煤礦登空邊角煤圍巖應力變化勘查研究

解國強

(國能神東煤炭集團有限責任公司地測公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

烏蘭木倫煤礦1-2號煤四盤區東翼，在2014—2015年度開采12418-12420工作面時，由于斷層的影響，與井田東邊界間遺留有邊角煤。3-1號煤31410工作面已采過此區域，使1-2號煤的邊角煤已形成“登空煤”。現擬回收開采該區域1-2號煤的邊角煤，需查明3-1號煤工作面回采后1-2號煤及圍巖破壞程度，為邊角煤上行開采方案提供地質依據。

1 工程施工及工程質量

1.1 工程布置

根據本次設計目的，考慮到3-1號煤采動后覆巖導水裂縫帶發育一般為“馬鞍形”，為了揭示導水裂縫帶最大發育高度和形態變化情況，在烏蘭木倫煤礦31410工作面施工3個鉆孔(孔號為WM3、WM4、WM5)，其中WM3孔位于工作面中部(以往鉆孔WK109附近)；WM4鉆孔位于31410工作面回風順槽55聯巷附近，WM5孔位于31410與31409工作面之間的保安煤柱中(55聯巷附近)。具體位置如圖1所示。

圖1 鉆孔分布示意

1.2 工作區地質

1.2.1 地層

依據本區鉆孔和巷道揭露情況，本次工作區的地層從上至下分別有：

第四系(Q)：本區以風積沙為主(Q4aol)，大面積分布。未固結，巖性以土黃色細、粉砂為主，地表呈波狀沙丘、沙壟，地勢起伏不平，植被較少。厚度為29.89～42.90 m，平均厚度37.35 m。局部底部有黃土層(WM5孔，黃土3.80 m)。

侏羅系中下統延安組(J1-2y)：根據本次補勘的目的，可把3-1號煤以上的延安組地層劃分為2段進行敘述：①根據本次鉆孔揭露，第一段為1-2號煤及以上延安組地層。該地層巖性以灰色、灰白色砂巖為主，夾砂質泥巖和粉砂巖層。厚度在44.88～59.43 m之間，平均50.78 m；1-2號煤層厚度為2.23～2.50 m；煤層底板標高在1 214.436～1 222.679 m之間。煤層底板為深灰色粉砂巖或砂質泥巖。②根據本次補勘鉆孔和周邊以往鉆孔資料，第二段為1-2號煤至3-1號煤間延安組地層。本區該地層以灰色、深灰色粉砂質泥巖和粉砂巖為主，夾有灰色細砂巖、深灰色泥巖和薄煤層。1-2號煤至3-1號煤層間距在51.35～56.86 m之間，平均間距53.63 m。

1.2.2 構造

因古河床沖刷1-2號煤層在本區厚度變化較大。沖刷帶具體區域如圖2所示。工作區的小斷層均為正斷層，除F3-18、F4-32斷距大于3 m外，其余斷層斷距均小于3 m。

圖2 工作區構造示意

1.3 工程量及質量評述

本次補勘工程采用鉆探、測井、工程測量、采樣化驗等手段進行綜合探測，完成具體實物工程量見表1。

表1 完成實物工程量一覽表

本次補勘工程共施工鉆孔3個，完成鉆探進尺431.70 m，鉆孔質量按《煤炭地質勘查鉆孔質量標準》(MT/T 1042—2007)進行評定，鉆探質量全為甲級孔，甲級孔率100%。綜合評級甲級孔1個(WM5)，乙級孔2個(WM3、WM4，由于孔內無水位，測井無視電阻率參數曲線，測井評級為乙級)。

本次補勘施工的3個鉆孔全部進行了地球物理常規測井，共完成常規測井397.10 m/3孔，井斜測量工作量21點/3孔，測井工作質量按照《煤田地質勘探地球物理測井規范》(DZ/T 0080—2010)及《煤田地質勘探鉆孔質量標準》(MT/T 1042—2007)進行評級，所測3個孔，甲級孔1個，乙級孔2個，甲乙級孔率100%。總之，本次測井質量較高，能夠滿足測井規范及設計的要求。

1.4 1-2號煤層分布情況及厚度變化

1-2號煤層在該區域均有分布，其中，南部地帶煤層不可采(最薄WK57孔僅0.30 m)，中部厚度較大，最厚2.80 m(WK54孔)，且向四周有變薄的趨勢。在可采區內，煤層厚度0.80～2.80 m，平均2.10 m。煤層厚度變化較大，結構單一，一般不含夾矸，煤層頂板多為粉砂巖和粉砂質泥巖，局部為細粒砂巖，底板多為粉砂質泥巖或泥巖。1-2號煤距下部3-1號煤層間距51.35～56.86 m，平均53.63 m。

