开采覆岩裂隙带发育高度实测应用

2020-03-05岳勃

山东煤炭科技 2020年2期

岳勃

(同煤国电同忻煤矿有限公司，山西大同 037001)

随着矿井开采深度的增加，上覆岩层裂隙带发育高度已经逐渐成为制约矿井安全生产的问题和隐患。覆岩裂隙带高度受多方面因素影响，涉及时效问题和动力学知识，但对其进行深入研究，可以通过分析覆岩裂隙带形成机制，最终确定裂隙带发育高度。同忻矿8309工作面回采时受覆岩含水层影响较大，为了避免工作面发生突水事故，需要对工作面导水裂隙带高度进行实测分析。本文通过理论分析覆岩运动破坏规律，采用导高观测仪观测技术确定了工作面导水裂隙带高度，对矿井安全高效生产具有重要意义。

1 工作面概况

同忻矿8309工作面位于三盘区的西南部，北东部为三盘区三条盘区大巷，北西为实煤区，南西至银塘沟村保护煤柱，南东为8307回采工作面。工作面标高818～842m，走向长度2770.5m，倾斜长度200m。工作面主采C3～5#煤层，煤层厚度10.8～18.00m，平均厚度14.88m，煤层倾角0°～3°，平均倾角1.5°。

工作面北东部上覆为同家梁矿侏罗系11#、14#煤层采空区，其中，11#、14#煤层采空区与3-5#煤层层间距分别为208～239m、178～209m。工作面南西部上覆为白洞矿侏罗系11#、14#煤层采空区，其中，11#煤层采空区与3-5#煤层层间距分别为239～272m、209～243m。根据白洞矿 11#、14#煤层充水性图，11#煤层采空区无积水，14#煤层采空区有积水，积水量20.4万m³。

2 覆岩导水裂隙带发育规律

2.1 覆岩破坏形态

工作面回采前，覆岩处于应力平衡状态，随着工作面回采，应力平衡状态被打破，覆岩开始运动，发生变形破坏。覆岩变形破坏形式自上而下划分为弯曲带、裂隙带和垮落带三种形态，如图1所示。

由图1可知，工作面回采后，覆岩弯曲下沉逐渐垮落。覆岩三带中，弯曲带岩层未出现裂隙，裂隙带和垮落带岩层出现大量的裂隙。只有存在裂隙的岩层才能导水，因此，将裂隙带与垮落带共同称为覆岩导水裂隙带。工作面顶板至裂隙带顶端（与弯曲度交界处）的距离为覆岩导水裂隙带发育高度。

图1 覆岩破坏形态

2.2 导水裂隙带内分区

工作面覆岩导水裂隙带由于岩层性质、裂隙发育程度及顶板离层不同，裂隙带不同高度导水能力也各不相同。根据裂隙发育程度及渗水量将导水裂隙带划分为微小、一般和严重导水裂隙带，如图2所示。

图2 导水裂隙带内分区图

微小、一般和严重导水裂隙带裂隙发育程度、导水连通性、导水能力及渗水量各不相同，如表1所示。

表1 不同导水裂隙带特点

微小、一般和严重导水裂隙带裂隙发育高度占整个覆岩导水裂隙带的高度不同，通常已经垮落岩层高度和微小裂隙带大约各占1/4，一般和严重导水裂隙带共占大约1/2。

3 现场实测

3.1 观测方案

采用导高观测仪观测技术对8309工作面覆岩导水裂隙带进行现场实测，其观测原理示意图如图3所示。

图3 导高现场实测原理图

将相邻的8307工作面联络巷作为现场观测硐室，向8309工作面采空区上方顶板施工导水裂隙带高度观测钻孔。联络巷与8309工作面之间的区段煤柱宽度为20m，钻孔的施工长度应当大于预测的导水裂隙带高度。通过图3中的胶囊将施工的钻孔进行封堵，采用注水控制台向已封堵的钻孔进行注水，根据钻孔漏水量来判定该段岩层裂隙发育程度及导水能力。用分段观测的方法，每段观测高度为1～2m，通过观测每段漏水量最终确定8309工作面导水裂隙带高度。8309工作面观测钻孔布置示意图如图4所示。

图4 8309工作面钻孔布置示意图

共布置3个钻孔，分别为1#、2#、3#钻孔，分别通过不同高度、角度渗水量来确定8309工作面导水裂隙带高度。

3.2 观测结果分析

1#、2#、3#钻孔观测仰角、长度及导水裂隙带高度如表2所示。

表2 钻孔参数及导高值

1#钻孔：

8309工作面覆岩高度为109.2～115.8m范围时，该区域内岩层渗水量为3.5～4.1L/min，小于5L/min，该段岩层渗水量小，导水连通性差，覆岩的裂隙带未发育至此高度。工作面覆岩高度为84～105.7m时，该区域内岩层渗水量为11.7～24.5L/min，部分区域大于20L/min，该段岩层渗水量大，导水连通性好，覆岩裂隙带已发育至此高度。在现场实测中，将1#钻孔实测高度由107.7m降低到105.7m时，岩层渗水量由4.7L/min大幅度上升至14.8L/min。因此，通过1#钻孔现场实测可知，8309工作面覆岩导水裂隙带高度为105.7m。

2#钻孔：

8309工作面覆岩高度为109.9～116.8m范围时，该区域内岩层渗水量为4.3～5.2L/min，小于5L/min，该段岩层渗水量小，导水连通性差，覆岩的裂隙带未发育至此高度。工作面覆岩高度为82.6～108.2m时，该区域内岩层渗水量为11.7～24.5L/min，部分区域大于20L/min，该段岩层渗水量大，导水连通性好，覆岩裂隙带已发育至此高度。在现场实测中，将2#钻孔实测高度由109.9m降低到108.2m时，岩层渗水量由5.6L/min大幅度上升至11.7L/min。因此，通过2#钻孔现场实测可知，8309工作面覆岩导水裂隙带高度为108.2m。

3#钻孔：

8309工作面覆岩高度为109.1～117.4m范围时，该区域内岩层渗水量为3.5～4.1L/min，小于5L/min，该段岩层渗水量小，导水连通性差，覆岩的裂隙带未发育至此高度。工作面覆岩高度为84.9～107.1m时，该区域内岩层渗水量为11.7～24.5L/min，部分区域大于20L/min，该段岩层渗水量大，导水连通性好，覆岩裂隙带已发育至此高度。在现场实测中，将3#钻孔实测高度由109.1m降低到107.1m时，岩层渗水量由3.9L/min大幅度上升至9.1L/min。因此，通过3#钻孔现场实测可知，8309工作面覆岩导水裂隙带高度为107.1m。

1#、2#、3#钻孔观测导水裂隙带高度分别为105.7m、108.2m、107.2m，3个钻孔观测导高之间误差较小，结合8309工作面地质条件，避免发生突水事故。因此，将工作面导水裂隙带高度取3个钻孔观测最大值H=108.2m。