伊犁矿区覆岩“两带”发育特征及对工作面涌水的影响研究

2021-07-27崔志中崔树彬

煤炭工程 2021年7期

崔志中，崔树彬

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开发国家重点实验室，江苏徐州 221116；3.新汶矿业集团有限责任公司创新研究院，山东新泰 271200)

煤层开采打破了围岩原始应力平衡，顶板失稳后发生断裂、垮落等非连续变形，产生采动裂隙并逐步向上发展，该范围岩体渗透性大大增强，移沟通上部含水层成为工作面的直接充水水源。因此，覆岩破坏特征是水体下采煤成功与否的关键因素，也是确定合理采厚和防水安全的重要判据。准确掌握覆岩破坏特征是实现水体下安全开采的必要前提。采动影响下的覆岩破坏是一个极其复杂的灾害力学问题，诸多学者对采动岩体裂隙发育及其扩展规律等做了深入研究。谢和平[1-3]研究了采动岩体分形裂隙网络随采宽增加的演化规律；余学义等[4-6]阐述了覆岩中关键结构层稳定条件与采动损害之间的关系；张玉军等[7-9]研究得出了多分层开采后的覆岩裂隙演化特征，推导出水平分层综放开采导水断裂带高度预计公式；肖乐乐等[10]分析了薄基岩浅埋厚煤层综放条件下的覆岩运移破坏过程，得到了采动裂隙发育规律；刘涛[11]对浅埋薄基岩煤层上覆顶板在回采动压影响下的稳定性及隔水性进行了相关研究；王振荣等[12]提出多煤层重复采动条件下导水裂隙带高度的观测方法，并以此研究了重复采动条件下的覆岩运移对导水裂隙带的影响规律；曾一凡等[13]研究得出风化会进一步增加基岩富水性，并修正了导水裂隙带的计算公式；邢延团[14]研究了巨厚洛河组下煤层开采，得出采高变化时导水裂隙带高度并没有明显变化，发育范围主要受覆岩关键层控制，而薄基岩条件下基岩内很难形成自稳结构，随工作面推进全厚度断裂[15]。

但上述研究成果集中在我国东部矿区，如兖州、徐州、皖北、两淮、平庄等矿区，为实现水体下安全开采、提高煤层开采上限和资源回收率起到了促进作用。而我国新疆地区煤炭资源开发较晚，覆岩破坏实测工作仍处于起步阶段，实测数据严重缺乏，覆岩破坏特征尚未研究清楚，给矿井的防治水工作带来了极大困难，煤炭资源不能高效开采，制约了新疆地区煤炭产能的发挥。伊犁矿区煤层厚度大、埋深浅，基岩具有薄且软的沉积特征，地表第四系孔隙含水层是本区中等富水含水层。煤层采厚均在5m以上，高强度开采加剧了覆岩采动裂隙的发育高度和破坏程度，导致工作面涌水量巨大。因此，亟需开展伊犁矿区覆岩破坏特征研究，准确掌握采动裂隙发育形态，分析矿井充水规律并合理评价煤层开采对覆岩含水层的影响，为矿井安全开采提供重要依据。

1 工程地质概况

伊犁四矿21-1煤为矿井首采煤层，位于侏罗系水西沟群下统八道湾组上段(J1b2)，八道湾组(J1b)为属陆相碎屑岩沉积，分为上下两段，厚度58.03～506.86m，平均256.37m。21-1煤厚度约为8.24m，其上部为灰色中砂岩，分层厚度57.36m，岩石遇水易松散，岩层柱状如图1所示。

图1 岩层柱状

矿井首采面21103工作面位于11采区南部+660m水平，走向长1700m，倾斜宽120m，倾角4°～9°，平均6°，煤层厚度8.5～4.8m，平均7.1m，埋深55～140m，平均埋深约102m，煤层顶底板岩性均属软岩。工作面范围内古近系砂砾岩层普遍发育，可通过冒裂带成为开采煤21-1的直接或间接充水因素。含水层水位标高约+805.5m，水头高度为17～74m，平均46m。工作面顶板基岩隔水层厚度为37～55m，平均44m，基岩岩性为泥岩、粉砂岩及细砂岩交互构成，透水性差，具良好的隔水性。

