辛置煤矿采空区上方送巷可行性及送巷层位设计

2010-01-16杨新华宋孝平

采矿与岩层控制工程学报 2010年1期

关键词：孔深层位大巷

杨新华,宋孝平

(1.山西焦煤霍州煤电集团有限责任公司,山西霍州 031400;2.天地科技股有限公司开采设计事业部,北京 100013)

辛置煤矿采空区上方送巷可行性及送巷层位设计

杨新华1,宋孝平2

(1.山西焦煤霍州煤电集团有限责任公司,山西霍州 031400;2.天地科技股有限公司开采设计事业部,北京 100013)

通过采用钻孔水位漏失量和彩色钻孔电视观测的方法,对辛置矿 2号煤采空区上方岩层结构和采动破坏情况进行了观测,对在该采空区上方能否送巷进行了可行性论证,并且根据覆岩破坏高度设计采空区上方 450胶带运输巷的合理送巷层位。

采空区;送巷层位;钻孔电视;漏失量;覆岩破坏

Feasibility of Driving Roadway over Gob and Roadway Horizon Selection in XinzhiColliery

辛置煤矿是一个老矿井,随着开拓水平的延伸和开采能力的加大,运输能力不足,现有运输系统环节过多,安全压力大。为了提高运输系统的能力,减少运输环节,减轻大巷轨道运输安全压力,满足生产需要,辛置煤矿决定在南五采区的 2号煤采空区上方送一条 450胶带运输大巷,大巷设计长度 1680m,要通过 3段 2号煤采空区,采空区总长度约 390m。

巷道通过区域内 2号煤平均埋深 300m,基岩平均厚度 205m,冲积层厚度约 95m,能否在采空区上方送巷和合理确定送巷的位置是本文论证的主要内容。

1 450运输巷通过采空区区域及采矿地质概况

设计的 450胶带运输巷为西北 -东南方向,巷道从西北到东南将从 3处煤采空区上方通过,第 1处为 2-101工作面,450胶带运输巷将从工作面停采线边缘通过,工作面采宽 150m,高档普采,开采煤层为 2号煤层,采高 3.4m,采深 300m左右,开采时间为 1989年;第 2处为 2-211,2-212,2-213工作面,工作面开采宽度均为 40m,开采煤层为 2号煤层,开采时间为 1990～1991年,平均采高 3.4m,分层炮采,分层开采厚度 1.7m,采深为 280～300m。煤层上覆基岩厚 180～200m,以粉、细砂岩为主;第 3处为 2-316工作面开切眼部位,工作面开采宽度为 40m,开采煤层为 2号煤层,开采时间为 1999年,条带综采,采高3.3m,采深 300～350m。从巷道西北到东南,2号煤的标高由高到低。

2 采空区上方覆岩破坏观测

2.1 观测钻孔位置选择

钻孔位置的选择原则是在该区要具有代表性。450大巷通过的 3处采空区,在第 1处和第 3处分别从工作面的边缘通过。第 1处为长壁高挡工作面;第 3处为条带采区,采动极不充分;在第 2处从开采区域中部通过,并且巷道通过的开采区域面积大,采动相对充分。因此,钻孔位置选择在采动较为充分的第 2处采空区的 2-211工作面区域。钻孔从地面施工,钻孔工程量为 350m,钻孔终孔层位为 2号煤层底板,钻孔基岩部分全部取芯。

2.2 钻孔揭露的地层情况

钻孔揭露的基岩界面深度为 99.60m,基岩风化带深度为 150.85m,风化带厚度 50m左右,风化裂隙较发育,均为斜交层面的小裂隙,部分裂隙充填或半充填。

二迭系岩性以泥岩、粉砂岩和中细砂岩组成,厚度 185.4m,泥岩为灰绿色 -紫红色为主,泥质结构,质软,具滑面;砂岩为灰绿色 -灰色,粉、细砂岩为主,块状,较坚硬,裂隙发育近垂直,被方解石充填。

2.3 钻孔冲洗液漏失量观测

实践研究表明,煤层开采后上覆岩层破坏和扰动由“三带”组成,即垮落带、断裂带和弯曲带(或叫整体下沉带)。钻孔冲洗液漏失量观测方法(简称为钻孔冲洗液法)是一种最传统的、最可靠的确定上覆岩层受采动后其导水裂缝带和垮落带发育高度的方法,此方法是通过直接测定钻进过程中的钻孔冲洗液漏失量、钻孔水位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻孔吸风、岩芯观察及地质描述等资料来综合判定垮落带和导水裂缝带高度及其破坏特征的一种方法。

由于上覆岩上部为黄土冲积层,厚度约 100m,这部分钻孔需要下套管护壁,因此,钻孔冲洗液漏失量观测从基岩开始,即始于孔深 108.0m。

开始钻进时钻孔冲洗液漏失量消耗不大,在孔深 138m左右,漏失量增大,达到 0.3L/s·m,可见在此处岩层原生裂隙发育较大,基岩风化严重。此后,一直钻进至孔深 179.55m,钻孔冲洗液漏失量消耗时大时小,可见此段部分岩层原生裂隙较发育。在孔深 180～261m段,漏失量消耗一直稳定在 0.01L/s·m左右,因而此段岩层发育完整。在孔深 261.8m处,漏失量突然增大至 0.2L/s·m左右,从现场取芯来看,岩层发育较大的纵横交错裂隙,由此可以判断该处岩层受到了采动影响,进入了裂缝带范围。但部分裂隙已密实,这是由于开采时间较长,部分岩层已进入稳定压实阶段的结果。在孔深 278.37m处,漏失量消耗达到 0.66L/s·m左右,在 283.8m处钻孔冲洗液全部漏失,孔口不再返水,从现场取芯看,岩芯破碎成块状,可见岩层已进入采空区上方垮落岩层范围之内。在该孔位处 2号煤层顶板的埋深为 284.78m,由此可以判断,受煤层开采所形成的裂缝带高度为 22.98m,垮落带高度为 6.41m。

