采動(dòng)覆巖裂隙時(shí)空演化鉆孔流量探測(cè)研究

任 強(qiáng)

(淮北礦業(yè)股份有限公司 孫疃煤礦， 安徽 淮北 235000)

煤層采后，覆巖裂隙發(fā)育特征及采空區(qū)穩(wěn)定時(shí)間對(duì)采場(chǎng)及巷道圍巖的控制和工作面回采時(shí)序起著關(guān)鍵指導(dǎo)作用。目前對(duì)于覆巖裂隙探測(cè)方法主要有：并行電法探測(cè)、鉆孔沖洗液漏失量測(cè)試、鉆孔彩色電視觀測(cè)、分布式光纖監(jiān)測(cè)、井下瞬變電磁法、微震監(jiān)測(cè)法、預(yù)測(cè)分析法[1-8]，這些方法從不同方面給出了煤層采后覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，并成功指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

在覆巖裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)方法方面，諸多學(xué)者開展了相應(yīng)的研究工作。陳佩佩等[9]選取采高、基巖柱厚度、傾角、頂板單軸壓強(qiáng)度、泥巖比例和覆巖結(jié)構(gòu)6種因素作為導(dǎo)水?dāng)嗔褞ьA(yù)測(cè)模型的影響因子，基于非線性理論的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)模型。楊國勇等[10]采用模糊聚類方法研究了開采厚度、開采深度、工作面斜長、巖石抗壓強(qiáng)度、巖層組合特征等因素對(duì)覆巖裂隙帶影響權(quán)重。張?jiān)品宓萚11]基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究了采厚、覆巖性質(zhì)及其組合結(jié)構(gòu)、工作面參數(shù)等影響因素與導(dǎo)水?dāng)嗔褞У年P(guān)系，建立了適用于綜放開采的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)計(jì)模型。黃歡等[12]綜合分析開采深度、煤層傾角、開采厚度、走向長度、傾斜長度、頂板巖性等變量的影響，基于偏最小二乘回歸法建立導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測(cè)模型。然而對(duì)于特定地質(zhì)條件下采動(dòng)覆巖裂隙在時(shí)間及空間演化特征的研究還不充分，而這些問題又與采場(chǎng)圍巖控制、巷道圍巖控制及回采工作面布置時(shí)序密切相關(guān)。本文采用自主研發(fā)的“裂隙發(fā)育鉆孔流量測(cè)試儀”，在時(shí)間和空間兩個(gè)維度探測(cè)了采后覆巖裂隙高度，為認(rèn)識(shí)和掌握覆巖裂隙時(shí)空演化特征及實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 采動(dòng)覆巖“三帶”分布特征

煤層開采后，將采空區(qū)上方經(jīng)采動(dòng)影響穩(wěn)定后的巖層按破壞程度分為：頂板垮落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶等。頂板“三帶”的分布見圖1.

1—垮落帶；2—裂隙帶；3—整體彎曲下沉帶圖1 采動(dòng)覆巖 “三帶”圖

1) 垮落帶。

直接頂垮塌后形成的垮落帶發(fā)育的高度取決于頂板覆巖的巖石力學(xué)性質(zhì)，其高度一般為采高的2～5倍。頂板覆巖越松散，抗拉強(qiáng)度越低，垮落帶的高度就越大；巖石越堅(jiān)硬、抗拉強(qiáng)度越高、碎脹系數(shù)越小，垮落帶高度就越小。常用計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)法確定垮落帶的高度。

2) 裂隙帶。

裂隙帶是指在采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂隙、離層及斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層。在空間上，該范圍內(nèi)的巖層不僅發(fā)育垂直于層內(nèi)裂隙，而且發(fā)育沿巖層面的離層裂隙。裂隙發(fā)育的規(guī)模及大小除取決于巖層所受應(yīng)力大小和巖層自身力學(xué)性質(zhì)外，還與其所處的空間位置及厚度密切相關(guān)。垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶俗稱為頂板“兩帶”。