2 工作面涌水规律

21103工作面正常推进速度为8m/d，但回采过程中受地质构造、管理等因素，推进速度快慢不一，导致过程中涌水量变化明显，可分为以下阶段：

初期少量涌水阶段：正常推进速度为8m/d，在0～500m范围内工作面匀速正常推进，顶板出现规律性冒落，但0～245m范围内的覆岩中古近系砂砾岩层发育不明显，工作面充水条件不足，涌水量极小。推进245～500m范围开始进入进入含水层下开采，下端头架后顶板首次出现淋水，水量较小(1～3m3/h)，其它地方未出现淋水现象，其原因是此处支护强度较大，顶板冒落不及时，裂隙带向上发育时间长，导水通道发育不完全。

中期大量涌水阶段：此事工作面推进速度出现变化，导致覆岩破断规律出现异常，由此导致工作面的涌水量起伏明显，推进速度越慢，覆岩裂隙发育越充分，工作面涌水量越大。当工作面推进至500m时，回风巷推采速度慢，而运输巷正在调采，对回风巷侧顶板重复扰动，使裂隙带发育高度增大，从而导通含水层，在上端头架后顶板同样出现淋水，最大涌水量23m3/h；当工作面推至756m时短时间停采，顶板处于长时间悬臂状态，裂隙带向上发育充分，工作面整体出现淋水，工作面最大涌水量37m3/h，24h后水量减小至3m3/h。

末期涌水稳定阶段：工作面推采基本结束，覆岩破坏时间变长，覆岩裂隙以向上发展为主，导水裂隙带发育高度缓慢稳定增加，等发育至一定高度后覆岩结构稳定，使得工作面的涌水量出现缓慢增加-稳定的变化规律。工作面推进至1663m时(距终采线15m)，推采速度减慢，覆岩破坏时间变长，工作面初始涌水量为8m3/h，之后逐渐增大至20.5m3/h，随后减小至12.4m3/h并稳定。工作面回撤过程中，由于支架撤出使顶板冒落，撤出速度慢，使裂隙带向上发育，从而出现淋水情况，自下端头往上撤至11#支架时下端头冒落，冒落区出现涌水，初始涌水量为33m3/h，之后涌水量减小稳定至28m3/h。

3 覆岩运移特征实测方案

3.1 观测方法

钻孔冲洗液漏失量观测方法(简称钻孔冲洗液法)通过直接观测钻进过程中的钻孔冲洗液漏失量、钻孔水位、钻进速度、钻进异常情况(卡钻、掉钻、钻孔吸风)、钻探取芯和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[16]。采用GD3Q-GR型钻孔全孔壁成像系统，该系统采用反光锥镜摄取360°孔壁图像，由计算机对图像进行采集处理，形成连续的全孔壁展开图像[17，18]。

3.2 钻孔结构设计

覆岩破坏观测采后钻孔设计开孔直径168mm，套管直径127mm，为了满足观测段钻孔电视对孔径的要求，基岩观测段直径不低于91mm。

3.3 钻孔位置

根据工作面推进过程中的涌水规律及21103工作面采空区地表地形施工条件，确定在距工作面切眼500m和800m的位置施工观测孔CH01孔、CH02孔，如图2所示。CH01观测孔在工作面倾向上距离运输巷18m，CH02观测孔在工作面倾向上距离回风巷24m，2个采后观测孔按距离切眼的距离由远及近先后施工。

