地表水體下厚煤層綜放工作面安全開(kāi)采技術(shù)

王 晶

(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系， 呂梁 033000)

中國(guó)是一個(gè)煤炭大國(guó)，煤炭對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用，隨著煤炭資源的大量回采，優(yōu)勢(shì)地質(zhì)條件下煤炭資源已趨于殆盡[1-3]，煤炭企業(yè)不得不開(kāi)采劣勢(shì)地質(zhì)條件下煤炭資源，特別是水體下煤炭資源壓煤量巨大，導(dǎo)致大量煤炭資源被壓占，該部分煤炭資源有效解放對(duì)于緩解中國(guó)煤炭資源供需關(guān)系具有重要意義。然水體下煤炭資源開(kāi)采存在嚴(yán)重安全隱患，因此，水體下煤炭資源安全回采是中國(guó)煤炭工業(yè)未來(lái)亟待解決的安全和技術(shù)問(wèn)題[4-5]。

水體下采煤既要保證煤炭回采過(guò)程中井下生命財(cái)產(chǎn)安全，又要保證地表重要設(shè)施不被淹沒(méi)。對(duì)于水體下煤炭資源開(kāi)采的研究，劉天泉等[6]通過(guò)大量的覆巖破壞規(guī)律和水體下采煤技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，得出了覆巖破壞特征，為水體下采煤提供了技術(shù)支持；高保彬等[7]以余吾煤業(yè)為試驗(yàn)礦井對(duì)水體下工作面安全回采進(jìn)行了研究，有效分析了覆巖破壞規(guī)律和裂隙發(fā)育高度，為工作面的安全回采提供了技術(shù)支持；侯林旺等[8]對(duì)潞安礦區(qū)地表水體下工作面的安全回采進(jìn)行了研究，分析了防水煤柱的留設(shè)高度，為類似礦井水體下工作面的安全開(kāi)采提供了借鑒；朱開(kāi)鵬[9]以平定昔陽(yáng)礦區(qū)運(yùn)裕井田為試驗(yàn)區(qū)，對(duì)工作面回采過(guò)程中覆巖破壞特征以及防水、防砂安全煤柱的留設(shè)進(jìn)行了研究，為淺埋煤層水體下控水采煤防治水研究提供了借鑒；朱偉等[10]以潞安礦區(qū)漳村煤礦為試驗(yàn)礦井，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、工程類比對(duì)覆巖破壞特征進(jìn)行了研究，分析了斷層對(duì)于水體下開(kāi)采的影響，進(jìn)行了水庫(kù)下采煤安全性分析；趙明等[11]以謝橋煤礦1202工作面為試驗(yàn)背景，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行了研究，提高了開(kāi)采上限，解放了大量的水體下煤炭資源。

對(duì)于水體下采煤，導(dǎo)水裂縫帶破壞高度是評(píng)價(jià)水體下安全開(kāi)采的關(guān)鍵。其發(fā)育高度受地質(zhì)特征、開(kāi)采工藝、開(kāi)采厚度等多種因素影響，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式已不適應(yīng)綜放開(kāi)采高強(qiáng)度開(kāi)采工藝，僅使用經(jīng)驗(yàn)公式很難達(dá)到安全要求，對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)才能保證水體下安全開(kāi)采的安全性。為此，以山西某礦為試驗(yàn)礦井，采用分段注水、鉆孔電視對(duì)覆巖破壞進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)開(kāi)采過(guò)程中覆巖破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和地表沉降分析，并對(duì)地表水體下安全開(kāi)采進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了水體下厚煤層綜放工作面的安全回采。

1 工程概況

山西某礦生產(chǎn)能力為1.8×104t/a，主采3號(hào)煤層，煤層平均厚度6.01 m，煤層穩(wěn)定，煤層平均傾角為5°，采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝。2205工作面上存在一河流，屬于水體下工作面開(kāi)采，為了保證工作面的安全回采，要對(duì)其安全性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，距離3號(hào)煤層頂板152 m處存在一泥巖隔水層，該隔水層厚度較大，裂隙不發(fā)育，透水性差，當(dāng)導(dǎo)水裂縫帶不發(fā)育到該層時(shí)，可作為地表水與工作面的隔水層進(jìn)行工作面的安全回采。2207工作面地表不存在水體，其地質(zhì)條件與2205相同，因此，以2207作為試驗(yàn)測(cè)試面，對(duì)其開(kāi)采過(guò)程中覆巖破壞高度及特征進(jìn)行研究。根據(jù)工作面實(shí)際情況和地質(zhì)特征在2207工作面布置2個(gè)測(cè)試鉆孔，鉆孔布置如圖1所示。

