王台铺煤矿条带开采覆岩“三带”高度实测研究

苌 珂

（晋城煤业集团寺河矿，山西 沁水 048000）

井工开采中覆岩“三带”的研究对于生产作业安全、矿山环境保护及地表复垦等具有重要意义，多年来一直是研究的重点方向[1-2]。然而现有研究多数集中在长壁垮落法工作面方面，对于条带开采覆岩“三带”的研究较少[3]。本文以王台铺煤矿XV2317 南条带工作面为研究背景，通过采用井下压水试验法对条带开采后覆岩的“三带”高度进行实测分析。

1 工程概况

XV2317 南条带工作面处于朝天宫村西北部，徐家岭村东部，西王台村北部，王台铺矿排矸井筒西侧。工作面位于二水平二盘区，煤层底板标高为+634～+646 m，地面标高为+815～+867.5 m。工作面走向长度为344.54～348.32 m，倾向长度为133～184.76 m，面积为54 740.5 m2。XV2317 工作面所采煤层为15#煤层，回采范围内煤层总厚度为1.8～3 m，平均厚度为2.7 m。煤层倾角为1°～3°，平均1.5°。煤层黑色，亮煤，碎块状，半金属光泽，裂隙较发育，夹矸为泥岩，属于较稳定煤层。煤层普氏硬度为2～4，夹矸普氏硬度为1～2。

煤层无伪顶，煤层直接顶、老顶均为石灰岩，厚8.33 m，深灰色，致密，中厚层状，隐晶质结构，上部裂隙发育，方解石脉充填，含蜓类化石；直接底为铝土泥岩，厚7.71 m，浅灰～灰白色，致密，块状，具滑面，有滑感，底部含黄铁矿结核丰富；老底为石灰岩，深灰色，中厚层状，细晶结构，少量裂隙，方解石脉充填，顶部裂隙面含少量黄铁矿斑晶。

2 实测方法及方案

2.1 实测方法

压水实验作为测量覆岩“三带”范围的一种有效技术手段已被广泛应用，总体来说，可以划分为井下压水试验和地表压水试验两类。由于井下压水试验具有施工量小、施工简便、试验周期短等显著优点，且在钻孔位置的选择及方向精度的控制方面具有无可比拟的优势，因此在现场测试方面得到广泛应用。

井下压水试验的试验原理为通过在巷道向采空区内顶板岩层打设钻孔，通过压水试验过程中获得的流速及注水压力等数据判定岩层内孔隙及裂隙发育情况，进而掌握覆岩“三带”的发育范围。为实现端头堵漏，钻孔施工过程中孔底位置应高于覆岩裂隙带范围，钻孔孔底一般应高于裂隙带最高处10～20 m。测试时，钻孔两端应该施工堵漏，并采用分段加压注水的方法分别测试钻孔不同位置的流速及注水压力等指标。最终，通过对钻孔不同位置的注水流速及压力等数据进行分析，确定“三带”的发育范围。一般而言，流速大且漏水量大的位置就是裂隙高度发育的位置，反之，岩层完整性较好。井下压水试验法如图1。

图1 井下压水试验法

2.2 实测方案

为测试XV2317 南条带工作面覆岩“三带”分布特征，在工作面的回风及运输巷（XV23173）设计并施工两个压水钻孔，分别编号为1#和2#。1#钻孔深度77 m，2#钻孔深度81 m，两钻孔均按一定倾角打入工作面侧顶板岩层内，倾角分别为58°和66°。施工过程中，钻孔开口先使用Φ140 mm 钻头钻进，当钻孔穿过垮落带范围后，在钻孔内安装Φ120 mm 套管，并在套管外侧焊接配套的法兰盘及闸阀，后使用高标号水泥将钻孔外壁与空隙进行密封处理。最后，采用Φ95 mm 钻头钻进至钻孔终孔，并关闭套管闸阀，从而防止采空区积水及有毒有害气体通过钻孔涌入工作面。

3 实测结果分析

为保证试验测得的注水流速及压力等指标具有可对比性，试验过程中应保证每次注水水头压力（0.5 MPa）及注水时间（30 min）保持不变，并记录试验过程中的钻孔深度、流速、注水压力及压水时间等数据。

3.1 1#钻孔分析

1#钻孔试验得到的详细数据见表1。根据表1数据可以绘制出XV2317 南工作面1#钻孔不同深度处的流速曲线，如图2。

表1 XV2317 南工作面1#钻孔实测数据

图2 XV2317 南工作面1#钻孔流速曲线

由图2 及表1 可知，随着钻孔深度的增加，流速基本呈降低趋势。当钻孔深度小于15 m 时，注水流速大于12 L/min，而注水压力在0.50 MPa 以下。这表明该范围内岩体较为破碎，岩层内裂隙十分发育。当钻孔深度处于20～60 m 范围时，注水流速相较于钻孔深度小于15 m 时急剧降低，注水流速为4～8 L/min，注水压力为0.6～0.9 MPa。这表明相较于钻孔浅处位置岩层，该位置处岩层裂隙发育程度明显降低。当钻孔深度大于65 m 时，注水流速大大降低，流速基本处于1.2 L/min 以下，注水压力则增高至1.2 MPa 以上。这表明该位置处岩层节理裂隙极不发育。综上，可以认为钻孔深度15～20 m 位置对应于垮落带与裂隙带的分界处，钻孔深度60～65 m 位置对应于裂隙带与弯曲下沉带分界处。根据1#钻孔倾角计算得出垮落带范围为12.45～16.6 m，裂隙带最高位于49.80～53.95 m。

3.2 2#钻孔分析

2#钻孔试验得到的详细数据见表2。根据表2数据可以绘制出XV2317 南工作面2#钻孔不同深度处的流速曲线，如图3。

表2 XV2317 南工作面2#钻孔实测数据

图3 XV2317 南工作面2#钻孔流速曲线

由图3 及表2 可知，当钻孔深度小于10 m 时，注水流速大于11.5 L/min，而注水压力在0.47 MPa 以下。这表明该范围内岩体较为破碎，岩层内裂隙十分发育。当钻孔深度处于15～65 m 范围时，注水流速相较于钻孔深度小于10 m 时急剧降低，注水流速为2.5～7.5 L/min，注水压力为0.6～0.8 MPa。这表明相较于钻孔浅处位置岩层，该位置处的岩层裂隙发育程度明显降低。当钻孔深度大于65 m 时，注水流速大大降低，流速基本处于0.6 L/min 以下，而注水压力则增高至0.9 MPa 以上。这表明该位置处岩层节理裂隙极不发育。综上，可以认为钻孔深度10～15 m 位置对应于垮落带与裂隙带的分界处，钻孔深度65～70 m 位置对应于裂隙带与弯曲下沉带分界处。根据2#钻孔倾角计算得出垮落带范围为8.8～13.2 m，裂隙带最高位于57.2～61.6 m。

4 结论

根据1#钻孔计算得出垮落带位于煤层上方12.45～16.6 m 范围内，裂隙带最高位于煤层上方49.80～53.95 m 处。根据2#钻孔计算得出垮落带位于煤层上方8.8～13.2 m，裂隙带最高位于煤层上方57.2～61.6 m 位置处。综合两钻孔结果可以确定XV2317 南条带工作面垮落带高度约为8.8～16.6 m，裂隙带上限为49.8～61.6 m。