伊犁礦區覆巖“兩帶”發育特征及對工作面涌水的影響研究

崔志中，崔樹彬

(1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開發國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.新汶礦業集團有限責任公司 創新研究院，山東 新泰 271200)

煤層開采打破了圍巖原始應力平衡，頂板失穩后發生斷裂、垮落等非連續變形，產生采動裂隙并逐步向上發展，該范圍巖體滲透性大大增強，移溝通上部含水層成為工作面的直接充水水源。因此，覆巖破壞特征是水體下采煤成功與否的關鍵因素，也是確定合理采厚和防水安全的重要判據。準確掌握覆巖破壞特征是實現水體下安全開采的必要前提。采動影響下的覆巖破壞是一個極其復雜的災害力學問題，諸多學者對采動巖體裂隙發育及其擴展規律等做了深入研究。謝和平[1-3]研究了采動巖體分形裂隙網絡隨采寬增加的演化規律；余學義等[4-6]闡述了覆巖中關鍵結構層穩定條件與采動損害之間的關系；張玉軍等[7-9]研究得出了多分層開采后的覆巖裂隙演化特征，推導出水平分層綜放開采導水斷裂帶高度預計公式；肖樂樂等[10]分析了薄基巖淺埋厚煤層綜放條件下的覆巖運移破壞過程，得到了采動裂隙發育規律；劉濤[11]對淺埋薄基巖煤層上覆頂板在回采動壓影響下的穩定性及隔水性進行了相關研究；王振榮等[12]提出多煤層重復采動條件下導水裂隙帶高度的觀測方法，并以此研究了重復采動條件下的覆巖運移對導水裂隙帶的影響規律；曾一凡等[13]研究得出風化會進一步增加基巖富水性，并修正了導水裂隙帶的計算公式；邢延團[14]研究了巨厚洛河組下煤層開采，得出采高變化時導水裂隙帶高度并沒有明顯變化，發育范圍主要受覆巖關鍵層控制，而薄基巖條件下基巖內很難形成自穩結構，隨工作面推進全厚度斷裂[15]。

但上述研究成果集中在我國東部礦區，如兗州、徐州、皖北、兩淮、平莊等礦區，為實現水體下安全開采、提高煤層開采上限和資源回收率起到了促進作用。而我國新疆地區煤炭資源開發較晚，覆巖破壞實測工作仍處于起步階段，實測數據嚴重缺乏，覆巖破壞特征尚未研究清楚，給礦井的防治水工作帶來了極大困難，煤炭資源不能高效開采，制約了新疆地區煤炭產能的發揮。伊犁礦區煤層厚度大、埋深淺，基巖具有薄且軟的沉積特征，地表第四系孔隙含水層是本區中等富水含水層。煤層采厚均在5m以上，高強度開采加劇了覆巖采動裂隙的發育高度和破壞程度，導致工作面涌水量巨大。因此，亟需開展伊犁礦區覆巖破壞特征研究，準確掌握采動裂隙發育形態，分析礦井充水規律并合理評價煤層開采對覆巖含水層的影響，為礦井安全開采提供重要依據。

1 工程地質概況

伊犁四礦21-1煤為礦井首采煤層，位于侏羅系水西溝群下統八道灣組上段(J1b2)，八道灣組(J1b)為屬陸相碎屑巖沉積，分為上下兩段，厚度58.03～506.86m，平均256.37m。21-1煤厚度約為8.24m，其上部為灰色中砂巖，分層厚度57.36m，巖石遇水易松散，巖層柱狀如圖1所示。

圖1 巖層柱狀

礦井首采面21103工作面位于11采區南部+660m水平，走向長1700m，傾斜寬120m，傾角4°～9°，平均6°，煤層厚度8.5～4.8m，平均7.1m，埋深55～140m，平均埋深約102m，煤層頂底板巖性均屬軟巖。工作面范圍內古近系砂礫巖層普遍發育，可通過冒裂帶成為開采煤21-1的直接或間接充水因素。含水層水位標高約+805.5m，水頭高度為17～74m，平均46m。工作面頂板基巖隔水層厚度為37～55m，平均44m，基巖巖性為泥巖、粉砂巖及細砂巖交互構成，透水性差，具良好的隔水性。