3) 整體彎曲下沉帶。

整體彎曲下沉帶在時(shí)間上滯后采場(chǎng)推進(jìn)時(shí)間，彎曲下沉速度較緩慢。在彎曲下沉帶內(nèi)部巖層中發(fā)育有極少量規(guī)模較小的離層裂隙，其最終表現(xiàn)是在地面形成沉降。彎曲下沉帶在垂向上受拉張應(yīng)力而彎曲，橫向上受擠壓應(yīng)力而被壓縮，具有較好的隔水性。

2 覆巖裂隙探測(cè)方案

2.1 工程概況

童亭煤礦1095工作面位于-400 m上水平109采區(qū)，開采10煤，該面地面標(biāo)高+27.13 m，巷道標(biāo)高-373.4～-425.3 m. 工作面走向長1 530～1 620 m，平均1 575 m；傾斜寬164～166 m，平均165 m.

根據(jù)現(xiàn)有資料及附近鉆孔分析，煤厚1.0～4.7 m，平均3.6 m. 該面煤層傾角為4°～10°，平均6°. 1095工作面綜合柱狀表見表1.

表1 1095工作面綜合柱狀表

2.2 鉆孔流量測(cè)試技術(shù)

為了獲得1095工作面覆巖破壞“裂隙帶”發(fā)育特征，采用鉆孔注水流量測(cè)試法進(jìn)行測(cè)試。具體方法是在工作面巷道中施工若干個(gè)鉆孔，在鉆孔中布置流量測(cè)試儀，根據(jù)鉆孔流量探測(cè)覆巖裂隙發(fā)育特征。根據(jù)覆巖裂隙流量測(cè)試數(shù)據(jù)，判定覆巖裂隙發(fā)育高度及穩(wěn)定時(shí)間。此次覆巖裂高探測(cè)儀器采用自主研發(fā)的“裂隙發(fā)育鉆孔流量測(cè)試儀”，見圖2.

圖2 裂隙發(fā)育鉆孔流量測(cè)試儀圖

2.3 裂隙探測(cè)鉆孔施工參數(shù)

鉆孔孔徑108 mm. 1095工作面各鉆孔設(shè)計(jì)施工參數(shù)見圖3.

圖3 1095工作面鉆孔布置參數(shù)示意圖

3 覆巖裂隙時(shí)空演化特征

“裂隙帶”指“垮落帶”以上，該帶巖層裂隙普遍發(fā)育，橫向縱向?qū)院茫谠搸Х秶鷥?nèi)，巖層裂隙發(fā)育部位鉆孔測(cè)試水流量大；巖層保持完整的部位鉆孔測(cè)試水流量非常小，甚至為零。導(dǎo)水裂隙帶上方的“彎曲下沉帶”內(nèi)，巖層中較少有裂隙發(fā)育，但由于下部巖層冒落，其上巖層會(huì)向下彎曲下沉，在巖層界面附近常有裂隙或真空離層發(fā)育，隨著上部巖層的下沉，先形成的裂隙或離層會(huì)有所閉合，在離層裂隙發(fā)育階段，鉆孔測(cè)試時(shí)會(huì)有部分水流量，但水流量較小。因此，可以通過測(cè)試鉆孔水流量大小來分析覆巖裂隙時(shí)空演化規(guī)律。

1095工作面收作時(shí)間為2020年8月13日，裂高發(fā)育測(cè)試分為3次，第一次時(shí)間為2020年10月8號(hào)，第二次時(shí)間為2021年1月10日，第三次時(shí)間為2021年5月16日。鉆孔第一次鉆取時(shí)間選在工作面收作1月后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為1095面機(jī)巷聯(lián)巷中布置的3#—6#孔。

將4個(gè)鉆孔不同時(shí)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別繪制成鉆孔高程與流量，見圖4，5,6，7，以3#鉆孔流量測(cè)試數(shù)據(jù)為例，分析如下：

圖4 3#鉆孔不同時(shí)期各段測(cè)試流量圖

圖5 4#鉆孔不同時(shí)期各段測(cè)試流量圖

圖6 5#鉆孔不同時(shí)期各段測(cè)試流量圖

圖7 6#鉆孔不同時(shí)期各段測(cè)試流量圖

1) 停采線位置3#鉆孔流量測(cè)試數(shù)據(jù)分析。

a) 第一次測(cè)試3#鉆孔水流量時(shí)，鉆孔49.2 m高程以上，其每分鐘水流量為3 000 mL左右；鉆孔49.2～44.6 m高程間，鉆孔每分鐘水流量均在10 000 mL以上，最大流量達(dá)51 342 mL. 據(jù)此可知，1095工作面收作56天后，3#鉆孔裂隙帶最大發(fā)育高度為49.2 m.

