厚煤层高强度综放开采覆岩“两带”发育高度研究

秦伟超

（河南焦煤能源有限公司古汉山矿，河南 焦作 454000）

采煤工作面回采过后，势必会造成采场围岩发生变形、移动、断裂和垮落，根据采空区覆岩移动的破坏程度，将在采空区上方形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，即统称为“三带”。若煤层上方有含水层，并且覆岩“三带”中的垮落带和导水裂隙带发育高度较大，“两带”将会达到含水层并形成导水通道，矿井发生水害的可能性较大，严重影响矿井的安全高效生产。垮落带和导水裂隙带(简称“两带”)高度的确定对于矿井开采设计、瓦斯抽采、水灾防治及顶板管理和安全高效生产都至关重要。

当前国内外众多专家学者通过理论分析、经验公式、物理相似模拟、数值模拟和现场实测等手段对工作面采空区覆岩“两带”高度做了大量的研究工作，研究成果在现场进行了良好的应用。杨达明等[1]通过钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟等综合方法研究分析了厚松散层软弱覆岩下综放开采工作面采空区上覆岩层导水裂隙带高度发育规律。孙浩彬[2]基于导水裂隙带观测基本原理，实测出盖州煤矿9105 综采工作面导水裂隙带高度。田灵涛[3]针对察哈素煤矿的实际地质条件，采用现场冲洗液漏失量法和彩色钻孔电视孔内观测法，并与理论分析相结合研究了察哈素煤矿上覆岩层“两带”高度，认为钻孔实测结果与经验公式计算结果部分存在较大差异。何清波等[4]采用物理相似模拟方法研究了倾斜煤层放顶煤工作面开采条件下采场覆岩“两带”分布特征，通过分析覆岩下沉量变化规律并确定“两带”高度，最后采用UDEC 模拟软件验证相似模拟结果的准确性。谷文伟等[5]采用理论推导、数值模拟和现场实测相结合的方法，对极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”的动态发育规律做了深入研究分析，并确定袁店一矿824 工作面覆岩“两带”的发育高度。孔庆军等[6]通过综合方法研究了发耳煤矿五采区1#煤层顶板“两带”发育规律，为高位钻孔瓦斯抽采、顶板治理提供理论依据。杨高峰等[7]采用理论计算、FLAC3D模拟软件以及现场实测等手段，得到镇城底矿28107 工作面垮落带、导水裂隙带的发育高度，对本矿防治水工作具有重要指导意义。张辉等[8]通过经验公式预计、数值模拟和井下仰孔分段注水法实测等方法，研究了放顶煤工作面的覆岩导水裂隙带发育情况。张刚艳等[9]以沙吉海煤矿某高强度开采软弱覆岩工作面为原型，建立了三维离散元数值模型，并基于现场钻孔实测数据对数值模型参数的选取进行了合理性校核，分析了不同采厚、工作面倾向长度、走向长度与推进速度对沙吉海矿高强度开采软弱覆岩“两带”最大高度的影响。以上实践研究表明，综放工作面回采后采空区空间较大，采空区上覆岩层依次出现垮落带、裂隙带，即“两带”。若“两带”高度发育到上覆含水层，矿井将会面临着溃水等灾害，严重影响矿井的安全高效生产。

古汉山矿1604 工作面为首个综放开采工作面，具有煤层较厚、埋深大及高强度开采的特点，精准预测出“两带”发育高度有利于矿井安全高效生产。

1 工作面概况及地质条件

1）工作面概况

1604 工作面开采二1 煤层，煤厚4.8～6.25 m，平均5.3 m；煤层倾角12°～15°，平均14°。工作面埋深在500～600 m 范围内，地应力较高。地层情况详见地层综合柱状图1。该工作面是该矿首个综放开采沿空留巷工作面。

