近距离多煤层开采覆岩破坏高度与特征研究

张玉军

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

近距离多煤层开采覆岩破坏高度与特征研究

张玉军

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

以新强煤矿为试验矿井,采用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统探测了近距离多煤层开采覆岩破坏高度。研究结果表明,通过钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统探测综合分析,得到新强煤矿近距离煤层群开采垮落带高度约为 80m,导水裂缝带高度为 133.75m,裂采比为 31.1～40.5。与新强煤矿导水裂缝带高度经验值较吻合,观测到的垮落带高度已与传统意义上的垮落带有所区别,应该属于导水裂缝带的严重开裂范围之内。

近距离;多煤层;覆岩破坏;钻孔电视

所谓覆岩破坏高度即指煤层开采后所形成的垮落带和导水裂缝带高度,简称“两带”。新强煤矿是近距离多煤层开采,六采区主要开采 87,90, 95和 98号煤,各煤层间距在 20～40m。多层近距离煤层的开采,覆岩破坏具有逐层叠加发育的规律,将使得上下采空区相互沟通。因此,煤层开采后,覆岩破坏的发育规律决定了新的采空区与老采空区、上覆含水层及地表的沟通情况,是留设防水煤岩柱的主要参数,直接决定着水体下采煤的安全性和可靠性。本次“两带”观测的目的就是探明87,90,95及 98号煤多煤层开采后,上覆岩层垮落带和导水裂缝带的发育高度,探明覆岩破坏状态和采空区连通情况,以分析深部开采的可行性,确定安全开采合理的深度,制定防治水技术措施。

1 观测钻孔布置及设计

根据新强矿采矿地质条件及六采区各工作面的实际回采等具体情况,在 98号煤右三片工作面上方地表布置覆岩破坏观测钻孔,地面标高为+180m,该工作面回采标高为 -156m左右,“两带”钻孔相对工作面位置为内距工作面运输巷20m,在地面施工,钻孔从上往下依次穿过 87号煤右二片、90号煤右二片、95号煤右三片、98号煤右三片等 4层煤的采空区,终孔层位为 98号煤底板,钻探深度约 350m。

设计钻孔开孔直径为 130mm,钻孔自上而下依次揭露第四系,厚约 3m左右,并依次穿过 67号煤,钻孔深度为 15m左右。68号煤采空区,其钻孔深度为 35m左右。69号煤的钻孔深度为 52m左右。72号煤的钻孔深度为 108m左右。87号煤、90号煤、95号煤和 98号煤的采空区,其钻孔深度分别为 259m,294m,330m和 352m。套管下至77m处,目的是为了封住 68号煤的采空区。钻孔结构设计如图1所示。

2 探测方法及设备

本次对覆岩破坏高度和特征探测采用钻孔冲洗液漏失量观测并结合钻孔彩色电视系统的方法。

图1 钻孔结构设计

2.1 钻孔冲洗液漏失量观测方法简介

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、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。

2.2 钻孔彩色电视系统简介

钻孔彩色电视系统包括探头、控制器、绞车架、电缆、计数器等几部分。测试窗口为 360° (全孔观测),对所有的观察物都能全方位,全柱面的观测。该套仪器具有如下特点:

(1)仪器现场安装与操作过程简单,待测井完成后点击“完成测试”即可。整个测井过程中无需其他操作,从而避免了人为误差。

(2)具有灵活简单的用户操作平台,测井完毕 3～5s即可成图。

现场就能快速打开并浏览全孔壁的连续数字图像。能实时地对全孔图像资料作地质解译 (地层厚度,断层或裂隙的宽度、倾向与倾角等)。

(3)探头采用一体化设计以保障系统工作的稳定性,从而有效地保证了仪器的正常运行。同时,仪器具有防雾、防渗及高耐压性能。

(4)测试结果运用光平衡与无缝拼接技术,消除了“百叶窗现象”,保证孔壁影像的真实与完整性,从而保证测井成果的高质量。

3 钻孔冲洗液观测结果分析

钻孔漏失量观测从孔深 99.15m开始,图 2为该钻孔的冲洗液漏失量变化曲线。钻孔的水位观测从 98.65m开始,图 3为该钻孔的水位变化曲线。

图2 钻孔冲洗液漏失量变化曲线

图3 钻孔水位变化曲线

由图 2和图 3以及现场观测记录可知,钻孔钻进至孔深 120.35m处漏失量增大,提钻后钻孔内水位下降了 3m左右,经判断可能是由于原生裂隙较发育所致。继续钻进至孔深 125.25m处,孔口不再返水,因而采取向孔内注水的方式,注水20min后,仍不返水,提钻后钻孔水位下降至69.7m左右,从所取的岩芯来看,岩芯破碎,可见纵向劈开的裂缝。分析认为,该处岩层已经进入到87,90,95和 98号煤采动影响范围之内。继续钻进并观测孔内水位变化,随着孔深增加,孔内水位一直呈下降趋势。钻进至孔深 178.9m处,孔内测不到水位,并且孔口有严重的吸风,可见此处岩层发育的裂缝严重开裂,且互相贯通,并且连通了井下采空区。继续钻进,观测不到孔内水位,但钻进至孔深 198.15m处,孔内水位埋深为 190.69m左右,并且随着钻进略微有所上升。分析原因可能是钻进过程中的岩粉堵塞了裂缝所致。当钻至孔深212.4m处,孔内无水位,一直到终孔。从取芯观测来看,岩芯破碎,发育纵向大裂隙。因而,经综合分析钻孔冲洗液孔漏失量和钻孔水位这两项指标,结合观测记录,可以确定裂缝带顶点的孔深为125.25m,垮落带顶点孔深为 178.9m。

