浅埋煤层综采面覆岩破坏规律的钻探实测研究

蔚保宁 黄庆享

摘 要：為研究浅埋综采工作面上覆岩层破坏规律，准确判定采空区冒落带和导水裂隙带的发育高度，以哈拉沟煤矿22208工作面浅埋煤层开采为背景，利用钻孔探测技术对其进行了探测分析。在哈拉沟煤矿22208工作面布置采前、采后钻孔共计8个，利用钻孔冲洗液消耗量观测法和彩色钻孔电视观测法对钻孔进行实测研究，得出切眼中部冒落带发育高度为7.22 m，切眼两端区域冒落带发育高度为13.42 m，切眼中部导水裂隙带发育高度至少为49.32 m，切眼两端区域导水裂隙带发育高度至少为50.82 m。“三元沟”沟底冒落带发育高度为10.1 m，导水裂隙带发育高度至少为25.8 m，“三元沟”出沟区域冒落带发育高度为21.2 m，导水裂隙带发育高度至少为51.6 m。实测结果表明：工作面进回风巷附近和“三元沟”沟底导水裂隙带较发育，是工作面防治水、防溃水溃砂的重点区域，需现场提前采取措施并实时重点监测防护。关键词：浅埋煤层;覆岩破坏;钻孔电视;冒落带;导水裂隙带中图分类号：TD 991

文章编号：1672-9315（2022）01-0033-07            文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0105开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Drilling measured research on overburden failure

law in shallow buried longwall face

WEI Baoning1，2，HUANG Qingxiang1

（1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

Abstract：The No.22208 working face in Halagou coal mine is taken as the research object to study the overburden failure law in shallow buried longwall face，and determine the development height of caving zone and water flowing fractured zone accurately.The drilling measured technology is applied to reveal the overburden failure law.Eight drilling holes，including drilling holes before and after mining，were arranged in No.22208 working face.The drilling hole fluid consumption observation method and color drilling hole television observation method were used to obtain the development height.The development height of the caving zone in the middle of the cutting hole is 7.22 m，while it is 1342 m in the cutting hole nearby the roadway;the development height of the water flowing fractured zone in the middle of the cutting hole is larger than 49.32 m，while it is larger than 50.82 m in the cutting hole nearby the roadway.The development height of the caving zone is 10.1 m in the bottom of the Sanyuan Gully，and the development height of the water flowing fractured zone is larger than 25.8 m.The development height of the caving zone is 21.2 m in the out of the Sanyuan Gully，the development height of the water flowing fractured zone is larger than 51.6 m.The in-site measurement results show that the water flowing fractured zone is more developed in the bottom of the Sanyuan Gully or nearby the roadway，which is the key area to prevent water and sand burst，and measures should be carried out in advance as well as monitoring on real-time.Key words：shallow buried longwall face;overburden failure;drilling hole television;caving zone;water-flowing fractured zone

0 引 言

薄基岩、厚松散含水层是神东矿区浅埋煤层典型地质特征之一[1-2]。该区域地质条件简单，一般采用综合机械化长壁式开采方法，具有工作面开采强度大、资源采出率高、效益好、安全性高的优点[3-4]，但独特的地质采矿条件和高强度的采矿技术方法导致了该区域特殊的采动损害特征，并形成了一系列相应的矿井灾害和安全隐患，造成地下水的生态破坏[5-6]。薄基岩、厚松散层区域采煤过程中由于受开采参数、地质条件等因素影响，围岩容易破坏导通至顶板含水层、地表或相邻工作面采空区[7-8]。近年来曾多次发生严重的溃水或溃水溃砂事故，事故造成工作面被淹，井下生产设备被掩埋，多次造成工作停产维护。对井下安全高效开采环境构成极大威胁[9-10]，灾害现场情况如图1所示。

煤矿溃水溃砂灾害的发生条件和机理十分复杂，与煤层上覆含水层的规模和性质、煤层开采厚度、开采方式、覆岩厚度和强度、覆岩破坏形式等很多因素有关，覆岩破坏规律与矿区保水开采有很大关系[11-13]。关于薄基岩厚松散含水层采煤工作面溃水溃砂问题，目前神东矿区尚未制定出明确的评价标准。以往针对溃水溃砂机理研究与防治主要偏重于水和砂方面，也没有从根本上杜绝溃水溃砂事故。导水裂隙通道的形成可能造成地下水的流场变化、水位下降等问题[14-15]。实际上，水砂致灾机理及防治不仅仅是研究和防治水和砂的问题，开采活动造成的覆岩破坏才是工作面发生溃水溃砂的内因，研究工作面溃水溃砂机理在于弄清覆岩破坏规律，以达到有效防治溃水溃砂的目的[16-17]。文中采用钻孔冲洗液消耗量观测法和彩色钻孔电视观测法，掌握了哈拉沟煤矿22208工作面开采前后的覆岩裂隙发育规律，揭示了切眼和“三元沟”区域的冒落带和裂隙带的发育高度，可为矿井的突水溃砂防治提供指导。