1為全景攝像頭；2為CCD傳感器；3為平衡膠囊；4為光源；5為透光鋼化玻璃；6為探頭后部保護(hù)罩；7為錐面反射；8為磁帶錄像機(jī)；9為探頭后部保護(hù)罩；10為三角支架；11為深度測(cè)量輪；12為防爆裝置

2 覆巖破壞高度探測(cè)

2.1 探測(cè)設(shè)備

2.1.1 鉆孔電視

鉆孔電視采用的是防爆型井下用探測(cè)系統(tǒng)，鉆孔電視采用防爆型鉆孔成像裝置，其主要由成像系統(tǒng)、測(cè)深系統(tǒng)、處理系統(tǒng)三部分組成。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其探測(cè)主要結(jié)構(gòu)為電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)光學(xué)耦合器，能夠?qū)@孔圖像進(jìn)行360°探測(cè)，并傳輸?shù)教幚砥髦羞M(jìn)行處理，最后以圖片的形式展現(xiàn)出來(lái)，在測(cè)試中不斷探測(cè)處理，最終鉆孔圖像以連續(xù)的圖像顯示，通過(guò)鉆孔圖片能夠清晰地看到鉆孔裂隙發(fā)育特征，具有很好的直觀性，能夠準(zhǔn)確判斷覆巖破壞高度，鉆孔圖像轉(zhuǎn)變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔圖像轉(zhuǎn)變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.2 鉆孔注水設(shè)備

鉆孔設(shè)備采用山東科技大學(xué)的雙栓塞分段注水裝置，其包含測(cè)試裝置、封孔裝置、操作裝置三部分。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1為滲透段；2為橡膠密封段；3為鉆桿；4為高壓水管；5為高壓泵；6為流量計(jì)；7為壓力表；8為閥門；9為三頭連通器

當(dāng)工作面回采前，工作面上覆巖層處于原始應(yīng)力狀態(tài)，裂隙為原始裂隙特征，當(dāng)工作面回采后，覆巖受到采動(dòng)和支撐應(yīng)力的雙重影響發(fā)生移動(dòng)、破壞。最終自下而上形成規(guī)律的“三帶”，三帶內(nèi)裂隙發(fā)育存在較大差異，通過(guò)對(duì)鉆孔進(jìn)行注水測(cè)試進(jìn)行橫向?qū)Ρ饶軌蚯逦嘏袛嗔严栋l(fā)育高度。

2.2 探測(cè)結(jié)果與分析

2.2.1 分段注水試驗(yàn)

工作面回采后，在分段注水試驗(yàn)前，對(duì)鉆孔進(jìn)行洗孔作業(yè)，將鉆孔內(nèi)的細(xì)小巖石沖洗干凈，防止卡孔，沖洗完畢后對(duì)封閉系統(tǒng)進(jìn)行氣密性測(cè)試，對(duì)兩個(gè)封堵膠囊進(jìn)行加壓，當(dāng)達(dá)到2.0 MPa時(shí)，觀測(cè)壓力表，若30 min后壓力無(wú)明顯變化可進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試段采用0.6 MPa的壓力進(jìn)行注水，觀察流量表，當(dāng)注水流量處于平衡狀態(tài)時(shí)進(jìn)行讀數(shù)，待測(cè)試完畢后，打開(kāi)膠囊閥門進(jìn)行卸壓，觀察壓力表讀數(shù)為0時(shí)進(jìn)行下一段的測(cè)試，直到完成測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖5所示[12]。

圖5 注水量分布特征

由圖5(a)可知，工作面回采前，覆巖鉆孔注水量基本保持在5.0 L/min，鉆孔注水量較小，說(shuō)明，工作面回采前裂隙發(fā)育度較低，且基本呈直線分布，鉆孔測(cè)試段裂隙發(fā)育大小基本一致。當(dāng)工作面回采后，148～160 m鉆孔漏失量基本上與工作面回采前一致，表明該深度段的巖層未收到采動(dòng)影響破壞，在132～148 m鉆孔注水余量明顯升高，最大可達(dá)到17.6 L/min，存在較明顯的分界點(diǎn)，可判斷148 m處為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂部。因此，Ⅰ號(hào)鉆孔確定的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為148 m，垂直高度為127.2 m。