2.4 彩色钻孔电视观测

井下彩色电视系统是专门用于钻孔内部成像的观测系统,可对采空区上覆岩层破坏进行有效观测。用彩色钻孔电视系统结合钻孔冲洗液漏失量来观测岩层的裂隙发育和漏水情况,可以确定采空区覆岩的垮落带、断裂带的发育高度。钻孔电视实测截图见图 1。

图1 钻孔电视岩层实测截图

彩色钻孔电视观测从孔深 100m开始,观测至孔深 178m处,由于进入了采动垮落带范围之内,孔壁破碎严重,影响了探头下放,观测工作结束。

根据观测,基岩界面以下,即孔深 117.9～128.4m段岩层,风化较严重,裂隙较发育。孔深200m以下,即孔深 204.5～250m为完整岩层段,这段岩层以砂岩为主,层理明显,岩层发育完整;孔深 254～263m段岩层发育明显裂隙,灰黑色的页岩段;孔深 273.5～278m岩层段,裂隙以纵向为主,纵横交错,是受采动影响最为剧烈的岩层段。由此可得,在孔深 254m以上段岩层,即距离2号煤层顶板 30.75m以上岩层 (2号煤顶板孔深为 284.75m),整体发育较完整,完整岩层占整个岩层的比例较大,只在部分岩层段发育微小裂隙。

3 采空区覆岩岩层稳定性评价

煤层开采后,上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带,岩层破裂成块状,岩块之间存在较大的缝隙。在断裂带,岩层产生断裂、离层、裂隙,岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带,岩层基本呈整体下沉,破坏轻微。垮落带、断裂带的岩层虽经长时间的压实,仍不可避免地存在一定的裂隙和离层,抗压、抗拉、抗剪强度明显低于原始岩体的强度,其岩体结构处于相对稳定状态,但不能承受较大外力扰动。因而,对采空区上覆岩层稳定性的评价是巷道合理层位选择的关键。

通过对采空区上方覆岩的钻孔冲洗液漏失量观测,钻孔电视探测以及力学分析,可以得到,由于对 2号煤层的开采,所形成的垮落带的高度为6.41m,断裂带的高度为 22.98m,也就是在标高461.7m(该处地表标高为 723.502m)以下岩层属于采动影响范围,在该层位岩层裂隙发育,破碎,属于极不稳定岩层。

从钻孔电视探测结果来看,由于距离开采时间较长,因而受采动形成的裂缝已趋于被压实,逐渐趋于稳定阶段。而从整个钻孔的岩层柱状展开图来看,在第四系以下 50多米,是属于风化的基岩段,在该层位原生裂隙较发育,属于不稳定岩层。而在孔深 200～250m岩层段,也就是标高 523.5～473.5m段,岩层发育完整,岩性以砂岩为主,尤其是在孔深 240～250m段,即在该孔位置处,距离 2号煤层顶板 34.75～44.75m岩层段,岩层发育尤其完整,因而在该层位岩层的稳定性较好。同时,从岩体强度来看,顶板属于中硬 -坚硬覆岩,属于稳定 -非常稳定围岩类别。

上述分析结果是在钻探及观测基础上得出的,钻孔的位置选取在第 2处采空区处,在第 1处和第3处采空区没有布置钻孔。根据区域钻孔资料,这3处 2号煤采空区上覆基岩层岩性基本相同,基岩厚度均约 200m。450大巷从第 2处采空区上方通过区域面积大,采动相对充分;而通过第 1处和第3处采空区上方,只是从采空区上方边缘通过,对于 450大巷来讲采动极为不充分,也就是说,这两处的覆岩破坏高度要小于第 2处的覆岩破坏高度。因此,第 2处能够满足送巷要求,同样在第 1、第3处也能够满足送巷要求。

4 450胶带运输巷合理层位选择及位置确定

综合考虑以上影响因素以及对岩层稳定性的分析评价,450运输大巷通过 2号煤采空区上覆岩层的层位应选在裂缝带上方稳定的完整岩层内。根据钻孔钻探结果和观测成果,孔深 242～248m段,也就是标高 481.5～475.5m段,即距离 2号煤层顶板 36.75～42.75m段 (2号煤顶板埋深284.75m),该区域为完整的厚层状砂岩,岩层稳定,受采动的影响程度较小,处于断裂带上方,且具有 14m的隔离岩柱,是 450大巷送巷较为理想的层位。因此,在钻孔位置,450运输大巷的层位应选择在孔深 242～248m砂岩段内。巷道位置的层位高度要按实际煤层角度调整。

对于整条巷道,由于煤层有一定的倾角,在该孔位置孔深 242～248m的砂岩段在井田范围内属于稳定岩层,因此,应根据岩层倾角布置巷道。