傾斜煤層綜放開采覆巖破壞高度實測研究

易 強，呂繼龍，代英浩，王云龍

(黑龍江龍煤鶴崗礦業有限責任公司，黑龍江 鶴崗 154100)

鶴崗礦區煤層為厚煤層累煤層發育，目前缺少相關權威的裂縫帶發育高度理論依據，對礦區安全生產影響較大，為此，利用地面鉆孔和鉆孔成像技術及井下鉆孔和注水試驗技術對礦區裂縫帶發育進行探測，為鶴崗礦區在厚煤層裂縫帶發育方面積累自己的經驗，填補了鶴崗礦區乃至全國“厚煤層一次采全高”的空白[1]。

1 項目概況

龍煤鶴崗礦業有限責任公司峻德煤礦位于黑龍江省鶴崗市區南端，是鶴崗煤田最南部的一個礦井，行政區劃分隸屬于鶴崗市興安區。礦井東鄰鶴佳鐵路線峻德火車站，南為東山區新華鎮，西與新華農場接壤，北鄰興安煤礦。本工作面位于二水平南三采區，北至F40斷層下盤，南到F24下盤，東起-250煤層底板等高線，西止F7、F9斷層下盤，工作面主采的30層煤直接頂為4～6 m的灰白色細砂巖，以石英、長石為主，夾少量暗色礦物，屬于Ⅲ中硬頂板；老頂為25～30 m的白色中、粗砂巖，堅硬、無層理，屬于Ⅱ堅硬頂板，該面開采深度-143 ～-250 m(地面標高+235 m)。于2014年5月開始回采?；仫L道長876 m，機道長912 m，傾斜平均長168 m，面積150 192 m2。工作面主采30層煤，賦存穩定，以亮煤為主，少量暗煤，結構簡單，層理發育。產狀為95°～121°，傾角32°～37°，平均34°。煤層總厚度3.03～5.11 m，有益厚度2.40～3.86 m，工作面平均采高3.5 m。煤種為QM，水分1.17%～1.4%，灰分為16.43%～30.87%，揮發分36.72%～42.59%，容重1.32 t/m3，工作面儲量65.9萬t。該區上覆第四紀砂層底板標高175～188 m，厚度46～55 m，殘余水頭高度22～32 m，同時區內上覆第三系地層，底板標高+2～+84 m，厚度61～168 m，富水性中等，為工作面上覆主要含水層。工作面開采后形成的導水裂縫帶若直接導通上覆含水層或通過其他渠道導通含水層，會給工作面安全生產帶來突水隱患。工作面具體位置如圖1所示。

圖1 峻德煤礦二水平南三采區30層工作面采掘工程平面圖

2 導水裂縫帶高度基于經驗公式計算的預計

煤層開采后，采場覆巖破壞是一個由下至上的逐步發展過程，在不同高度的巖層其破壞程度不同。根據覆巖破壞狀況，一般將采場覆巖由下至上劃分為垮落帶、裂縫帶和彎曲帶[2]，其結構[3]如圖2所示。

目前我國煤礦現場技術人員廣泛使用的導水裂縫帶高度計算公式，是依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中給出的經驗公式，通過將覆巖巖性分類為“堅硬”、“中硬”、“軟弱”、“極軟弱”類型分別采用不同的經驗公式來計算覆巖導水裂縫帶高度[4]。采用對應公式[5]，取采厚為M=3.75 m(現場觀測斷面處的煤層實際采厚)，覆巖巖性按中硬地層考慮，計算垮落帶高度為8.03～12.43 m；導水裂縫帶高度為33.46～44.66 m。

3 井下仰斜鉆孔導水裂縫帶高度觀測

3.1 導水裂縫帶高度觀測方式

在工作面周邊，向采空區上方的覆巖導水裂縫帶內打仰斜鉆孔，采用雙端堵水器觀測導水裂縫帶高度。與傳統的地面打鉆孔、采用鉆孔沖洗液消耗量觀測法相比，該方法工程量小、成本低、精度高、簡單易行，其觀測方式如圖3所示。