2）地质构造

1604 工作面位于界碑断层（走向N30°W，倾向SW，倾角70°，H=100～210 m）的下盘，2015年10 月在1604 底板抽采巷统尺（14 号钻场）1024 m 处对界碑断层进行了超前钻探，探明了二1 煤层发育情况；后期又在该区域布置地面钻孔5 个，基本控制了界碑断层及马坊泉断层的走向、位置。工作面切眼距断层84～126 m，对工作面回采无影响。根据回风巷、底抽巷、顶板抽采巷掘进揭露实际情况分析，回采至回风巷统尺959.5 m，工作面预计揭露断层F1606，回采10 m 后预计揭露断层F1608，回采82 m 后揭露断层F1610，回采232 m后揭露断层F1611，回采至回风巷统尺129 m，工作面预计揭露断层F1605。

3）水文地质

主要含水层为L8灰岩水，煤层底板距L8灰岩含水层20.2～33.69 m，该工作面范围内平均间距23.3 m。根据古水22 孔资料L8灰岩水位为-390 m，工作面最低标高为-564 m，水压为1.74 MPa，突水系数P/M为0.096 MPa/m ＜0.1 MPa/m；L2灰岩水位为+30 m，煤层底板距L2灰岩含水层81 m，水压为5.94 MPa，突水系数P/M值为0.083 MPa/m ＜0.1 MPa/m，，正常情况下，不易发生底板出水。O2灰岩含水层与L2灰岩含水层水位一致，水位+30 m 左右，上距二1 煤约104.06 m，富水性强，水压为5.94 MPa，突水系数P/M值为0.067 MPa/m，正常情况下不易发生底板出水。工作面上部为16021 采空区，16021 工作面上下巷无低洼处且工作面上下巷水能自流，无老空积水。该工作面下部为1606 工作面未采区，无老空积水。该工作面西部为井田边界断层煤柱，无老空积水。该工作面东部为16皮带下山及-450大巷保护煤柱，无老空积水。工作面最大涌水量150 m³/h，正常90 m³/h。

2 “两带”发育高度相似模拟试验

2.1 建立相似模拟试验装置

为掌握了解煤层采出后覆岩“两带”发育特征，利用二维相似模拟试验装置（模型尺寸2 m×0.2 m×1.3 m，几何比例1:100）对其进行模拟试验。利用配重的方式均布加压以模拟模型上方岩层的重量。模型正面观察煤层顶板垮落状况，背面进行下沉观测，自采面切巷开始在煤层垂直方向上布设9排测点，每排18 个测点且间距0.1 m，并做出标记便于监测。

2.2 结果分析

设计推进速度每次开挖0.3 m，对1604 采面实施相似模拟试验，周期性来压后均要记录下沉状况，开采结束后即可得出实际岩层下沉变化曲线，如图2（a）。

图2 相似模拟试验结果

受回采动压影响，采空区覆岩将发生不同状况的垮塌，在煤层上方将会出现垮落带（受覆岩垮塌作用后出现破断且无规则的块状呈现）、裂缝带（该区域岩层垮塌后部分岩层将会有破断裂纹）及弯曲下沉带（该区域岩石结构没有出现较大的破坏）。相似模拟试验表明，1604 综放面垮落带发育高度25 m，裂缝带发育高度110 m，以上则是弯曲下沉带。

1604 综放面覆岩“两带”相似模拟试验结果如图2（b）。在煤层倾斜方向上，采面持续回采，岩层受力超出自身承载力时将会出现竖向裂隙而发生破断垮塌。由于煤层具有一定角度，其上覆岩层在倾斜方向上呈现出滑移且与煤层垂直的现象，造成下方岩层下沉较为充分，回采结束后测得下部断裂角71°，上部断裂角60°。

2.3 “两带”发育高度理论预测

根据1604 工作面煤层柱状图，其开采厚度约5.5 m，按照三下开采指南的规定，覆岩为中硬情况时导水裂隙带高度理论公式为：

由公式（1）、（2）计算出的顶板导水裂隙带高度为38.9～56.9 m。

3 “两带”发育高度现场实测研究

3.1 井下导水裂隙带观测原理

在试验工作面停采线附近选取适宜地点进行试验，向采空区上方岩层施工仰斜钻孔（即导水裂隙带高度观测钻孔），其深度应超过覆岩导水裂隙带，施工到弯曲下沉带一定距离。采用井下导水裂隙带高度观测仪，从孔口由下向上每1 m 测试各段岩层的导水性。所测岩层渗水的最大高度是采场覆岩导水裂隙带高度。此方法具有观测速度快、精度高及成本低的特点。

