采动覆岩裂隙时空演化钻孔流量探测研究

任 强

(淮北矿业股份有限公司 孙疃煤矿， 安徽 淮北 235000)

煤层采后，覆岩裂隙发育特征及采空区稳定时间对采场及巷道围岩的控制和工作面回采时序起着关键指导作用。目前对于覆岩裂隙探测方法主要有：并行电法探测、钻孔冲洗液漏失量测试、钻孔彩色电视观测、分布式光纤监测、井下瞬变电磁法、微震监测法、预测分析法[1-8]，这些方法从不同方面给出了煤层采后覆岩裂隙发育规律，并成功指导了现场实践。

在覆岩裂隙带发育高度预测方法方面，诸多学者开展了相应的研究工作。陈佩佩等[9]选取采高、基岩柱厚度、倾角、顶板单轴压强度、泥岩比例和覆岩结构6种因素作为导水断裂带预测模型的影响因子，基于非线性理论的人工神经网络技术建立导水断裂带高度预测模型。杨国勇等[10]采用模糊聚类方法研究了开采厚度、开采深度、工作面斜长、岩石抗压强度、岩层组合特征等因素对覆岩裂隙带影响权重。张云峰等[11]基于RBF神经网络，研究了采厚、覆岩性质及其组合结构、工作面参数等影响因素与导水断裂带的关系，建立了适用于综放开采的导水断裂带高度预计模型。黄欢等[12]综合分析开采深度、煤层倾角、开采厚度、走向长度、倾斜长度、顶板岩性等变量的影响，基于偏最小二乘回归法建立导水裂缝带高度预测模型。然而对于特定地质条件下采动覆岩裂隙在时间及空间演化特征的研究还不充分，而这些问题又与采场围岩控制、巷道围岩控制及回采工作面布置时序密切相关。本文采用自主研发的“裂隙发育钻孔流量测试仪”，在时间和空间两个维度探测了采后覆岩裂隙高度，为认识和掌握覆岩裂隙时空演化特征及实现煤矿安全高效生产提供技术支持。

1 采动覆岩“三带”分布特征

煤层开采后，将采空区上方经采动影响稳定后的岩层按破坏程度分为：顶板垮落带、裂隙带和整体弯曲下沉带等。顶板“三带”的分布见图1.

1—垮落带；2—裂隙带；3—整体弯曲下沉带图1 采动覆岩 “三带”图

1) 垮落带。

直接顶垮塌后形成的垮落带发育的高度取决于顶板覆岩的岩石力学性质，其高度一般为采高的2～5倍。顶板覆岩越松散，抗拉强度越低，垮落带的高度就越大；岩石越坚硬、抗拉强度越高、碎胀系数越小，垮落带高度就越小。常用计算法和经验法确定垮落带的高度。

2) 裂隙带。

裂隙带是指在采空区上覆岩层中产生裂隙、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。在空间上，该范围内的岩层不仅发育垂直于层内裂隙，而且发育沿岩层面的离层裂隙。裂隙发育的规模及大小除取决于岩层所受应力大小和岩层自身力学性质外，还与其所处的空间位置及厚度密切相关。垮落带和导水裂缝带俗称为顶板“两带”。

3) 整体弯曲下沉带。

整体弯曲下沉带在时间上滞后采场推进时间，弯曲下沉速度较缓慢。在弯曲下沉带内部岩层中发育有极少量规模较小的离层裂隙，其最终表现是在地面形成沉降。弯曲下沉带在垂向上受拉张应力而弯曲，横向上受挤压应力而被压缩，具有较好的隔水性。

2 覆岩裂隙探测方案

2.1 工程概况

童亭煤矿1095工作面位于-400 m上水平109采区，开采10煤，该面地面标高+27.13 m，巷道标高-373.4～-425.3 m. 工作面走向长1 530～1 620 m，平均1 575 m；倾斜宽164～166 m，平均165 m.

根据现有资料及附近钻孔分析，煤厚1.0～4.7 m，平均3.6 m. 该面煤层倾角为4°～10°，平均6°. 1095工作面综合柱状表见表1.

表1 1095工作面综合柱状表

2.2 钻孔流量测试技术

为了获得1095工作面覆岩破坏“裂隙带”发育特征，采用钻孔注水流量测试法进行测试。具体方法是在工作面巷道中施工若干个钻孔，在钻孔中布置流量测试仪，根据钻孔流量探测覆岩裂隙发育特征。根据覆岩裂隙流量测试数据，判定覆岩裂隙发育高度及稳定时间。此次覆岩裂高探测仪器采用自主研发的“裂隙发育钻孔流量测试仪”，见图2.

图2 裂隙发育钻孔流量测试仪图

2.3 裂隙探测钻孔施工参数

钻孔孔径108 mm. 1095工作面各钻孔设计施工参数见图3.