1 工程概况哈拉沟煤矿22208工作面存在典型的薄基岩、厚松散含水层，工作面埋深为50～120 m，采煤方法为一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。在距离开切眼670～920 m区间有“三元沟南沟”，此沟宽度为250 m，该区段埋深为50～80 m，煤层厚度为4.8～6.0 m，基岩厚度最薄为23.95 m，原始基岩上松散层含水厚度为18 m，通过疏放水，水位已经下降12 m;该工作面地表存在一个小水库，实施回采时已基本抽干。该工作面地层覆岩特征情况见表1。

2 水砂探测方法和设计

2.1 探测方法覆岩破坏特征的观测方法主要分为地面钻孔冲洗液消耗量观测法、彩色钻孔电视观测法。覆岩破坏特征的观测目前仍以地面钻孔观测为主，为了研究冒落带和导水裂隙带发育程度和采动覆岩断裂破坏特征，提高“两带”高度观测的准确性，采用地面钻孔冲洗液消耗量观测法和彩色钻孔电视观测法相结合的综合观测法进行观测，并结合采空区地表破坏情况综合判定“两带”发育高度。

2.1.1 地面钻孔冲洗液消耗量观测法地面钻孔冲洗液消耗量观测法是通过在采空区地面布置一定数量的钻孔，测定钻进过程中钻孔冲洗液漏失量、鉆孔水位变化及钻进过程中的各种异常现象，经过综合分析来确定垮落带、导水裂隙带最大高度及破坏特征的方法。钻孔冲洗液消耗量观测法进行“两带”观测孔位、孔数及孔径、观测孔施工时间和使用要求都必须考虑周全才能准确观测出“两带”发育规律[18-19]。

2.1.2 彩色钻孔电视观测法彩色钻孔电视是利用自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，在地面直接观测地下钻孔的地质构造，并进行图像记录。彩色钻孔电视观测法是根据钻孔图像资料信息，直接识别岩性、裂隙、空洞和软弱夹层的位置，判别垮落带与裂隙带高度的方法[20-21]。

2.2 探测设计哈拉沟煤矿22208工作面钻孔共设计8个，其中4个位于切眼附近，用于观测切眼区域覆岩破坏情况;其余4个位于工作面“三元沟南沟”区域，用于观测工作面基岩厚度最小且上覆松散含水层区域覆岩破坏情况，钻孔总进尺约为600 m。开切眼附近采前孔K1布置在距离进风巷20 m位置，K2布置在工作面中间位置。采后观测孔K5布置在距离进风巷25 m位置，K6布置在工作面中间位置，用于观测靠近进风巷及工作面中部初次来压部位导水裂隙带、冒落带发育特征。采前观测孔和采后观测孔相距5 m以内，确保采前、采后观测数据对比分析的准确性和可靠性。“三元沟南沟”区域沟底位置布置采前观测孔K3采后观测孔K7，沟底位置2个钻孔均位于工作面中间区域。为了研究沟底位置和坡上位置的采动覆岩破坏特征，并得到两者之间的特征差异，在坡上位置设计采动覆岩破坏特征观测孔K4 和K8。工作面推进至出沟上坡区域较之进沟下坡区域的顶板压力反应更为明显，这与出沟上坡区域覆岩厚度逐渐增加，荷载逐渐加大有直接原因。因此，出沟坡上位置布置采前观测孔K4，采后观测孔K8，沟底位置2个钻孔均位于工作面中间区域，用于观测沟底与出沟2种情况下导水裂隙带、冒落带发育特征。探测钻孔布置方案如图2所示。

3 采前孔勘测结果分析

3.1 采前孔漏失量监测结果分析根据K1，K2，K3，K4钻孔冲洗液漏失量现场监测数据分析可知，所有钻孔单位时间冲洗液漏失量最小值为0 L/s，最大值为0.4 L/s;所有钻孔单位时间单位进尺冲洗液漏失量最小值为0 L/s，最大值为1.54 L/s。从钻孔冲洗液漏失量现场监测数据分析可知，以上4个采前孔钻孔冲洗液漏失量均属于正常钻进消耗，不存在较大的漏失突变，因此可以推断设计钻孔区域无发育较大的原生裂隙存在。具体钻孔冲洗液漏失量特征曲线如图3～图6所示。

