淺埋薄基巖重復采動條件下“兩帶”高度發育規律實測研究

冉星仕 于秋鴿

(1.神木縣隆德礦業有限責任公司，陜西省榆林市，719316；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；3.煤炭科學研究院有限公司開采研究分院，北京市朝陽區，100013)

煤層開采以后，上覆巖層平衡狀態遭到破壞，覆巖垮落、移動、變形形成垮落帶、裂縫隙帶和彎曲下沉帶，垮落帶和裂縫隙帶合稱導水裂縫隙帶，當導水裂縫隙帶波及煤層頂板水體時將造成工作面淋水增多，嚴重時發生工作面突水、潰砂，危及礦井安全生產[1]。因此，準確觀測導水裂縫隙帶的頂點位置對防止地下水流失及礦井突水事故具有重要的指導意義。目前，針對單層煤開采造成的導水裂縫隙帶高度發育規律，國內外學者作了大量的研究工作并取得豐碩的研究成果。基于相似模擬和現場實踐，劉天泉[2]提出采動影響線下覆巖存在“橫三區”、“豎三帶”，歸納得出了導水裂縫隙帶高度經驗公式；錢鳴高[3]對上覆巖層采動裂隙分布特征進行研究，揭示了長壁工作面覆巖采動裂隙的兩階段發展規律與“O”形圈分布特征；黃慶享[4]通過陜北淺埋煤層保水開采實踐，認為采動覆巖裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙構成，采動裂縫隙帶的導通性決定著覆巖隔水層的穩定性；馬立強[5]對神東礦區沙基型薄基巖淺埋煤層覆巖導水通道分布特征展開研究，得到了裂隙演化機理、發育過程及分布特征；Palchik V[6]發現長壁開采覆巖裂隙和形態方面存在3個不同的移動帶。隨著礦井開采逐漸向深部延伸，不可避免會遇到重復采動問題。重復采動影響下與普通地質條件下“兩帶”高度發育規律具有顯著差別，尤其當上覆基巖較薄時，采動造成的導水裂縫隙帶更容易波及地表松散層裂隙水。目前，關于淺埋深薄基巖水體下重復采動引起的覆巖破壞規律研究較少。王振榮等[7]通過對布爾臺煤礦重復采動形成的“兩帶”高度進行現場實測發現多煤層重復采動條件下的裂采比可達24.02；王慶照等[8]研究了厚煤層重復采動條件下的覆巖破壞規律，得到下部煤層開采造成的覆巖裂縫隙帶發育高度隨著上部煤層采空區形成時間的增加而降低。筆者以隆德煤礦101工作面和209工作面下行開采為背景，對淺埋薄基巖重復采動造成的覆巖破壞規律進行研究。

1 隆德煤礦地質采礦條件

隆德煤礦位于陜西省榆林市神木縣境內，現生產能力5.0 Mt/a。隆德煤礦101工作面是1-1號煤層首采工作面，位于隆德煤礦西翼采區，工作面斜長288.9 m，推進長度2529 m，煤層厚度1.40～2.46 m，平均1.88 m，設計采高2.15 m，煤層平均埋深153 m，為近水平煤層。101工作面下部的2-2號煤層209工作面斜長300 m，推進長度3477 m，煤層厚度3.3～4.7 m，平均厚度4.17 m，設計采高4.0 m，煤層平均埋深210 m，為近水平煤層。101工作面和209工作面的相對位置關系如圖1所示。

圖1 101工作面與209工作面的相對位置關系

101工作面與209工作面上覆地表為毛烏素沙漠風積砂覆蓋層，平均厚度45 m左右，為區內中等至強富水含水層。101工作面上覆巖層基巖厚度小于150 m并且無堅硬關鍵層存在，101工作面與209工作面之間基巖厚度約為57 m，采厚大，基巖薄，屬于典型的淺埋薄基巖煤層開采[9-10]。開采后的覆巖破壞高度可能導通地表風積砂裂隙水含水層，造成礦井涌水量急劇增加、地表水位大幅下降等問題。

2 重復采動條件下的“兩帶”高度理論計算

101工作面開采以后，開采209工作面，屬于重復采動問題。按照《建筑物下、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(簡稱“《三下采煤規范》”)要求，當上下兩層煤的最小垂距大于回采下煤層的垮落帶高度時，上下兩層煤的導水裂縫帶高度可按照兩層煤的厚度分別計算，取其中標高最高者作為兩層煤開采的導水裂縫帶最大高度；當下層煤開采的垮落帶接觸或者完全進入上層煤范圍內時，上層煤的導水裂縫帶高度按照本層煤的采厚計算，下層煤的導水裂縫帶高度則應取上下層煤的綜合開采厚度計算[11]。根據鉆孔柱狀圖，工作面上覆巖層厚度及實測巖性參數如表1所示。

表1 工作面上覆巖層厚度及其巖性參數

工作面上覆巖層綜合抗壓強度P綜滿足：

(1)