b) 第一次測(cè)試結(jié)束后94天，開展3#鉆孔水流量第二次測(cè)試工作。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見，鉆孔47.1 m高程以上，其每分鐘水流量為5 000 mL左右；鉆孔47.1～45.8 m高程間，鉆孔每分鐘水流量均在30 000 mL以上，最大流量達(dá)47 209 mL. 據(jù)此可知，1095工作面收作150天后，3#鉆孔裂隙帶最大發(fā)育高度降為47.1 m.

c) 第二次測(cè)試結(jié)束后126天，開展3#鉆孔水流量第三次測(cè)試工作。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見，鉆孔43.2 m高程以上，其每分鐘水流量為2 000 mL左右；鉆孔43.2～41.9 m高程間，鉆孔每分鐘水流量均在40 000 mL以上，最大流量達(dá)71 561 mL. 據(jù)此可知，1095工作面收作276天后，3#鉆孔裂隙帶最大發(fā)育高度降為43.2 m.

2) 不同時(shí)期鉆孔流量測(cè)試對(duì)比。

停采線位置3#鉆孔，第二次鉆孔流量測(cè)試數(shù)據(jù)相比于第一次，流量減小平均為33.4%；第三次鉆孔流量測(cè)試數(shù)據(jù)相比于第二次，流量減小平均為12.3%.

上述數(shù)據(jù)表明，煤層回采后，其上覆巖層產(chǎn)生不同程度的冒落及裂隙發(fā)育，隨著時(shí)間的推移，垮落的矸石被逐漸壓實(shí)，裂隙及離層空間逐漸閉合。

3) 繪制停采線位置各鉆孔裂隙發(fā)育最大高度與時(shí)間關(guān)系曲線圖，見圖8. 由圖8可知，除3#鉆孔外，其余各鉆孔停采線位置覆巖裂隙最大發(fā)育高度值第二次與第三次相同，即煤層停采150天后，采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，裂隙帶最大發(fā)育高度不再有明顯的變化。

圖8 各鉆孔最大裂隙高度隨時(shí)間變化曲線圖

4) 將4個(gè)鉆孔按剖面位置，把裂隙帶高度連線，繪制成裂隙帶發(fā)育曲線，見圖9. 由圖9可知，1095工作面收作276天后停采線位置裂隙帶最大高度為45.5 m.

圖9 1095工作面停采線位置裂隙帶高度示意圖

4 結(jié) 論

1) 采用自主研制的“裂隙發(fā)育鉆孔流量測(cè)試儀”測(cè)取了童亭礦1095工作面停采線位置鉆孔流量數(shù)據(jù)，獲得了工作面停采線位置覆巖裂隙時(shí)空演化規(guī)律。

2) 停采線位置4#—6#鉆孔覆巖裂隙帶最大高度三次測(cè)試結(jié)果為：工作面收作56天后的第一次測(cè)試值最大；工作面收作150天和276天后的第二次與第三次測(cè)試值一致。工作面停采位置鉆孔3次流量測(cè)試數(shù)據(jù)表明，1095工作面收作150天后，上覆巖層移動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，裂隙最大發(fā)育高度不再有明顯的變化。

3) 停采線位置覆巖裂隙發(fā)育時(shí)空規(guī)律的有效獲取，為下個(gè)區(qū)段風(fēng)、機(jī)巷合理掘進(jìn)時(shí)間的選取提供了有益參考，從而避免因采空區(qū)覆巖移動(dòng)尚未穩(wěn)定便開始巷道掘進(jìn)，導(dǎo)致巷道圍巖變形量過大，造成巷道掘進(jìn)成本增大及安全隱患等問題；或因等待采空區(qū)覆巖移動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間過長造成礦井采掘接替緊張等問題。