图2 21103工作面覆岩破坏观测孔位置

4 观测结果分析

4.1 覆岩特性分析

CH01钻孔地表标高+893.00m，终孔深度为65.78m，揭露的第四系地层厚23.29m，岩性以粘土、沙土为主；古近系地层厚4.43m，岩性以砂砾、粘土为主；侏罗系下统八道湾组上段38.06m，岩性由粘土岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩组成。CH02钻孔地表标高+910.00m，终孔深度为77.15m，揭露的第四系地层厚35.66m，岩性以粉砂土为主；古近系地层厚1.20m，岩性以砂砾为主；侏罗系下统八道湾组上段40.29m，岩性由粘土岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩组成。由此可以看出，煤层顶部直至地表全范围内均为软弱岩层，无关键层控制覆岩运移，工作面回采后弯曲下沉带缺失。

4.2 钻孔冲洗液漏失量观测结果分析

4.2.1 CH01钻孔观测结果及分析

CH01钻孔钻进至孔深39.53m时反液量开始变小，在孔深40.03～41.03m段，钻孔冲洗液消耗量为0.054～0.207l/s·m，表明此段岩层裂缝不发育；从孔深41.24m开始，钻孔冲洗液消耗量增大至0.983L/s·m，随后在孔深41.59m处略减小至0.710L/s·m，在孔深41.73m消耗量增大至1.983L/s·m，在孔深41.98m处钻孔冲洗液处于临界返水状态，在孔深42.34m处冲洗液循环彻底终止。钻孔水位则从孔深41.24m处由距离孔底40.04m迅速下降至距离孔底11.19m，在孔深42.34～56.72m段水位距离孔底只有1.27～2.87m，至孔深59.62m后观测不到水位，如图3所示。

图3 CH01孔冲洗液漏失量和钻孔水位变化曲线

钻探取芯结果显示：在孔深39.34～49.51m层段岩芯较完整，岩性为粘土岩、细砂岩和粉砂岩，可见轻微的次生裂缝，裂缝面新鲜、无充填物，表现为采动裂缝发育特征，如图4所示。钻孔在钻进至50.7m之后多次出现掉钻甚至轻微卡钻现象，起钻后岩芯破碎，多呈碎块状，下部层段岩芯基本已失去原有层序性，如图5所示。

图4 CH01钻孔39.34～49.51m段岩芯照片

图5 CH01钻孔50.45～55.87m段破碎岩芯照片

上述层段出现冲洗液漏失及钻孔水位大幅下降直至孔内水位全部消失的现象是覆岩受到采动破坏性影响，覆岩采动裂隙延伸扩展，改变了岩层原有的完整性，增加了岩层渗透性，使得钻孔冲洗液漏失量增加，直至循环中断、孔内水位全部漏失。由于冲洗液消耗出现在钻孔自套管底部继续往下钻进初期39.53m处，因此认为裂隙带顶点位置应在39.53m处。钻孔在钻进至50.70m之后多次出现掉钻甚至轻微卡钻现象，起钻后岩芯破碎，多呈碎块状，可以初步判定垮落带顶点在孔深50.70m处。

4.2.2 CH02钻孔观测结果及分析

CH02钻孔的冲洗液漏失量从孔深57.24m开始变小至孔深59.14m全部漏失且不再返水，钻孔水位变化的观测从孔深57.24m开始至孔深64.58m观测不到水位，如图6所示。

图6 CH02孔冲洗液漏失量和钻孔水位变化

钻探取芯反映在孔深57.34～64.02m层段岩芯较完整，岩性为粘土岩、细砂岩和粉砂岩，可见轻微的次生裂缝，裂缝面新鲜、无充填物，表现为采动裂缝发育特征。钻孔在钻进至64.21m之后多次出现掉钻甚至轻微卡钻现象，起钻后岩芯破碎，多呈碎块状，下部层段岩芯基本已失去原有层序性。由于煤层处于浅埋深薄基岩的沉积环境，冲洗液漏失量在57.24m开始变小，因此认为裂隙带顶点位置应在套管底部以下，在孔深57.24m位置；钻孔在钻进至64.21m之后同样多次出现掉钻甚至轻微卡钻现象，起钻后岩芯破碎，多呈碎块状，可以初步判定垮落带顶点在孔深64.21m。

