淺埋煤層群開采覆巖導水裂隙帶發育規律

李海軍

(陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

我國西部擁有大量的淺埋煤層煤炭資源。其中，陜北侏羅紀煤田是我國探明儲量最大的煤田之一，占全國煤炭儲量的14%。該煤田煤層埋藏淺，賦存煤層多，為主要開采煤層群。我國西部淺埋煤層群綠色開采，對經濟建設具有重要戰略意義[1-3]。

神南礦區各礦井大多主采煤層屬于大采高煤層，大部分區域的第一煤層開采完畢，進入第二、三主采煤層開采，煤層群下部煤層開采時容易出現來壓強度大，來壓迅猛，動載系數大，臺階下沉，壓架冒頂等劇烈來壓現象[4-6]。淺埋煤層開采實踐表明，開采后覆巖中只存在冒落帶和裂隙帶，為導水裂隙帶。若導水裂隙帶發育高度達到覆巖隔水層后，可能會造成井下突水或淹井災害事故，影響區域生態平衡。劉天泉[7]提出了“覆巖破壞學說”，是國內研究導水裂隙帶發育機理的基礎。施龍青等[8]建立了基于采場頂板“上四帶”劃分理論。曹丁濤等[9]研究了導水裂隙帶發育高度與多因素影響之間的關系式。黃慶享等[10]利用分形力學和理論力學，將裂縫帶又分為“似連續帶”和“塊體鉸接帶”，提出“上行裂隙”和“下行裂隙”是影響隔水層穩定性的重要因素。馬雄德等[11]進行了神南礦區采煤導水裂隙帶高度預測，發現導水裂隙帶高度與煤層采厚關系密切，呈非線性關系。

盡管關于神南礦區導水裂隙帶高度進行了許多研究，但目前針對紅柳林煤礦煤層群開采導水裂隙帶高的實測研究甚少。因此，開展紅柳林煤礦導水裂隙帶高度研究十分有必要，一方面為紅柳林煤礦的安全生產提供技術保障，另一方面為陜北淺埋煤層群工作面的開采提供借鑒意義。

1 工作面條件和鉆孔施工

1.1 工作面地質及開采條件

紅柳林煤礦所屬神南礦區，核定生產能力達到1 500萬t/a，5-2號煤層、4-2號煤層為主要可采煤層。24201工作面為4-2號煤層首采工作面，工作面可采推進長度為2 064 m，綜采工作面傾向布置長度為283 m；24201工作面下部為5-2號煤層25207工作面，2個工作面近似重疊布置，25207工作面上覆基巖厚度為107～108 m，松散層厚度21～101 m。該工作面平均開采厚度6.2 m，與4-2號煤層間隔巖層厚度為59 m，工作面對應關系如圖1所示。

圖1 煤層群工作面平面位置Fig.1 Plane position of coal seam group working face

1.2 鉆孔施工

為了掌握煤層群工作面導水裂隙帶發育規律，在24201工作面施工2個導水裂隙帶鉆孔，其中SK1號鉆孔距離順槽邊界80 m，SK2號鉆孔位于工作面中心，施工現場如圖2所示。

圖2 鉆孔施工現場Fig.2 Drilling construction site

2 導水裂隙帶高度實測

2.1 圖像觀察分析

根據測井圖像觀察分析，如圖3所示，SK1鉆孔從套管底端開始可以觀察到斜向裂隙，延伸較短，隨著孔深增大，裂隙密度增加，且裂隙延伸增大；孔深62 m以下孔壁多為裂隙空洞，裂隙發育密集，孔壁不完整。因此，說明導水裂隙帶已經延伸至基巖面以上。同樣，SK2鉆孔在孔深59 m處有裂隙空洞，說明導水裂隙帶已延伸至基巖面以上，如圖4所示。

圖3 SK1鉆孔測井結果Fig.3 Logging results of SK1 borehole

圖4 SK2鉆孔取芯結果Fig.4 SK2 drilling coring results

2.2 冒采比分析

SK1鉆孔冒落帶頂界位置為67 m，該鉆孔處4-2號煤層底深度為83.40 m，故冒落帶高度為16.40 m，冒采比為5.7。SK2鉆孔冒落帶頂界位置為82.70 m，該鉆孔處4-2號煤層底深度為98.20 m，故冒落帶高度為15.50 m，冒采比為5.4。綜合分析對比測定，紅柳林煤礦4-2號煤層冒采比為5.5。

