大平煤矿综放开采顶板裂隙带发育规律研究

连跃东,朱 伟

(1. 山西大平煤业有限公司，山西 长治 046200; 2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

水体下压覆煤炭资源在我国各大生产矿区都存在，诸如地表水、松散含水层以及富含水基岩含水层等，都对地下煤层的安全开采造成安全隐患。水体下煤炭资源开采在我国已有60余年的开采研究历史，取得了丰硕的成果，对各类型煤层开采导水裂缝带的发育规律都有了较为准确的掌握，极大程度上保障了煤矿水体下安全开采和顶板水害的综合防治[1-2]。对于厚煤层综放开采工艺，其有着高产高效的优势以及对不良地质条件的高度适应性得到了广泛的应用，关于综放开采导水裂缝带，专家学者进行了较多的研究。导水裂缝带的现场原位探测通常有地面钻探、井下钻探以及物探等方式[3-5]，有时多种方式结合互相验证以确保观测成果的可靠性。滕永海[6]等通过实测研究了潞安矿区厚煤层综放裂缝带发育规律，并与分层开采裂缝带进行了对比分析。刘贵[7]等采用实测和物理模拟研究了彬长矿区特厚煤层综放开采裂缝带发育规律，得到工作面间留设一定宽度隔离煤柱可有效抑制覆岩破坏高度。文献[8-10]分别通过钻探实测、物探以及数值理论方法研究了淮南、康平以及龙口海域综放覆岩破坏规律。许家林[11]等考虑顶板覆岩结构特性，分析了关键层对于导水裂缝带发育的控制作用，并指导解决了现场的生产问题。在此基础上进行了多个地表大型水体下采煤工程实践[12-14]，取得了很好的技术经济效益。

煤层特定开采工艺条件下导水裂缝带发育高度和规律是水体下采煤安全实施的主控因素，关系到防水安全煤岩柱的留设、开采工艺的选择和防治水工作的开展。大平煤矿近期规划开采浊漳河下压煤资源，矿井尚缺乏综放开采导水裂缝带实测资料。本文以该矿3108工作面为观测试验工作面，采用地面钻孔冲洗液漏失量观测方法探测综放开采覆岩破坏的发育特征，为浊漳河下安全开采提供科学依据。

1 地质采矿条件

大平煤矿为山西煤炭进出口集团和个人联合持股煤炭开采企业，年生产能力120万t，主采二叠系下统3#煤层，厚度5.8～6.0 m，倾角2～5°，采用综采放顶煤工艺，全部陷落法管理顶板。本次观测试验工作面为一采区北翼3108工作面，工作面宽度196 m，推进长度290 m。地表较为平坦，平均标高约+886 m，3#煤层底板标高约+570～575 m，钻孔揭露第四系厚15～20 m。本矿井位于沁水煤田，属于典型的石炭二叠系含煤地层，顶板覆岩主要以各类砂岩、泥岩和砂泥岩为主，交互沉积，其中,顶板主要含水层为K8砂岩含水层以及K10砂岩含水层，距离煤层顶板约30 m和96 m。3108工作面距离浊漳河河床较近，地表潜水位较高，工作面开采后形成了大面积塌陷积水区，最大积水深度达到4 m，如图1所示。

图1 观测孔布设位置图

2 综放裂缝带高度原位探测

覆岩破坏地面钻探勘测通过在采空区代表性的位置施工钻孔，观测钻进过程中水文参数包括冲洗液消耗量以及钻探水位等和异常钻探现象来综合分析确定裂缝带发育高度，其探测原理如图2所示，该探测方法可以准确测定水文参数随顶板深度的变化规律。到目前为止，国内已进行了约500个导水裂缝带高度探测钻孔，为准确掌握覆岩破坏规律提供了基础资料。

L—工作面宽度；h1—垮落带；h2—裂隙带；h3—弯曲带；H—埋深
图2裂缝带发育与钻探探测示意图

为了获得综放导水裂缝带发育高度，大平煤矿在3108工作面布设了D1和D2两个钻孔(图1)，位于运巷内侧20 m，距离切眼位置超过100 m，满足布孔要求。根据钻孔水文观测数据，绘制了各观测参数随钻孔深度的变化曲线，如图3(D1钻孔为例)所示，以掌握水文参数随孔深不断向煤层采空区接近变化情况，确定不同层位岩层破坏和裂隙发育情况。