式中：pi——各分層巖層抗壓強度，MPa；

hi——各分層巖層厚度，m；

h——209工作面上覆巖層總厚度，m。

將表1中的巖層厚度及其抗壓強度代入式(1)計算出209工作面上覆巖層綜合抗壓強度為26.383 MPa，屬于中硬偏軟巖層。煤層傾角<55°、煤層厚度為3～12 m的中硬巖層單一煤層開采上覆巖層垮落帶高度Hk、裂縫帶高度Hli為[12]：

式中：M——煤層厚度，m。

將209工作面煤層厚度M=4 m代入式(2)得到209工作面單一煤層開采覆巖垮落帶最大高度為29 m，而209工作面與101工作面之間的基巖厚度約為57 m，209工作面開采覆巖垮落帶未接觸101工作面。因此，上下兩層煤的導水裂縫帶高度可按照兩層煤的厚度分別計算，取其中標高最高值作為兩層煤開采的導水裂縫帶最大高度。

101工作面煤層厚度為2.15 m，當煤層傾角小于55°、煤層厚度M小于3 m時，中硬巖層單一煤層開采上覆巖層垮落帶高度Hk、裂縫帶高度Hli為：

將101工作面采厚M=2.15 m代入式(4)、(5)得到101工作面開采覆巖垮落帶高度最大為9.59 m，裂縫帶最大高度為39.33 m，垮采比為4.46、裂采比為18.6。將209工作面采厚M=4 m代入式(2)、(3)得到209工作面開采覆巖垮落帶高度最大為29 m，裂縫帶最大高度為90 m，垮采比為7.25、裂采比為22.5。重復采動后，最大導水裂縫帶高度為101工作面采后導水裂縫帶發育頂點。

3 重復采動條件下的“兩帶”高度實測分析

為了獲得101、209工作面開采過程中覆巖破壞的“兩帶”高度發育規律，采用鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔水位觀測、鉆進異常現象觀測對“兩帶”發育高度進行現場實測[13-14]。本著既能準確反映101工作面單層開采，又能準確反映重復開采后的覆巖破壞高度及形態的原則，在101、209工作面范圍內分別布設5個采后“兩帶”觀測孔。在101工作面已采區域和下伏209工作面未采區域布置2個101工作面采后“兩帶”觀測鉆孔ZK01、ZK02；在101、209工作面重復開采區布置了3個觀測鉆孔ZK03、ZK04、ZK05，鉆孔與工作面的相對位置關系如圖2所示。

圖2 鉆孔與工作面的相對位置關系

ZK01孔的鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位變化如圖3所示。

圖3 ZK01鉆孔沖洗液漏失量及水位變化

在孔深113.65 m開始出現鉆孔沖洗液消耗量大幅增加，至118.30 m全部漏失；在孔深128.18 m提鉆后鉆孔水位全部消失，表明自113.65 m開始覆巖受到較明顯的采動破壞性影響，增加了巖層滲透性，使得鉆孔沖洗液漏失量大幅增加。鉆進至136.60 m后多次出現掉鉆現象，鉆探巖芯破碎雜亂是進入垮落帶后的典型特征[15]。ZK01孔處的101工作面頂板埋深為148.72 m。經綜合分析計算，ZK01孔觀測到的導水裂縫帶頂點的孔深為113.65 m，導水裂縫帶高度為35.07 m，裂采比為16.31；垮落帶頂點的孔深為136.6 m，垮落帶高度為12.12 m，垮采比為5.64。

ZK02孔的鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位變化如圖4所示。

圖4 ZK02鉆孔沖洗液漏失量及水位變化

在孔深104.48 m開始出現鉆孔沖洗液消耗量大幅增加；在孔深121.43 m提鉆后鉆孔水位全部消失；鉆進至128.8 m處，孔內出現掉鉆現象。ZK02孔處的101工作面煤層頂板埋深為140.29 m。經綜合分析計算，ZK02孔觀測到的導水裂縫帶頂點的孔深為104.48 m，導水裂縫帶高度為35.81 m，裂采比為16.66；垮落帶頂點的孔深為128.80 m，垮落帶高度為11.49 m，垮采比為5.34。

ZK03孔的鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位變化如圖5所示。在孔深118.79 m開始出現鉆孔沖洗液消耗量大幅增加；在孔深132.51 m提鉆后鉆孔水位全部消失；在138.90 m和188.50 m兩段孔內出現掉鉆現象、鉆探巖芯破碎雜亂。ZK03孔處101工作面頂板埋深約153.00 m，209工作面頂板埋深209.10 m。經綜合分析計算，ZK03孔觀測到的導水裂縫帶頂點的孔深為118.79 m。101工作面垮落帶頂點的孔深為138.90 m，垮落帶高度為14.10 m，垮采比為6.56；209工作面垮落帶頂點的孔深為188.50 m，垮落帶高度為20.60 m，垮采比5.15； 209工作面重復開采的導水裂縫帶高度為90.31 m，裂采比為22.58。