2 工作面涌水規律

21103工作面正常推進速度為8m/d，但回采過程中受地質構造、管理等因素，推進速度快慢不一，導致過程中涌水量變化明顯，可分為以下階段：

初期少量涌水階段：正常推進速度為8m/d，在0～500m范圍內工作面勻速正常推進，頂板出現規律性冒落，但0～245m范圍內的覆巖中古近系砂礫巖層發育不明顯，工作面充水條件不足，涌水量極小。推進245～500m范圍開始進入進入含水層下開采，下端頭架后頂板首次出現淋水，水量較小(1～3m3/h)，其它地方未出現淋水現象，其原因是此處支護強度較大，頂板冒落不及時，裂隙帶向上發育時間長，導水通道發育不完全。

中期大量涌水階段：此事工作面推進速度出現變化，導致覆巖破斷規律出現異常，由此導致工作面的涌水量起伏明顯，推進速度越慢，覆巖裂隙發育越充分，工作面涌水量越大。當工作面推進至500m時，回風巷推采速度慢，而運輸巷正在調采，對回風巷側頂板重復擾動，使裂隙帶發育高度增大，從而導通含水層，在上端頭架后頂板同樣出現淋水，最大涌水量23m3/h；當工作面推至756m時短時間停采，頂板處于長時間懸臂狀態，裂隙帶向上發育充分，工作面整體出現淋水，工作面最大涌水量37m3/h，24h后水量減小至3m3/h。

末期涌水穩定階段：工作面推采基本結束，覆巖破壞時間變長，覆巖裂隙以向上發展為主，導水裂隙帶發育高度緩慢穩定增加，等發育至一定高度后覆巖結構穩定，使得工作面的涌水量出現緩慢增加-穩定的變化規律。工作面推進至1663m時(距終采線15m)，推采速度減慢，覆巖破壞時間變長，工作面初始涌水量為8m3/h，之后逐漸增大至20.5m3/h，隨后減小至12.4m3/h并穩定。工作面回撤過程中，由于支架撤出使頂板冒落，撤出速度慢，使裂隙帶向上發育，從而出現淋水情況，自下端頭往上撤至11#支架時下端頭冒落，冒落區出現涌水，初始涌水量為33m3/h，之后涌水量減小穩定至28m3/h。

3 覆巖運移特征實測方案

3.1 觀測方法

鉆孔沖洗液漏失量觀測方法(簡稱鉆孔沖洗液法)通過直接觀測鉆進過程中的鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位、鉆進速度、鉆進異常情況(卡鉆、掉鉆、鉆孔吸風)、鉆探取芯和地質描述等資料來綜合判定垮落帶和導水裂縫帶高度及其破壞特征[16]。采用GD3Q-GR型鉆孔全孔壁成像系統，該系統采用反光錐鏡攝取360°孔壁圖像，由計算機對圖像進行采集處理，形成連續的全孔壁展開圖像[17，18]。

3.2 鉆孔結構設計

覆巖破壞觀測采后鉆孔設計開孔直徑168mm，套管直徑127mm，為了滿足觀測段鉆孔電視對孔徑的要求，基巖觀測段直徑不低于91mm。

3.3 鉆孔位置

根據工作面推進過程中的涌水規律及21103工作面采空區地表地形施工條件，確定在距工作面切眼500m和800m的位置施工觀測孔CH01孔、CH02孔，如圖2所示。CH01觀測孔在工作面傾向上距離運輸巷18m，CH02觀測孔在工作面傾向上距離回風巷24m，2個采后觀測孔按距離切眼的距離由遠及近先后施工。

圖2 21103工作面覆巖破壞觀測孔位置

4 觀測結果分析

4.1 覆巖特性分析

CH01鉆孔地表標高+893.00m，終孔深度為65.78m，揭露的第四系地層厚23.29m，巖性以粘土、沙土為主；古近系地層厚4.43m，巖性以砂礫、粘土為主；侏羅系下統八道灣組上段38.06m，巖性由粘土巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖組成。CH02鉆孔地表標高+910.00m，終孔深度為77.15m，揭露的第四系地層厚35.66m，巖性以粉砂土為主；古近系地層厚1.20m，巖性以砂礫為主；侏羅系下統八道灣組上段40.29m，巖性由粘土巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖組成。由此可以看出，煤層頂部直至地表全范圍內均為軟弱巖層，無關鍵層控制覆巖運移，工作面回采后彎曲下沉帶缺失。