2.3 導水裂隙帶高度

利用收集到神南礦區周邊煤礦的斜長與導水裂隙帶高度發育數據(表1和圖5)，裂隙帶高度隨工作面斜長增長而增大，在工作面斜長250～300 m，裂隙帶增加速率降低，趨于平緩。

表1 各礦工作面斜長與導水裂隙帶高度Table 1 Oblique length of working face and height of water conducting fracture zone in each mine

圖5 工作面斜長與導水裂隙帶高度Fig.5 The oblique length of working face and the height of water conducting fracture zone

隨著工作面采高從2 m增大至7 m，覆巖導水裂隙帶的高度呈整體增大的趨勢，線性相關性達75%，如圖6所示，統計結果具有一定的借鑒意義。因此，結合本次研究紅柳林煤礦4-2號煤層和5-2號煤層實際開采高度分析得出，在采高3 m左右，導水裂隙帶發育高度與采高的比值(裂采比)大約為27；采高6 m左右時，裂采比大約為28.5。

圖6 工作面采高與導水裂隙帶高度Fig.6 Mining height of working face and height of water conducting fracture zone

3 導水裂隙帶高度物理模擬

4-2號煤層工作面繼續推進到65 m時，基本頂發生初次垮落，頂板垮落帶高度約為12.5 m，覆巖出現明顯的離層空間，離層高度約為23 m，離層裂隙寬度為0.8 m，基巖垮落角70°。4-2號煤層工作面推進至175 m時已達到充分采動，基本頂出現第6次周期來壓，在工作面上方紅土與黃土層交界處發育新的下行裂隙，工作面裂隙帶高度約90 m。6次周期來壓步距分別為20.5 m、16.05 m、14.55 m、16.95 m、19.65 m、22.05 m，平均為18.3 m。

5-2號煤層埋深為190 m，位于4-2號煤層底板下方66 m，采高為6.2 m。當5-2號煤層工作面推進至60 m時，老頂初次來壓，間隔巖層垮落高度10.5 m，切眼側基巖垮落角為63°，如圖7所示。

圖7 5-2號煤層工作面初次來壓Fig.7 First weighting of No.5-2 coal seam working face

5-2號煤層工作面推進至136.5 m時出現第5次周期來壓，來壓步距18 m，兩煤層的層間覆巖完全發生垮落，同步引起4-2號煤層上覆巖層移動，采空區已穩定的巖層再次發生移動，原已壓實閉合的裂隙再次發育，如圖8所示。

圖8 5-2號煤層間隔巖層完全破斷Fig.8 Fracture of interval strata in No.5-2 coal seam

5-2號煤層工作面共推進262.5 m，工作面共發生10次周期來壓，平均周期來壓步距為14.5 m，如圖9所示。回采結束后工作面冒落帶高度為35.2 m。

圖9 5-2號煤層第10次周期來壓結束Fig.9 10th periodic weighting of No.5-2 coal seam

由4-2號煤層及5-2號煤層的物理相似模擬實驗結果可以得出，4-2號煤層回采結束時，工作面上覆巖層冒落帶高度為14.8 m，冒采比為5.16，導水裂隙帶高度為90 m，裂采比為31.3；5-2號煤層回采結束時，工作面上覆巖層冒落帶高度為35.2 m，冒采比為5.87；回采后裂隙貫穿至地表，裂采比31.7。

4 結論

(1)現場實測得出紅柳林煤礦4-2號煤層冒采比為5.5；結合工程類比分析得出：導水裂隙帶發育高度與采高和工作面斜長基本呈線性增大的趨勢。采高3 m左右時，裂采比約為27；采高6 m左右時，裂采比約為28.5。

(2)根據物理模擬實驗，4-2號煤層回采結束時，工作面上覆巖層冒落帶高度為14.8 m，冒采比為5.16，與實測結果(冒采比為5.5)基本吻合，裂采比為31.3；5-2號煤層回采結束時，工作面上覆巖層冒落帶高度為35.2 m，冒采比為5.87，工作面回采過程中裂隙發育均貫穿至地表，裂采比為31.7。