圖5 ZK03鉆孔沖洗液漏失量及水位變化

ZK04孔的鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位變化如圖6所示。在孔深114.83 m開始鉆孔沖洗液消耗量大幅增加；在孔深131.49 m提鉆后鉆孔水位全部消失；在139.66 m和184 m兩段孔內出現掉鉆現象、鉆探巖芯破碎雜亂。ZK04鉆孔處101工作面頂板埋深約153 m，209工作面頂板埋深為210.20 m。經綜合分析計算，ZK04孔觀測到的導水裂縫帶頂點的孔深為114.83 m。101工作面垮落帶頂點的孔深為139.66 m，垮落帶高度為13.34 m，垮采比為6.20；209工作面垮落帶頂點的孔深為184 m，垮落帶高度為26.2 m，垮采比6.55； 209工作面重復開采的導水裂縫帶高度為95.37 m，裂采比為23.84。

圖6 ZK04鉆孔沖洗液漏失量及水位變化

ZK05孔的鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位變化如圖7所示。在孔深111.05 m開始出現鉆孔沖洗液消耗量大幅增加；在孔深125.39 m提鉆后出現鉆孔水位全部消失；在137.91 m和179 m兩段孔內出現掉鉆現象、鉆探巖芯破碎雜亂。ZK05鉆孔處101工作面頂板埋深約153 m，209工作面頂板埋深約211 m。經綜合分析計算，ZK05孔觀測到的導水裂縫帶頂點的孔深為111.05 m。101工作面垮落帶頂點的孔深為137.91 m，垮落帶高度為15.09 m，垮采比為7.02；209工作面煤垮落帶頂點的孔深為179 m，垮落帶高度為32 m，垮采比8；209工作面重復開采的導水裂縫帶高度為99.95 m，裂采比為24.99。

通過現場實測可知，隆德煤礦101工作面單一煤層開采的垮采比為5.34～5.64，裂采比為16.31～16.66，與101工作面單一煤層開采理論值相近；重復采動條件下，101工作面的垮采比為6.20～7.02，相對于101工作面單一煤層開采而言，垮采比增加，這是因為下部209工作面重復開采對上覆101工作面采空區進一步擾動，導致垮落帶高度增加。重復采動條件下，209工作面的垮采比為5.15～8.00，與209工作面單一煤層開采理論值相比，垮采比普遍減小，這是因為101工作面開采后下部209工作面處于卸壓區，導致垮落帶高度減小[16]；當上下煤層間距大于下層煤的垮落帶高度時，《三下采煤規范》中重復采動條件下的“兩帶”計算公式沒有考慮到下部煤層開采對上部已采煤層采空區的二次擾動以及上部煤層采空后對下部煤層的卸壓作用。

圖7 ZK05鉆孔沖洗液漏失量及水位變化

通過ZK03、ZK04、ZK05鉆孔所測得到的101工作面垮采比分別為6.56、6.20、7.02，由于ZK03、ZK05分別位于209工作面邊界，而ZK04位于工作面中部，工作面邊界位置處的垮采比大于工作面中部，呈“馬鞍形”分布，而在209工作面重復開采后ZK03、ZK04、ZK05鉆孔所測得到的209工作面裂采比分別為22.58、23.84、24.99，“馬鞍形”分布特征不明顯。101工作面單一煤層開采后ZK01、ZK02鉆孔位置處的垮落帶高度分別為12.12 m、11.49 m，垮落帶發育至1號煤層上部8 m厚硬粉砂巖下部，導水裂縫帶高度發育至1號煤層上部18 m厚硬粉砂巖，209工作面重復開采后，101工作面垮落帶進入1號煤層上部8 m厚硬粉砂巖但未穿透，209工作面垮落帶發育至2號煤層上部21 m厚硬細粒砂巖，導水裂縫帶發育至1號煤層上部18 m厚硬粉砂巖，由此可見不僅軟弱、遇水膨脹類巖層對導水裂縫帶發育高度具有抑制作用，厚及巨厚堅硬巖層對導水裂縫帶發育同樣具有抑制作用。

4 結論

(1)通過鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位變化實測得到101工作面單一煤層開采的垮落帶高度為11.49～12.12 m，垮采比為5.34～5.64，導水裂縫帶高度為35.07～35.81 m，裂采比16.31～16.66，與理論值相近，垮落帶和導水裂縫隙帶均發育至厚及堅硬巖層，不僅軟弱、遇水膨脹類巖層對導水裂縫隙帶發育具有抑制作用，厚及巨厚堅硬巖層同樣對導水裂縫隙帶發育具有抑制作用。

(2)由于重復采動條件下，下部209工作面開采對101工作面采空區的二次擾動作用以及101采空區對209工作面開采的卸壓作用，101工作面的垮采比為6.20～7.02，大于101工作面單一煤層開采垮采比，209工作面的垮采比為5.15～8.00，小于209工作面單一煤層開采垮采比；《三下采煤規范》中類似條件下的“兩帶”高度計算公式忽略了重復采動條件下，兩層煤的相互影響。

(3)隆德煤礦淺埋薄基巖條件下101、209工作面重復開采的導水裂縫隙帶高度約為90.31～99.95 m，裂采比為22.58～24.99，可為西北地區淺埋薄基巖重復采動條件下的安全開采和保水開采提供一定借鑒。