由圖5(b)可知，工作面回采前，覆巖鉆孔注水量最大值為5.9 L/min，鉆孔注水量較小，說(shuō)明，工作面回采前裂隙發(fā)育度較低，且基本呈直線分布，鉆孔測(cè)試段裂隙發(fā)育大小基本一致。當(dāng)工作面回采后，146～160 m鉆孔漏失量基本上與工作面回采前一致，表明該深度段的巖層未收到采動(dòng)影響破壞，在132～146 m鉆孔注水余量明顯升高，最大可達(dá)到16.8 L/min，存在較明顯的分界點(diǎn)，可判斷146 m處為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂部。因此，Ⅱ號(hào)鉆孔確定的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為146 m，垂直高度為119.7 m。

綜合Ⅰ、Ⅱ測(cè)試鉆孔探測(cè)結(jié)果，得出導(dǎo)水裂縫帶最大高度為119.7～127.2 m，裂采比為19.9～21.1。

2.2.2 鉆孔電視探測(cè)

(1)覆巖破壞高度。采用防爆型鉆孔電視對(duì)覆巖破壞進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)過(guò)程中采用人工推鉆桿，保持鉆桿速度小于1 m/min并且均速向前推進(jìn)。觀察鉆孔中裂隙發(fā)育情況。鉆孔裂隙發(fā)育特征如圖6所示。

由鉆孔電視探測(cè)結(jié)果可知，工作面回采前裂隙發(fā)育程度較低，當(dāng)工作面回采后裂隙數(shù)量明顯提高，綜合裂隙發(fā)育特征確定出兩個(gè)鉆孔的分界點(diǎn)分別是147.5、145.2 m。得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為126.8、119.0 m，與鉆孔分段注水試驗(yàn)確定的導(dǎo)水裂縫帶高度基本一致。

為了進(jìn)一步分析工作面回采前后導(dǎo)水裂隙帶附近裂隙情況，對(duì)工作面回采前后裂隙發(fā)育情況進(jìn)行定量化分析。

(2)鉆孔深度與裂隙發(fā)育特征。裂隙隨鉆孔深度的發(fā)育特征能夠直觀反映覆巖受采動(dòng)影響程度，對(duì)采動(dòng)前后132～160 m范圍的裂隙進(jìn)行分析，得出Ⅰ號(hào)鉆孔不同鉆孔深度下的裂隙發(fā)育程度如圖7所示。

由圖7可知，工作面回采前，覆巖132～160 m范圍內(nèi)裂隙數(shù)量為1～2條，裂隙數(shù)量小，發(fā)育度較低。當(dāng)工作面回采后，在132～148 m范圍內(nèi)裂隙數(shù)量明顯增多，最多可達(dá)到7條，而在148～160 m范圍內(nèi)，裂隙數(shù)量基本與工作面回采前持平，進(jìn)一步說(shuō)明，工作面回采后覆巖影響高度為鉆孔深度148 m，148 m為導(dǎo)水裂縫帶的頂部，因此，Ⅰ號(hào)鉆孔確定的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為148 m，垂直高度為127.2 m。

圖6 鉆孔裂隙特征

圖7 裂隙數(shù)量與鉆孔深度關(guān)系特征

(3)鉆孔深度與裂隙寬度特征。工作面上覆巖層裂隙發(fā)育寬度反映了裂隙發(fā)育程度，對(duì)工作面回采前后裂隙發(fā)育寬度進(jìn)行分析，得出工作面回采前后裂隙發(fā)育寬度特征如圖8所示。

圖8 鉆孔深度與裂隙寬度關(guān)系特征

由圖8可知，工作面回采前裂隙寬度主要以4 mm為主，當(dāng)工作面回采后，在132～148 m范圍內(nèi)裂隙寬度明顯增加，可達(dá)8 mm。而在149～160 m范圍內(nèi)裂隙寬度為4 mm左右，基本與工作面回采前持平。由此可知，當(dāng)工作面回采后影響范圍的頂部為148 m，該位置為導(dǎo)水裂縫帶的頂部，因此，Ⅰ號(hào)鉆孔確定的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為148 m，垂直高度為127.2 m。