由于该钻孔孔口标高 180.00m,钻孔位置处87号煤标高 -79m,90号煤标高为 -114m,95号煤标高为 -150m,98号煤标高为 -172m,87和90号煤间距为 35m,90和 95号煤间距为 36m,95和 98号煤间距为 22m,4层煤的综合厚度按照近距离煤层计算为 3.3～4.3m。因而最终综合确定新强矿近距离多煤层开采的导水裂缝带高度约为133.75m,裂采比为 31.1～40.5。

4 钻孔电视探测结果分析

钻孔电视观测从孔深 75.0m开始。纵观整个岩层观测段,岩层基本为砂岩,只在局部夹泥质层理,岩层近水平层理,分层明显,并在分层处发育横向裂隙,在采动的影响下裂缝呈张开状态。整个孔段岩层自上而下裂缝发育较多,裂缝多以横向为主,随着孔深的增加,向纵向发展,并且在局部孔段出现破碎状态,如图 4～图 8所示,是岩层不同状态图片。

图4 岩层分层明显

图5 孔深150m处岩层破碎状态

图6 孔深87m处发育纵向裂缝岩层

图7 裂缝带顶点位置处

图 8 出现吸风位置处裂缝发育情况

如图 7反映的是在裂缝带顶点位置处发育的裂缝情况。裂缝数量明显增多,完整块段减少,为横向与倾斜方向的裂缝贯通,开始出现纵向裂缝,该孔段的岩层已经进入了采动影响的范围之内,因而导致了冲洗液在 125.25m处突然完全漏失,钻孔水位也明显下降。可见,对岩层的渗透性造成了局部影响,但是裂缝没有完全贯通,与钻孔冲洗液漏失量观测到的导水裂缝带顶点位置相差不大。图 8反映的是出现吸风孔段处岩层发育的裂缝情况。裂缝宽度增大,且呈张开型,因而在冲洗液漏失量观测过程中在该孔深处出现吸风现象,可见此处的采动裂缝已与井下采空区相贯通。

对整个孔段裂缝发育情况进行统计,裂缝发育孔段占到整个观测孔段的 30%左右,且由于采动的影响,距离采动煤层越近,裂缝发育越密集。受下部的煤层采动影响越剧烈,岩层受到拉伸,岩层中出现近于竖直方向的裂缝,裂缝发育密集,尺寸较大,裂缝一般沿岩石的原生弱面发育,呈裂缝群状态,呈现坚硬砂岩采动裂缝的典型特征。

5 近距离煤层群开采导水裂缝带高度的评价分析

新强煤矿多煤层工作面开采,各煤层间距在20～40m,多煤层回采综合厚度约为 3.3～4.3m。通过实际观测获得的近距离煤层群开采的垮落带高度约为 80m,导水裂缝带高度为 133.75m,裂采比为 31.1～40.5,与新强煤矿导水裂缝带高度经验值较吻合,但与覆岩破坏一般性规律有较大差异。

分析新强煤矿导水裂缝带高度的异常发育原因,主要是因为新强煤矿顶板为坚硬的脆性砂岩,且由于单一煤层厚度较薄,开采强度小,顶板垮落不充分,一旦近距离下层煤开采,上层采空区受重复采动影响后将很容易引起顶板的再次塌落,不仅扩大了原有的微小裂隙,而且新的导水裂缝继续向上发育,导致导水裂缝带高度异常增加。而且,由于随着向深部延伸,开采空间越来越大,顶板重复受到开采扰动,从而也导致由脆性岩层组合的顶板采动裂缝严重开裂,且不易闭合,因而在较高范围内与采空区贯通,钻孔出现严重的吸风现象。因此,在这里观测到的垮落带高度已与传统意义上的垮落带有所区别,应该属于导水裂缝带的严重开裂范围之内。

6 结论

(1)采用地面钻孔冲洗液漏失量和钻孔彩色电视系统综合观测手段,确定覆岩破坏高度和特征的观测方法是可行的、有效的。

(2)通过钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统探测综合分析,得到新强煤矿近距离煤层群开采垮落带高度约为 80m,导水裂缝带高度为133.75m,裂采比为 31.1～40.5。与新强煤矿导水裂缝带高度经验值较吻合,观测到的垮落带高度已与传统意义上的垮落带有所区别,应该属于导水裂缝带的严重开裂范围之内。

[1]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[2]煤炭科学研究总院北京开采研究所 .煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用 [M].北京:煤炭工业出版社,1983.

[3]张玉军,康永华 .覆岩破坏规律探测技术的发展及评价[J].煤矿开采,2005,10(2):10-12.

[4]张玉军,张华兴,陈佩佩 .覆岩及采动岩体裂隙场分布特征的可视化探测 [J].煤炭学报,2008(11).

[责任编辑:徐乃忠]

Research on Fa ilure Height and Characteristic of Overlying Strata in M in ing Coal seam s with Small Interval

ZHANG Yu-jun

(CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Water lossobservation in borehole and borehole televisionwas applied to detecting failure heightofoverlying strata inmining multi-coalseam with near distance by taking Xinqiang Colliery as testmine.Results showed that caving heightof overlying stratawas about 80m,water-conductive fissure heightwas133.75m and the ratio of fissure height andmining heightwas 31.1～40.5.The fissure heightwas fit for experience value of XinqiangColliery.Caving heightobservedwas different from typical value.itwaswithin serious crack range ofwater-conductive fissure zone.

small interval;multi coal seams;failure of overlying strata;borehole television

TD214

A

1006-6225(2010)06-0009-03

2010-10-11

天地科技股份有限公司研发项目 (TZ-GY-2010-KC-4)

张玉军 (1978-),男,河北张家口人,在读博士生,工程师,主要从事开采沉陷、近水体下采煤及岩石力学方面研究。