图3 D1钻孔水文参数与钻进深度关系图

D1钻孔在钻进深度160 m进尺以上冲洗液消循环正常，消耗量非常小，约为0.01～0.03m3/m(每钻进1 m消耗冲洗液立方数)，观测提钻后水位为2.4～3.6 m。可以看出该段地层中原生裂隙不发育，岩层导水性较差。160～190 m进尺区间内，取芯钻进冲洗液消耗量有所增大，约为0.03～0.26 m3/m，但冲洗液循环正常；提钻后孔内水位3.6～5.3 m，有下降趋势，幅度较小；注水试验显示基本不漏失。继续取芯钻进190～220 m层段，冲洗液消耗量呈现明显增加，孔内返浆量明显减小，特别是在孔深194 m处，冲洗液消耗量从0.3 m3/m突增至1.7 m3/m，向下消耗量大幅度增加，至208 m孔内冲洗液循环中断。提钻后水位下降较快，由6.4 m陡增至24 m，下降幅度逐渐加大，至孔深203 m水位已下降至86 m，至212 m孔内水完全漏失，测不到水位。特别在经过孔深192～200 m层段，有轻微卡钻现象，钻取岩芯出现纵向高角度裂缝，岩芯裂隙较发育，如图4所示。种种现象显示钻孔已联通下部开采导水裂缝带。

图4 D1钻孔裂缝带顶界面位置岩层裂隙情况

通过分析各水文观测数据成果，按照水文参数变化的起点作为确定导水裂缝带高度的依据，D1钻孔顶板深度约为304 m，导水裂缝带发育顶点孔深为192.38 m，该孔裂缝带高度约为304-192.38=111.62 m。两个钻孔观测数据综合分析成果如表1所示。

表1 裂缝带高度观测成果表

通过对D1和D2两个综放观测孔水文观测数据综合分析，3108工作面综放导水裂缝带发育高度为顶板以上105.53～112.62 m，裂采比为19.18～19.42。综放开采覆岩导水裂缝带发育较为充分和剧烈，由于3108工作面开采地表塌陷积水情况下，井下未发生涌水量异常增大情况，因此从生产实际佐证了导水裂缝带高度远小于顶板岩层厚度，并未与地表水体导通。

3 综放开采覆岩破坏裂缝带发育规律

大平煤矿地理位置属于山西沁水煤田潞安矿区，其地质采矿条件与相邻潞安矿区煤矿相差无几，开采煤层均为二叠系下统山西组3#煤层，开采工艺为综采放顶煤，全部陷落法管理顶板，将类似地质采矿条件下厚煤层综放开采导水裂缝带观测结果进行类比分析，如表2所示。

可以看出，大平煤矿所在潞安矿区综放开采导水裂缝带实测结果具有较好的集中性。在采厚5.2～6.0 m情况下，实测裂缝带绝对高度达到顶板以上102.27～116.3 m，综合各矿裂采比均值为19.54。采用回归方法，获取导水裂缝带最大高度计算经验公式如下：

Hli=20 M(1)

式中,M为煤层综放有效采厚，m。以式(1)计算大平煤矿综放开采导水裂缝带最大发育高度，可作为地表河流水体下采煤防水安全煤岩柱的留设依据。

表2沁水煤田潞安矿区综放覆岩破坏实测结果

4 岩石力学性质试验

钻孔钻进过程中，对部分岩层进行了取芯，取芯段深度主要位于风化带以下裂缝带顶界面以上纵向空间，这部分岩层将承担阻隔地表水下渗的作用，研究此段岩层的岩性以及隔水特性具有重要意义。通过取芯情况可以看出，所取岩芯为各类砂岩、泥岩交互沉积，其中泥岩覆存比例较高，达到50%以上。部分岩石物理力学试验结果如表3所示。

表3岩石力学试验成果表

通过两个钻孔取样岩石力学试验结果可知，各岩层均有吸水软化现象，软化系数为0.29～0.85，低于0.5的试件占比达到70%，岩层遇水软化膨胀，极大地限制了导水裂缝带在岩层中的上位扩展，堵塞了上覆水体的渗流通道，具有很好的阻隔水性能，对地表浊漳河下开采比较有利。

5 结 论

(1)大平煤矿3#厚煤层综放开采导水裂缝带实测高度为顶板以上105.53～112.62 m，裂采比为19.18～19.42，厚煤层综放裂隙带高度发育较为剧烈，综放裂缝带高度与采厚基本成正比，具有统一性。经验公式可以作为相关煤柱留设依据。

(2)岩石力学实验表明，裂缝带顶界面以上岩层具有软化特征，岩层隔水性能良好，有利于抑制导水裂缝带发育扩展。

(3)研究成果为下一步矿井浊漳河下压煤资源开采和顶板水害防治提供了科学依据和技术支撑。