3.2 实施方案

结合顶板覆岩导高的理论计算值，设计观测孔时应着重对煤层上覆38.9～56.9 m 区域内覆岩破坏状况进行研究，考虑发生裂高偏大的异常状况时应增加钻孔深度，所以观测孔长度至少超过理论计算值5 m，以期能测出不漏水孔段的位置，视为裂缝带顶界的依据。

设计钻孔参数见表1。钻场位于1604 工作面回风巷与下山煤柱保护线相交处向外约10 m 的硐室内。钻孔布置如图3、图4。

表1 1604 回风巷钻孔施工要素表

图3 钻孔布置平面图

图4 钻孔布置剖面图（m）

此外，为能得到较为精准的观测数据，观测孔施工后应尽快进行现场探测，以防止塌孔后影响观测结果准确度。

3.3 结果分析

各钻孔的观测均是自下而上进行的，根据现场测试结果，得到观测孔各段岩层的注水漏失情况，观测结果如图5。

图5 各测孔结果曲线

1）1#对比孔观测结果分析

从孔深10～94 m 依次分段观测，掌握未受采动影响的原岩区域封孔注水漏失情况。1#对比孔深10～94 m，垂高8～77 m，岩层渗水量0.3～4.7 L/min。因此认为渗水量小于4.7 L/min 时，岩层完整。对比孔观测有利于精准获得导水裂隙带高度。

2）2#、3#观测孔观测结果分析

2#孔从孔深22～101 m 处依次分段观测，3#孔从孔深30～110 m 处依次分段观测，观测到导水裂隙带高度时停止。

由图5 可知，2#、3#孔测试区域的岩层注水漏失情况差异性较大，一是I 段漏失量大，二是Ⅱ段漏失量比较小。

① 2#孔Ⅱ区 域 内 孔 深96～101 m， 垂 高68.14～71.69 m，岩层注水漏失量为2.1～3.2 L/min；3#孔Ⅱ区域内，孔深103～110 m，垂高66.46～70.98 m，岩层注水漏失量2.1～3.4 L/min；2 个观测孔各段岩层的渗水量均未超过4 L/min，岩石渗水性比较小，表明该区域岩层的次生裂隙发育不明显，仍以原生裂隙为主。因岩石渗水性不大，隔水性较强，同时受采动影响较小，表明了裂隙带没有发育到该区域，岩层完整稳定较好。

② 2#孔I 区 域 内 孔 深22～95 m， 垂 高15.62～67.43 m，岩层渗水量为8.6～18.6 L/min；3#孔I 区域内孔深30～102 m，垂高19.36～65.81 m，岩层注水漏失量10.8～18.5 L/min，渗透量都大于10 L/min；2 个观测孔的岩石渗水量是比较大的，表明2 个孔进入了裂隙带区域，受回采扰动影响后此处岩石的裂隙将会进一步扩展，岩石导水性能增强。观测期间，2#孔垂高由68.14 m 降低至67.43 m 时，岩石渗水量从3.2 L/min 突增为8.6 L/min，说明2#孔导水裂隙带最大发育高度约68.14 m；3#孔垂高由66.46 m 降低至65.81 m 段时，岩石渗水量从3.1 L/min 突增为10.8 L/min，说明3#孔导水裂隙带最大发育高度约在66.46 m。

所测数据的变化情况比较稳定，没有出现异常情况，可以精准得到导水裂隙带高度。现场实测的2 个顶板导高观测孔所测导水裂隙带发育高度最大值较为可靠且能够互相验证，因此现场实测出的导高值平均67.3 m。

4 结论

1）理论计算出1604 综放工作面开采后采空区覆岩的导水裂隙带高度为38.9～56.9 m。

2）井下仰孔分段双端封堵测漏技术是覆岩“两带”发育高度观测的有效方法。通过对本工作面施工3 个钻孔（1 个对比孔，2 个观测孔）以观测导水裂隙带高度，根据实测结果可知，2#孔导高值68.14 m，3#孔导高值66.46 m。

3）综合分析得出古汉山矿1604 综放工作面采场覆岩导水裂隙带高度为67.3 m。导高与采厚比为12.23。