3.2 采前孔水位监测结果分析根据K1，K2，K3，K4钻孔变化分析可知，所有钻孔最高水位为8.5 m，最低水位为0 m。随着钻孔深度的增加，孔内水位整体呈现上升趋势，偶有小幅回落，但回落幅度较小，分析水位回落原因为2 d之间的夜间停工导致水位轻微下降。整个水位变化过程均匀，无明显大起大落。因此可以推断设计钻孔区域无发育较大的原生裂隙存在。钻孔水位随孔深变化曲线如图7所示。

3.3 采前孔钻孔电视测量结果分析根据设计在每个采前孔钻进完成后进行洗孔，然后采用彩色钻孔电视对全孔进行测量。其中，切眼中部钻孔整个孔内无较大原生裂隙、无溶洞等特殊地质体存在。采前孔每个孔内最为明显的一条裂隙如图8所示，由钻孔电视图像可以看出：局部区域存在轻微裂痕，每个钻孔裂痕数量为2～5条，但每条裂痕的发育长度较小，开裂宽度也极其微弱，未能形成连通性良好的裂隙通道。因此设计钻孔区域无发育较大的原生裂隙存在。这与由钻孔冲洗液消耗量观测法得到的结果基本一致。

4 采后孔勘测结果分析

4.1 开切眼采后孔勘测结果根据现场冲洗液漏失量观测结果和钻孔电视影像综合分析，结合采前勘测孔信息，切眼中部冒落带发育高度为7.22 m，切眼进风巷侧冒落带发育高度为13.42 m，切眼中部导水裂隙带发育高度至少为49.32 m，切眼进风巷侧区域导水裂隙带发育高度至少为50.82 m，冒落带顶部位置钻孔电视影像如图9所示。工作面切眼区域地表不存在松散层，地表即为出露基岩风化带，因此，地表裂隙开口位置直至采空区具备导水性。

4.2 “三元沟”采后孔勘测结果根据现场冲洗液漏失量观测结果和钻孔电视影像综合分析，结合采前勘测孔信息，“三元沟”沟底冒落带发育高度为10.1 m，导水裂隙带发育高度至少为25.8 m。“三元沟”出沟上坡区域冒落带发育高度为21.2 m，导水裂隙带发育高度至少为51.6 m。冒落带顶部位置钻孔电视影像如图10所示。

5 “两带”高度综合分析根据《“三下”采煤规程》中的经验公式，对工作面采后冒落带和导水裂隙带高度进行计算，其公式如下

H2=100∑M1.6∑M+3.6±5.6

（2）式中 H1为冒落带高度，m;H2为导水裂隙带高度，m;∑M为累计采厚，m;工作面每个区域采高都有变化。经过公式（1）（2）对K5，K6，K7，K8这4个区域的两带进行预计计算，并与钻孔实测结果进行对比，见表2。从表2中发现，经验公式预测值较现场实测值普遍偏小，这是浅埋煤层的重要特点，在进行理论计算时，应该考虑上覆岩层厚度。“三元沟”沟底由于上覆岩层较薄，部分岩层的缺失，经验公式不适用，应该以现场实测为准。“三元沟”出沟上坡区域，现场实测的冒落带和导水裂隙带高度较经验公式偏大，分析主要原因是由于工作面出沟上坡阶段顶板覆岩逐渐加厚，工作面矿压显现剧烈，两带发育高度较工作面正常推进时偏大，出沟上坡区域是工作面防溃水溃砂的重点区域。综合分析4个区域发现，冒落带和裂隙带高度最小值为切眼中部区域，最大值为出沟上坡区域，对于浅埋煤层工作面冒采比一般为2～3，裂采比一般为8～10。

6 结 论

1）切眼中部冒落带发育高度为7.22 m，切眼进风巷侧冒落带发育高度为13.42 m，切眼中部导水裂隙带发育高度至少为49.32 m，切眼进风巷侧区域导水裂隙带发育高度至少为50.82 m。2）“三元沟”沟底冒落带发育高度为10.1 m，导水裂隙带发育高度至少为25.8 m。“三元沟”出沟上坡区域冒落带发育高度为21.2 m，导水裂隙带发育高度至少为51.6 m。

3）工作面切眼區域钻探发现该区域地表并不存在松散层，地表即为出露基岩风化带，所以地表裂隙开口位置直至采空区可认定为具备导水性。

4）通过探测分析对重点危险区域应提前采取疏放水、注浆加固、增设泥浆泵等措施进行防溃水溃砂管理。

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