3 煤層開(kāi)采地表沉降

隨著工作面的不斷開(kāi)采采空區(qū)不斷增大，當(dāng)增大到一定范圍后，巖層移動(dòng)發(fā)展到地面后必然引起地表移動(dòng)和變形。該變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程，受多種地質(zhì)和采礦因素影響。當(dāng)?shù)乇硪苿?dòng)破壞到隔水層時(shí)必然造成地表水的下泄，因此必須進(jìn)行工作面回采過(guò)程中地表變形特征。對(duì)工作面布置兩條傾向測(cè)線和一條走向測(cè)線，其布置如圖9所示。

圖9 地表移動(dòng)測(cè)線布置圖

在工作面共布置三條測(cè)線，每隔10 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置70個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，傾向測(cè)線1共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，傾向測(cè)線2共布置32個(gè)測(cè)點(diǎn)，走向測(cè)點(diǎn)共布置22個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)采用水泥樁基布置，其測(cè)點(diǎn)及測(cè)量如圖10所示。

圖10 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量

圖11 地表沉降曲線

測(cè)點(diǎn)布置后對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)工作面完全采動(dòng)后，再對(duì)布置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得出的地表開(kāi)采移動(dòng)變形如圖11所示。由圖11可知，工作面回采后，隨著采空區(qū)的面積不斷增大，地表發(fā)生移動(dòng)，最終產(chǎn)生拉裂縫，最大深度為6.5 m，類比該礦區(qū)其他礦井，拉裂深度是有限的，不會(huì)造成地表河水的突然下瀉。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)2207工作面覆巖破壞特征進(jìn)行研究，工作面回采過(guò)程中覆巖影響高度最大為127.2 m，與隔水層高度152 m相差較大。對(duì)地表開(kāi)采沉降進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，最大下沉值為6.5 m，拉裂深度是有限的，不會(huì)造成地表河水的突然下瀉。因此，2205工作面回采過(guò)程中無(wú)需留設(shè)保護(hù)煤柱。

4 煤層開(kāi)采涌水量監(jiān)測(cè)

對(duì)2205工作面水體下采煤做無(wú)留設(shè)保護(hù)煤柱進(jìn)行回采，工作面涌水量變化特征能夠間接反映工作面回采過(guò)程中導(dǎo)水裂縫帶與彎曲下沉帶是否導(dǎo)通。對(duì)工作面回采過(guò)程中涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出不同推進(jìn)距離下涌水量變化特征如圖12所示。

由圖12可知，工作面回采初期，涌水量隨著回采距離的增大不斷增加，經(jīng)分析，該階段為老頂初次來(lái)壓階段，隨著工作面的不斷推進(jìn)，涌水量緩慢增加，在500～680 m基本處于水平狀態(tài)，當(dāng)推進(jìn)到800 m時(shí)，涌水量進(jìn)一步增加，達(dá)到最大值為17.5 m3/h，當(dāng)回采到900 m時(shí)，由于工作面回采即將結(jié)束，因此，涌水量有一定回落，整個(gè)工作面回采過(guò)程中涌水量均小于17.5 m3/h，與2207工作面最大涌水量16.8 m3/h基本持平，因此，工作面回采過(guò)程中地表水未進(jìn)入到工作面，工作面實(shí)現(xiàn)了安全回采。

圖12 工作面回采過(guò)程中涌水量

5 結(jié)論

(1)通過(guò)鉆孔電視和分段注水試驗(yàn)探測(cè)覆巖破壞高度，得出導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為119.7～127.2 m，裂采比為19.9～21.1。

(2)工作面回采前裂隙數(shù)量為1～2條，寬度以4 mm為主。當(dāng)工作面回采后，在132～148 m范圍內(nèi)裂隙數(shù)量最多增加到7條，裂隙寬度可達(dá)8 mm。而在148～160 m范圍內(nèi)，裂隙數(shù)量和寬度與工作面回采前持平。

(3)工作面回采后，隨著采空區(qū)的面積不斷增大，地表發(fā)生移動(dòng)，最終產(chǎn)生拉裂縫，最大深度為6.5 m，拉裂深度是有限的，不會(huì)造成地表河水的突然下瀉。

(4)2205工作面回采過(guò)程中無(wú)留設(shè)保護(hù)煤柱實(shí)現(xiàn)了安全回采，最大涌水量為17.5 m3/h與2207工作面持平，工作面回采過(guò)程中地表水未進(jìn)入到工作面。