2 3-1號煤覆巖“兩帶”分布分析及高度確定

2.1 鉆井液消耗量分析

WM3孔在孔深63.60 m以上，鉆井液消耗量很少，屬于鉆井過程正常消耗；63.60～92.90 m鉆井液消耗量明顯增大，92.90～106.90 m鉆井液全部漏失，106.90～122.90 m鉆井液消耗量在高位徘徊，鉆至122.90 m時鉆井液循環中斷，全部漏失。

WM4孔在孔深44.90 m以上，鉆井液消耗量很少，屬于鉆井過程正常消耗；44.90～52.90 m鉆井液消耗量明顯增大，52.90～63.90 m消耗量迅速回落，鉆至63.90 m時鉆井液循環中斷，全部漏失。

WM5孔在孔深122.90 m全漏，但終孔后水位在127.40 m，因本孔位于3-1號煤層煤柱，3-1號煤正常。說明本孔沒有冒落，只有3-1號煤上部發育有側向裂隙。

2.2 井下電視錄像分析

鉆孔電視探測技術是一種較為直觀、實用的探測技術，通過高清攝像頭直接記錄孔壁圖像信息，如圖3所示。依據覆巖裂隙的實際發育情況，裂隙由孔口到孔底發育過程依次為：橫向裂隙—縱向裂隙—橫縱交錯。通過這個規律判斷裂隙帶頂界高度，以巖層破碎、垮塌位置作為冒落帶頂界。

圖3 WM3孔孔內電視成像圖

通過井下電視觀察發現：WM3孔在61.03 m左右開始發育縱向裂隙，向下裂隙發育增多，下部伴有交錯型裂隙，局部有垮塌現象，至120.21 m縱向、交錯型裂隙開始密集發育，裂隙間隙逐漸增大，地層垮落坍塌明顯。

WM4孔由于下護管在48.84 m處，無法通過井下電視觀察到裂隙帶頂界。53.94 m處為裂隙帶上部發育縱向裂隙，向下裂隙發育增多，下部伴有交錯型裂隙，局部有垮塌現象，至124.71 m，裂隙間隙逐漸增大，地層垮落坍塌明顯。

2.3 鉆探特殊情況記錄分析

通過對鉆孔施工過程中鉆探原始記錄統計發現：①WM3孔在孔深115.90 m處，開始有鉆具振動、轉動響聲異常，119.90 m孔口處有抽風現象。②WM4孔在孔深101.50 m處，開始有鉆具不能正常運轉、憋泵現象，113.20 m處出現掉鉆、卡鉆事故，孔口有抽風現象。

2.4 “兩帶”高度確定

通過鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔孔內電視觀測結果及鉆進記錄分析，3種方式的觀測結果比較接近，工作面中部鉆孔裂隙帶高度低于靠近順槽位置鉆孔，說明工作面順槽位置的覆巖破壞程度大于工作面中間位置覆巖破壞程度，符合“馬鞍”型的覆巖破壞形態。因鉆孔沖洗液漏失量最能直接反映裂隙發育情況，孔內電視觀測最能直觀反映冒落帶發育情況，所以，最終綜合確定導水裂縫帶采用鉆孔沖洗液漏失量數據，冒落帶采用孔內電視觀測數據。

通過綜合分析，WM3孔導水裂縫帶高度為83.40 m，冒落帶高度為26.79 m；WM4孔導水裂縫帶高度為99.10 m，冒落帶高度為19.29 m，見表2。

表2 3-1號煤“兩帶”高度綜合分析表

3 1-2號煤圍巖破壞程度分析

3.1 通過“兩帶”高度數據分析

1-2號煤層在四盤區東翼邊角地帶，由于下伏3-1號煤層的開采而處于“登空”狀態，通過前文分析可知，1-2號煤與3-1號煤的層間距在51.35～56.86 m之間，平均間距53.63 m；3-1號煤開采后的“冒落帶”高度為19.29～26.79 m之間，“導水裂縫帶”高度在83.40～99.10 m之間。通過“兩帶”分析可知，1-2號煤與3-1號煤2層煤之間的巖層，有一半(下部)已經冒落而嚴重破壞，兩煤層間的全部層段已經發育導水裂縫而受影響。