4.3 覆岩采动破坏钻孔彩色电视成像观测

4.3.1 CH01钻孔彩色电视探测成果分析

通过CH01钻孔的彩色电视探测，如图7所示，钻孔数据可以直观地看到在观测段的孔壁上是否有由于受采动而发育的孔洞和裂隙，从裂隙的发育规模与形态上，可分辨出裂隙是否为采动裂隙。

图7 CH01钻孔彩色电视探测成果

从图7可知，钻孔孔壁在39.36m以上，钻孔孔壁较光滑，39.36m至50.44m处钻孔孔壁有较明显的裂隙，50.44m以下钻孔孔壁呈现出明显的采动冐落特征，因此从钻孔孔壁的破坏程度，也直观的反应了岩层的冒落特征，即裂隙带顶点位置应在39.36m处，垮落带顶点位置应在50.44m处。

4.3.2 CH02钻孔彩色电视探测成果分析

CH02钻孔数据采集自孔深44.90m开始至71.10m结束，观测段长度26.20m。根据探测资料，可以直观地看到在观测段的孔壁上发育有规模不等的孔洞和裂隙，从裂隙的发育规模与形态上，可分辨出裂隙是否为采动裂隙，CH02钻孔与CH01钻孔方法相同，在此不再赘述。根据钻孔电视成像资料反映的采动裂隙的发育程度与分布特征，同样明显看出CH02孔的垮落带顶点位于孔深64.96m，裂隙带顶点位于孔深57.49m。

综上所述，受覆岩厚度及岩性影响，工作面采空区上部仅存在“两带”，即垮落带和裂隙带，无形成弯曲下沉带的覆岩条件。在CH01孔位置采空区的裂隙带顶点位置约为孔深39.5m处，垮落带顶点约在孔深50.5m处，该处21-1煤层顶部埋深约为63.0m，因此该处采空区垮落带高度12.5m，裂隙带高度为23.5m。CH02孔位置采空区的裂隙带顶点位置约为孔深57.4m处，垮落带顶点约在孔深64.5m处，该处21-1煤层顶部埋深约为73.2m，因此该处采空区垮落带高度8.7m，裂隙带高度为15.8m。

5 覆岩运移对工作面涌水的影响

观测中，CH01孔对应工作面调采期间，工作面推进速度慢，导致覆岩变形破坏时间长、采动裂隙发育丰富，“两带”发育高度大与含水层沟通，导致工作面涌水量较大。而CH02孔对应工作面均匀快速推采过程，该过程中均未出现涌水现象，并且地面随周期来压出现有规律的沉陷。

沉陷步距与周期垮落步距相同，说明软弱覆岩随采随冒，加之推采速度快，裂隙发育刚开始顶板就周期整体性垮落，如图8所示，其中泥岩、粉砂岩等软岩在垮落后快速压实，弥合裂隙导水通道，减小了水害威胁。

图8 薄基软岩煤层大面积采空区覆岩破坏发育形态预想

结合21103工作面两带观测和工作面出水分析，对21111工作面设计与支护方案进行优化，以减少21111工作面推进过程中的涌水量及可能发生的安全事故。该工作面位于矿井+625m水平11采区西南部，位于21103工作面西部，如图9所示。

图9 工作面位置关系

一方面将工作面设计为利于快速推采的规整的长方形，推采速度控制在每班3刀，一天9刀的快速匀速的速度，保证冒落步距合理；另一方面对巷道顶板破碎的区域进行加强支护，利于推采后上运输巷随周期来压能快速冒落。截止2019年7月底已经推采800m，回采以来，工作面未出现出水现象，并且地面沉陷步距和垮落步距一致，表明工作面设计、支护方案及推采速度比较合理，保证了工作面顶板和地面的周期、快速、整体冒落。