安山煤矿浅埋煤层覆岩导水裂隙带发育高度实测研究

段江飞，刘凡凡，杜超杰

（陕西涌鑫矿业有限责任公司，陕西 榆林 719407）

0 引言

煤炭资源井工开采后，顶板岩层自下至上垮落依次会形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的特征。陕北矿区浅埋厚松散层薄基岩煤层大量生产实践表明，煤层开采后，顶板上覆岩层垮落仅存在垮落带和裂隙带的“两带”特征，垮落带和裂隙带统称为导水裂隙带。明确煤层开采过程中覆岩导水裂隙带的发育高度对矿井防治水、水资源破坏与保护研究具有重要的意义。国内许多学者对此进行了大量的研究，李云江[1]实测了石拉乌素煤矿1208 工作面导水裂隙带发育高度，揭示了工作面开采过程中上覆白垩系含水层水位下降的原因；贺斌[2]采用现场实测了大柳塔煤矿52306 工作面覆岩导水裂隙带发育高度；李志强[3]对李家塔煤矿2 号煤层导水裂隙带发育高度进行了实测，为防止顶板岩层发生涌水溃沙提供了依据；赵兵朝[4]提出了一种基于概率积分法的导水裂缝带发育高度理论预计方法；侯恩科[5]采用相似模拟和数值模拟相结合的方法研究了柠条塔煤矿2-2 煤S1233 工作面开采上覆岩层的扰动破坏规律与导水裂隙带发育特征；王创业[6]采用相似模拟的方法测定了上行裂隙与下行裂隙的发育深度，判定隔水层是否保持稳定；谢党虎[7]建立了安山煤矿5-2煤层沟谷地形条件下覆岩“非均布载荷梁”结构力学模型，推导了基岩承载结构稳定性的判别条件，揭示了弱强度覆盖层厚度及坡度变化对覆岩采动裂缝间距的影响规律；宣以琼[8]、孙远进[9]、肖乐乐[10]等以榆阳煤矿为背景，通过地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验，研究了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏“两带”高度的动态变化特征；李海军[11]、王飞[12]、蔚保宁[13]、杜家发[14]通过现场实测分析了浅埋煤层开采覆岩裂隙发育高度；王志刚[15]采用UDEC 数值模拟分析了王坡煤矿3215 工作面采场上覆岩层的垮落规律进行研究。

本文以庙哈孤矿区安山煤矿3-1煤层133103 工作面为研究背景，采用理论分析和现场实测相结合的手段对浅埋煤层开采覆岩裂隙发育规律以及覆岩导水裂隙发育高度进行研究，为矿井防治水工作提供指导。

1 工程背景

安山煤矿133103 综采工作面地面相对位置位于大墩沟以北，后菜沟以东，圪针塔以南。工作面地面相对区域地形复杂，沟壑纵横，沟谷较深且陡峭。工作面地表最大标高1 310 m，位于133103 综采工作面停采线附近，该处煤层底板标高1 142 m，煤层埋深110 m，煤层厚度2.2 m，基岩厚度34 m，松散层厚度74 m，工作面地表高程范围为1 186～1 310 m，上覆基岩厚度为20～55 m，松散层厚度为5～104 m。工作面顶底板岩性柱状图如图1 所示。

图1 BZK- 7 钻孔岩性分布柱状图Fig.1 Lithology distribution histogram of BZK-7 drilling hole

2 覆岩裂隙带发育高度理论预计

2.1 《三下开采规范》导水裂缝带高度计算

根据2017 版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》 （下文简称三下开采规范） 中对于覆岩垮落带和导水裂缝带高度的计算，如式（1）、式（2） 和式（3）。

覆岩垮落带：

导水裂缝带高度：

式中：∑M为采高，m；Hk为垮落带高度，m；Hli为导水裂隙带高度，m。带入安山煤矿133103 工作面覆岩参数，对133103 工作面采空区覆岩垮落带以及裂隙发育高度进行计算。3-1煤开采覆岩垮落带高度由式（1） 可得Hk=5.3～9.7 m，导水裂缝带高度由式（2） 可得Hli=25.3～36.5 m，由式（3） 可得Hli=39.7 m。

