層進入裂隙帶。整個鉆孔巖芯率整體較低，可能是因下部煤層開采后巖層呈現彎曲下沉運動，層間發生錯動。

根據鉆孔巖芯破壞程度，結合鉆孔窺視探測結果，綜合分析得出：4煤、5煤之間巖層整體受5煤采動影響，其中，靠近5煤頂板處巖層存在重度破裂區，巖層破碎，整體性較差，處于冒落帶范圍內，冒落帶最大高度約5.7 m；靠近4煤底板巖層，巖層整體性較下部巖層好，巖層裂隙發育程度低，處于裂隙帶范圍內；4煤處于5煤開采后形成的冒落帶之上，處于裂隙帶下位巖層中。

3 結 論

根據鉆孔窺視探測結果結合鉆孔巖芯破壞程度分析得出：4煤、5煤之間巖層整體受5煤采動影響，其中，靠近5煤頂板處巖層存在重度破裂區，巖層破碎，整體性較差，處于冒落帶范圍內，冒落帶最大高度約5.7 m；靠近4煤底板巖層，巖層整體性較下部巖層好，巖層裂隙發育程度低，處于裂隙帶范圍內；4煤處于5煤開采后形成的冒落帶之上，處于裂隙帶下位巖層中。該分析結果可作為安全技術資料指導后期生產。