3.2 層間巖性組合及其RQD值分析

1-2號煤層與3-1號煤層之間的巖性主要為粉砂巖、砂質泥巖、細粒砂巖，局部夾有中粒砂巖和薄煤層，就本次施工的3個鉆孔而言，也有一定的相變，巖性變化較大。以WM3鉆孔為例，鉆遇的1-2號煤底板(深度91.82～137.90 m)46.08 m地層統計，粉砂巖占40%，砂質泥巖占24%，細粒砂巖占24%，這3種巖性就占巖層總厚的88%。另外，巖石單層厚度在3 m以上的總厚度為32.50 m，占71%，說明本區地層在沒有冒落的層段，有一定的穩定性。

通過對巖石RQD值統計可看出，在沒有冒落的層段，巖石完整性較好，如WM5孔，巖石的RQD值沒有隨深度變化而明顯變化的規律；而在WM3孔中，深度在110.20 m以下，RQD值明顯突變而變小；WM4孔在孔深113.20 m以下，RQD值明顯突變而變小；說明接近3-1號煤層冒落帶的地層巖石破碎。

3.3 巖石力學性質及其變化分析

本次補勘在WM3孔中采集了1-2號煤與3-1號煤之間巖石力學樣品8組，并由陜西煤田地質化驗測試有限公司進行了測試化驗，其成果見表3。

從表3可知，1-2號煤圍巖單軸抗壓強度天然狀態下在7.56～23.03 MPa之間，均小于30 MPa，按《礦區水文地質工程地質勘探規范》(1991)巖石強度均為軟弱類巖石。另外從測試化驗成果可知，粉砂巖的抗壓強度最大，一般要高于中粒砂巖和細粒砂巖。

表3 WM3鉆孔巖石力學測試成果

另外，通過對最靠近本區的以往2個巖樣鉆孔的測試成果統計(只對1-2號煤底板至3-1號煤頂板的成果進行統計)，可以看到，巖石的抗壓強度明顯高于本次WM3孔巖石抗壓強度，個別巖石抗壓強度已經大于30 MPa，達到半堅硬類巖石。說明3-1號煤層開采后對1-2號煤圍巖的巖石強度有一定的影響，見表4。

表4 以往鉆孔巖石力學測試成果

3.4 孔內電視錄像分析

通過對3個鉆孔井下電視錄像反復觀察，特別對1-2號煤層及其頂、底板各10 m范圍之內的圍巖情況進行觀察對比，3-1號煤層未冒落的WM5鉆孔的1-2號煤層頂、底板巖石完整性明顯好于已發生冒落的WM3、WM4鉆孔，裂隙也少于另2個鉆孔。

4 結論

本次烏蘭木倫煤礦1-2號煤四盤區東翼邊角煤補勘工程，共完成地面鉆孔3個，鉆探進尺431.70 m，進一步查清了本區1-2號煤的分布情況及厚度變化規律，采用鉆孔鉆井液漏失量觀測、鉆孔孔內電視錄像觀察以及鉆探特殊情況觀察記錄等手段綜合分析了本區“兩帶”發育高度，3-1號煤開采后對1-2號煤圍巖的破壞程度和影響因素進行了分析，達到設計要求，并得出以下結論：

(1)采用鉆孔鉆井液漏失量觀測、鉆孔孔內電視錄像觀察以及鉆探特殊情況觀察記錄等手段綜合分析了本區“兩帶”發育高度，導水裂縫帶高度達83.40～99.10 m。冒落帶高度達19.29～26.79 m。3-1號煤采后對其覆巖的破壞程度較大。通過“兩帶”分析可知，1-2號煤與3-1號煤兩煤層之間的巖層，有一半(下部)已經冒落且嚴重破壞，兩煤層間的全部層段已經發育導水裂縫。

(2)通過對1-2號煤與3-1號煤之間地層的巖性組合及RQD值統計分析，得知本區地層在沒有冒落的層段，有一定的穩定性。通過對巖石力學測試成果統計及與以往成果對比，說明3-1號煤開采后對1-2號煤圍巖的巖石強度有一定的影響。

(3)本次補勘鉆孔少，結論只代表點上規律，對面上1-2號煤圍巖破壞程度分析具有一定的局限性，應在以后的煤礦生產中，研究和收集井巷地質資料，對本區1-2號煤圍巖破壞程度進行系統研究。