因此，由《三下开采规程》 计算公式得出：安山煤矿133103 工作面开采完后，垮落带高度为9.7 m，垮采比4.4，导水裂缝带高度为39.7 m，裂采比为18，说明3-1煤层开采后导水裂缝带发育至土层底部。

2.2 《煤矿防治水综合技术手册》中覆岩导水裂缝带高度计算

根据2003 版《煤矿防治水综合技术手册》中对于覆岩垮落带和导水裂缝带高度的计算，给出了如下2 种计算方法。

（1） 过去常用的导水裂缝带计算公式。

式中：h1为顶板垮落带高度；M为煤层厚度；α 为煤层倾角；Ks为岩石碎胀系数，1.3；h2为裂缝带高度。

带入安山煤矿133103 工作面覆岩参数对133103 工作面采空区覆岩裂隙发育高度进行计算，3-1煤开采覆岩垮落带高度为7.33 m，导水裂缝带高度为14.66～21.99 m。因此，可知安山煤矿3-1煤开采完后，垮落带高度为7.33 m，垮采比为3.3，导水裂缝带高度为21.99 m，裂采比为10，说明3-1煤层开采后导水裂缝带已经发育风化岩层处。

（2） 《矿井水文地质规程》确定的导水裂缝带经验计算公式。

经计算，3-1煤开采覆岩垮落带高度为6.60～8.80 m，导水裂缝带高度为25.88～36.08 m。因此，3-1煤开采完后，垮落带高度为8.8 m，垮采比4，导水裂缝带高度为36.08 m，裂采比为16.40。说明3-1煤层开采后导水裂缝带发育基岩与土层交界处。

3 覆岩裂隙发育钻探实测

为了探明安山煤矿3-1煤133103 工作面覆岩失稳裂隙发育特征，采用地面钻孔观测方法对覆岩裂隙发育高度进行实测。利用钻孔电视直接观测岩层破坏情况，最终确定覆岩破坏三带高度。

3.1 观测钻孔位置设计与施工

为了研究3-1煤层采动覆岩的裂隙发育规律，掌握工作面开采后煤层顶板垮落带、导水裂缝带发育范围等特征。根据《导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法》 （MT/T865－2000） 中关于观测钻孔孔位设计的相关规定，“垂直钻孔均应布置布置于采空区上方，要求钻孔所在采空区范围沿走向和倾向的长度均大于50 m；且煤层开采厚度变化不大；钻孔距回采工作面的始采线应大于30 m，距终采线大于15 m，并在回风巷和运输巷以内”，观测钻孔布置孔位设计依据以下原则。

（1） 选择133103 工作面覆岩垮落趋于稳定的采空区。

（2） 钻孔应布置在3-1煤采空区区域。

（3） 主要针对采空区中心位置充分垮落区布置钻孔。

133103 工作面宽度274 m，工作面可采长度为915 m，工作面的平均煤层厚度为2.25 m，埋深平均110 m，结合安山煤矿133103 工作面地表地貌特征，最终选择钻孔位置如图2 所示。

图2 133103 工作面采空区钻孔位置设计Fig.2 Design of drilling hole position in goaf of No.133103 Face

1 号钻孔设计位置距离133103 工作面切眼143 m，距离133103 主运顺槽182 m，钻孔地表标高1 270 m，煤层底板标高1 159 m，孔深115 m，终孔3-1煤底板5 m。2 号钻孔设计位置距离133103工作面切眼246 m，距离133103 主运顺槽150 m，钻孔地表标高1 289 m，煤层底板标高1 159 m。孔深120 m，终孔3-1煤底板5 m。

3.2 钻孔窥视结果分析

由图3 中1 号钻孔45～75 m 窥视结果可看出，距孔口45.48 m 和47.63 m 有明显纵向裂隙发育，孔壁渗水泥化，孔壁比较粗糙。分析认为45.48 m处为导水裂隙带顶部区域。