图3 1095工作面钻孔布置参数示意图

3 覆岩裂隙时空演化特征

“裂隙带”指“垮落带”以上，该带岩层裂隙普遍发育，横向纵向导水性好，在该带范围内，岩层裂隙发育部位钻孔测试水流量大；岩层保持完整的部位钻孔测试水流量非常小，甚至为零。导水裂隙带上方的“弯曲下沉带”内，岩层中较少有裂隙发育，但由于下部岩层冒落，其上岩层会向下弯曲下沉，在岩层界面附近常有裂隙或真空离层发育，随着上部岩层的下沉，先形成的裂隙或离层会有所闭合，在离层裂隙发育阶段，钻孔测试时会有部分水流量，但水流量较小。因此，可以通过测试钻孔水流量大小来分析覆岩裂隙时空演化规律。

1095工作面收作时间为2020年8月13日，裂高发育测试分为3次，第一次时间为2020年10月8号，第二次时间为2021年1月10日，第三次时间为2021年5月16日。钻孔第一次钻取时间选在工作面收作1月后，实测数据为1095面机巷联巷中布置的3#—6#孔。

将4个钻孔不同时期实测数据分别绘制成钻孔高程与流量，见图4，5,6，7，以3#钻孔流量测试数据为例，分析如下：

图4 3#钻孔不同时期各段测试流量图

图5 4#钻孔不同时期各段测试流量图

图6 5#钻孔不同时期各段测试流量图

图7 6#钻孔不同时期各段测试流量图

1) 停采线位置3#钻孔流量测试数据分析。

a) 第一次测试3#钻孔水流量时，钻孔49.2 m高程以上，其每分钟水流量为3 000 mL左右；钻孔49.2～44.6 m高程间，钻孔每分钟水流量均在10 000 mL以上，最大流量达51 342 mL. 据此可知，1095工作面收作56天后，3#钻孔裂隙带最大发育高度为49.2 m.

b) 第一次测试结束后94天，开展3#钻孔水流量第二次测试工作。由测试数据可见，钻孔47.1 m高程以上，其每分钟水流量为5 000 mL左右；钻孔47.1～45.8 m高程间，钻孔每分钟水流量均在30 000 mL以上，最大流量达47 209 mL. 据此可知，1095工作面收作150天后，3#钻孔裂隙带最大发育高度降为47.1 m.

c) 第二次测试结束后126天，开展3#钻孔水流量第三次测试工作。由测试数据可见，钻孔43.2 m高程以上，其每分钟水流量为2 000 mL左右；钻孔43.2～41.9 m高程间，钻孔每分钟水流量均在40 000 mL以上，最大流量达71 561 mL. 据此可知，1095工作面收作276天后，3#钻孔裂隙带最大发育高度降为43.2 m.

2) 不同时期钻孔流量测试对比。

停采线位置3#钻孔，第二次钻孔流量测试数据相比于第一次，流量减小平均为33.4%；第三次钻孔流量测试数据相比于第二次，流量减小平均为12.3%.

上述数据表明，煤层回采后，其上覆岩层产生不同程度的冒落及裂隙发育，随着时间的推移，垮落的矸石被逐渐压实，裂隙及离层空间逐渐闭合。

3) 绘制停采线位置各钻孔裂隙发育最大高度与时间关系曲线图，见图8. 由图8可知，除3#钻孔外，其余各钻孔停采线位置覆岩裂隙最大发育高度值第二次与第三次相同，即煤层停采150天后，采空区上覆岩层移动逐渐趋于稳定，裂隙带最大发育高度不再有明显的变化。

图8 各钻孔最大裂隙高度随时间变化曲线图

4) 将4个钻孔按剖面位置，把裂隙带高度连线，绘制成裂隙带发育曲线，见图9. 由图9可知，1095工作面收作276天后停采线位置裂隙带最大高度为45.5 m.

图9 1095工作面停采线位置裂隙带高度示意图

4 结 论

1) 采用自主研制的“裂隙发育钻孔流量测试仪”测取了童亭矿1095工作面停采线位置钻孔流量数据，获得了工作面停采线位置覆岩裂隙时空演化规律。

2) 停采线位置4#—6#钻孔覆岩裂隙带最大高度三次测试结果为：工作面收作56天后的第一次测试值最大；工作面收作150天和276天后的第二次与第三次测试值一致。工作面停采位置钻孔3次流量测试数据表明，1095工作面收作150天后，上覆岩层移动逐渐趋于稳定，裂隙最大发育高度不再有明显的变化。

3) 停采线位置覆岩裂隙发育时空规律的有效获取，为下个区段风、机巷合理掘进时间的选取提供了有益参考，从而避免因采空区覆岩移动尚未稳定便开始巷道掘进，导致巷道围岩变形量过大，造成巷道掘进成本增大及安全隐患等问题；或因等待采空区覆岩移动稳定时间过长造成矿井采掘接替紧张等问题。