圖3 井下仰斜鉆孔導水裂縫帶高度觀測方式

3.2 觀測儀結構

整個觀測儀器由三部分組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺，如圖4所示。雙端堵水器由兩個起脹膠囊和注水探管組成。連接管路有兩條：起脹管路和注水管路。控制臺也是對應兩個：起脹控制臺和注水控制臺。起脹控制臺、起脹管路和雙端堵水器的兩個膠囊相連通，構成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統。注水控制臺、注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構成一個控制和觀測巖層導水性的注水觀測系統。

圖4 井下仰斜鉆孔導水裂縫帶高度觀測原理系統圖

3.3 鉆孔布置方案

根據二水平南三采區30層的地質資料、巷道條件和觀測時間要求，工作面導水裂縫帶高度觀測鉆孔的觀測位置宜設在工作面的上下順槽附近，與工作面采空區之間留設有合理寬度的隔離煤柱。在上下順槽附近布置觀測鉆場向工作面采空區方向施工導水裂縫帶高度觀測鉆孔。根據工程地質條件分析以及現場施工選點，確定在距工作面風道垂距20 m、水平距離50 m處的一條巷道內設置觀測鉆場，在鉆場內布置鉆機進行施工。根據現場工程地質條件分析，觀測斷面位置處工作面平均長度150 m，煤層傾角約為40°，平均采高3.75 m，以上述參數作為導水裂縫帶高度觀測鉆孔參數的設計依據。施工觀測鉆孔時，由觀測位置向工作面采空區方向施工導水裂縫帶高度觀測鉆孔3個[6]，觀測鉆場選擇及鉆孔布置平面圖如圖5所示。

工作面覆巖導水裂縫帶高度的觀測需要在鉆場處施工3個觀測鉆孔，孔1坐標方位角-10°，傾角35°，長度120 m；孔2坐標方位角0°，傾角41°，長度120 m；孔3坐標方位角10°，傾角41°，長度100 m。剖面如圖6所示。

圖6 鉆場測點導水裂縫帶高度觀測鉆孔布置剖面圖

4 工作面覆巖導水裂縫帶高度觀測成果

本次現場觀測共實測3個頂板導水裂縫帶高度觀測鉆孔，3個鉆孔均比較準確地測試出了峻德煤礦二水平南三采區30層工作面導水裂縫帶發育高度的上限值，觀測成果相互印證，可以得到較為可靠的導水裂縫帶發育高度結果。1#觀測孔導水裂縫帶觀測高度為36.7 m，2#觀測孔導水裂縫帶觀測高度為38.6 m，3#觀測孔導水裂縫帶觀測高度為43.5 m。

3個鉆孔的觀測結果較為接近，同時，觀測結果差值也從側面驗證了工作面上覆導水裂縫帶的“馬鞍形”空間形態[7]。1#～3#孔由于設計傾角和方位角的差別，使得鉆孔分別從“馬鞍形”裂縫帶上部的平緩區和峰值區穿過，3#孔的觀測結果最大，證明其恰好穿過了裂縫帶發育的最大高度區域[8]。在工程現場參數取值中，為了保證較高的安全系數，往往取最大值作為最終結果[9]。因此，根據現場實測數據，最終確定峻德煤礦二水平南三采區30層工作面導水裂縫帶發育高度現場實測結果為43.5 m[10]。

5 結 論

(1)井下仰斜鉆孔雙端堵水器導水裂縫帶高度觀測技術鉆孔工程量小、觀測精度高、手段先進，是水體下采煤導水裂縫帶高度觀測的有效方法。

(2)峻德煤礦二水平南三采區30層工作面平均采高3.75 m，采場覆巖為中硬強度偏硬地層，導水裂縫帶高度觀測鉆孔共施工3個，現場觀測結果為43.5 m，根據地層結構分析，導水裂縫帶應該發育至探測終孔位置粉砂巖層為止，此巖層距離工作面垂高46.13 m。綜合觀測成果與地層鉆孔柱狀圖分析得出：工作面采場覆巖導水裂縫帶高度為：H=46.13 m。導水裂縫帶高度與采厚比為：H/M=46.13/3.75=12.3倍。

綜合上述分析，以裂采比12.3指導以后工作面的導水裂縫帶高度預測分析是較為合適的，該區域生產可使用該系數計算導水裂縫帶高度。