4.2 鉆孔沖洗液漏失量觀測結果分析

4.2.1 CH01鉆孔觀測結果及分析

CH01鉆孔鉆進至孔深39.53m時反液量開始變小，在孔深40.03～41.03m段，鉆孔沖洗液消耗量為0.054～0.207l/s·m，表明此段巖層裂縫不發育；從孔深41.24m開始，鉆孔沖洗液消耗量增大至0.983L/s·m，隨后在孔深41.59m處略減小至0.710L/s·m，在孔深41.73m消耗量增大至1.983L/s·m，在孔深41.98m處鉆孔沖洗液處于臨界返水狀態，在孔深42.34m處沖洗液循環徹底終止。鉆孔水位則從孔深41.24m處由距離孔底40.04m迅速下降至距離孔底11.19m，在孔深42.34～56.72m段水位距離孔底只有1.27～2.87m，至孔深59.62m后觀測不到水位，如圖3所示。

圖3 CH01孔沖洗液漏失量和鉆孔水位變化曲線

鉆探取芯結果顯示：在孔深39.34～49.51m層段巖芯較完整，巖性為粘土巖、細砂巖和粉砂巖，可見輕微的次生裂縫，裂縫面新鮮、無充填物，表現為采動裂縫發育特征，如圖4所示。鉆孔在鉆進至50.7m之后多次出現掉鉆甚至輕微卡鉆現象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，下部層段巖芯基本已失去原有層序性，如圖5所示。

圖4 CH01鉆孔39.34～49.51m段巖芯照片

圖5 CH01鉆孔50.45～55.87m段破碎巖芯照片

上述層段出現沖洗液漏失及鉆孔水位大幅下降直至孔內水位全部消失的現象是覆巖受到采動破壞性影響，覆巖采動裂隙延伸擴展，改變了巖層原有的完整性，增加了巖層滲透性，使得鉆孔沖洗液漏失量增加，直至循環中斷、孔內水位全部漏失。由于沖洗液消耗出現在鉆孔自套管底部繼續往下鉆進初期39.53m處，因此認為裂隙帶頂點位置應在39.53m處。鉆孔在鉆進至50.70m之后多次出現掉鉆甚至輕微卡鉆現象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，可以初步判定垮落帶頂點在孔深50.70m處。

4.2.2 CH02鉆孔觀測結果及分析

CH02鉆孔的沖洗液漏失量從孔深57.24m開始變小至孔深59.14m全部漏失且不再返水，鉆孔水位變化的觀測從孔深57.24m開始至孔深64.58m觀測不到水位，如圖6所示。

圖6 CH02孔沖洗液漏失量和鉆孔水位變化

鉆探取芯反映在孔深57.34～64.02m層段巖芯較完整，巖性為粘土巖、細砂巖和粉砂巖，可見輕微的次生裂縫，裂縫面新鮮、無充填物，表現為采動裂縫發育特征。鉆孔在鉆進至64.21m之后多次出現掉鉆甚至輕微卡鉆現象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，下部層段巖芯基本已失去原有層序性。由于煤層處于淺埋深薄基巖的沉積環境，沖洗液漏失量在57.24m開始變小，因此認為裂隙帶頂點位置應在套管底部以下，在孔深57.24m位置；鉆孔在鉆進至64.21m之后同樣多次出現掉鉆甚至輕微卡鉆現象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，可以初步判定垮落帶頂點在孔深64.21m。

4.3 覆巖采動破壞鉆孔彩色電視成像觀測

4.3.1 CH01鉆孔彩色電視探測成果分析

通過CH01鉆孔的彩色電視探測，如圖7所示，鉆孔數據可以直觀地看到在觀測段的孔壁上是否有由于受采動而發育的孔洞和裂隙，從裂隙的發育規模與形態上，可分辨出裂隙是否為采動裂隙。

圖7 CH01鉆孔彩色電視探測成果

從圖7可知，鉆孔孔壁在39.36m以上，鉆孔孔壁較光滑，39.36m至50.44m處鉆孔孔壁有較明顯的裂隙，50.44m以下鉆孔孔壁呈現出明顯的采動冐落特征，因此從鉆孔孔壁的破壞程度，也直觀的反應了巖層的冒落特征，即裂隙帶頂點位置應在39.36m處，垮落帶頂點位置應在50.44m處。