图3 1 号钻孔45.48 m处裂隙发育特征Fig.3 Fracture development characteristics at 45.48 m of No.1 drilling hole

由图4 中1 号钻孔81～115 m 窥视结果可看出，随着钻孔深度增大，孔壁岩层破碎程度加大，孔壁处横环向离层裂隙、纵向裂隙均有发育。在孔深达到97.31 m 处，孔壁横向裂缝发育且伴有明显离层现象；当钻孔深度达到99.33 m 时，孔壁破碎严重，环向离层裂隙较为明显；当钻孔深度达到105.45 m 时，出现较大交错裂隙。因此，认为孔深97.31 m 时，已达到3-1煤采空区垮落带顶部区域，垮落带高度10.69 m，垮采比为4.86。

图4 1 号钻孔97.31 m处范围内基岩层裂隙发育特征Fig.4 Fracture development characteristics of bedrock layer in the range of 97.31 m of No.1 drilling hole

综合1 号钻孔窥视视频信息得出，3-1煤垮落带范围为孔深97.31 m，垮落带高度为10.69 m，垮采比为4.86，导水裂隙带为孔深45.48 m，导水裂隙带发育高度为62.52 m，裂采比为28.4。

由图5 中2 号钻孔60～85 m 窥视结果可看出，距孔口60.67 m 有明显纵向裂隙，孔壁有渗水现象，孔壁比较粗糙。分析认为孔深60.67 m 处为导水裂缝带顶部区域，导水裂缝带发育高度为52.33 m，裂采比为23.8。

图5 2 号钻孔深60.67 m处裂隙发育特征Fig.5 Fracture development characteristics at the depth of 60.67 m of No.2 drilling hole

由图6 中2 号钻孔91～118 m 基岩层窥视结果可看出，随着钻孔深度增大，孔壁岩层破碎程度加大，孔壁处横环向离层裂隙、纵向裂隙均均有发育。在孔深达到96.88 m 处孔壁发育横向裂缝，且有明显离层现象；当钻孔深度达到97.12 m 处时，孔壁破碎严重，环向离层裂隙较为明显；当钻孔深度达到105.89 m 和112.37 m 处时，出现较大纵横交错的裂隙。因此认为，孔深97.12 m 处已达到3-1煤层采空区垮落带顶部区域，垮落带发育高度为15.88 m，垮采比为7.2。

图6 2 号钻孔深97.12 m处裂隙发育特征Fig.6 Fracture development characteristics at the depth of 97.12 m of No.2 drilling hole

综合2 号钻孔窥视视频信息得出，3-1煤垮落带范围为孔深97.12 m，垮落带高度为15.88 m，垮采比为7.2，导水裂隙带为孔深60.67m，导水裂隙带发育高度为52.33m，裂采比为23.8。

4 结论

（1） 通过覆岩导水裂缝带高度理论预计，按照《三下开采规程》计算得出3-1煤层垮落带高度为9.7 m，垮采比4.4，导水裂缝带高度为39.7 m，裂采比为18；按照《煤矿防治水综合技术手册》计算得出3-1煤层垮落带高度为6.6～8.8 m，垮采比为4，裂缝带为25.88～36.08 m，裂采比为11.76～16.40。

（2） 通过对安山煤矿3-1煤133103 工作面2个钻孔窥视得出，1 号钻孔垮落带高度为10.69 m，垮采比为4.86，导水裂隙带发育高度为62.52 m，裂采比为28.4；2 号钻孔垮落带高度为15.88 m，垮采比为7.2，导水裂隙带发育高度为52.33 m，裂采比为23.8。

（3） 综合以上研究结果得出，安山煤矿3-1煤层开采时，垮落带发育范围为10.69～15.88 m，垮采比为4.86～5.73，导水裂隙带发育范围52.33～62.52 m，裂采比为23.8～28.4。