4.3.2 CH02鉆孔彩色電視探測成果分析

CH02鉆孔數據采集自孔深44.90m開始至71.10m結束，觀測段長度26.20m。根據探測資料，可以直觀地看到在觀測段的孔壁上發育有規模不等的孔洞和裂隙，從裂隙的發育規模與形態上，可分辨出裂隙是否為采動裂隙，CH02鉆孔與CH01鉆孔方法相同，在此不再贅述。根據鉆孔電視成像資料反映的采動裂隙的發育程度與分布特征，同樣明顯看出CH02孔的垮落帶頂點位于孔深64.96m，裂隙帶頂點位于孔深57.49m。

綜上所述，受覆巖厚度及巖性影響，工作面采空區上部僅存在“兩帶”，即垮落帶和裂隙帶，無形成彎曲下沉帶的覆巖條件。在CH01孔位置采空區的裂隙帶頂點位置約為孔深39.5m處，垮落帶頂點約在孔深50.5m處，該處21-1煤層頂部埋深約為63.0m，因此該處采空區垮落帶高度12.5m，裂隙帶高度為23.5m。CH02孔位置采空區的裂隙帶頂點位置約為孔深57.4m處，垮落帶頂點約在孔深64.5m處，該處21-1煤層頂部埋深約為73.2m，因此該處采空區垮落帶高度8.7m，裂隙帶高度為15.8m。

5 覆巖運移對工作面涌水的影響

觀測中，CH01孔對應工作面調采期間，工作面推進速度慢，導致覆巖變形破壞時間長、采動裂隙發育豐富，“兩帶”發育高度大與含水層溝通，導致工作面涌水量較大。而CH02孔對應工作面均勻快速推采過程，該過程中均未出現涌水現象，并且地面隨周期來壓出現有規律的沉陷。

沉陷步距與周期垮落步距相同，說明軟弱覆巖隨采隨冒，加之推采速度快，裂隙發育剛開始頂板就周期整體性垮落，如圖8所示，其中泥巖、粉砂巖等軟巖在垮落后快速壓實，彌合裂隙導水通道，減小了水害威脅。

圖8 薄基軟巖煤層大面積采空區覆巖破壞發育形態預想

結合21103工作面兩帶觀測和工作面出水分析，對21111工作面設計與支護方案進行優化，以減少21111工作面推進過程中的涌水量及可能發生的安全事故。該工作面位于礦井+625m水平11采區西南部，位于21103工作面西部，如圖9所示。

圖9 工作面位置關系

一方面將工作面設計為利于快速推采的規整的長方形，推采速度控制在每班3刀，一天9刀的快速勻速的速度，保證冒落步距合理；另一方面對巷道頂板破碎的區域進行加強支護，利于推采后上運輸巷隨周期來壓能快速冒落。截止2019年7月底已經推采800m，回采以來，工作面未出現出水現象，并且地面沉陷步距和垮落步距一致，表明工作面設計、支護方案及推采速度比較合理，保證了工作面頂板和地面的周期、快速、整體冒落。

6 結 論

1)伊犁礦區煤層埋深淺，頂部直至地表全范圍內均為軟弱巖層，無關鍵層控制覆巖運移，工作面采空區上部僅存在“兩帶”，即垮落帶和裂隙帶，無形成彎曲下沉帶的覆巖條件。

2)實測得出采空區“兩帶”發育特征對工作面涌水量的影響規律。采空區垮落帶高度12.5m和裂隙帶高度為23.5m時，工作面涌水量較大；采空區垮落帶高度8.7m和裂隙帶高度為15.8m，工作面涌水量極小。

3)得出工作面推進速度對軟弱薄基巖覆巖“兩帶”發育特征的影響機制。推進速度慢會給覆巖采動裂隙充分的發育時間，“兩帶”發育高度大，與含水層溝通導致工作面涌水量大；加快工作面推進速度，全部軟弱覆巖會隨采隨冒，地表出現整體性、規律性沉陷，為充分發育的“兩帶”被快速壓實，彌合裂隙導水通道，減少工作面涌水。