补连塔煤矿大采高工作面覆岩运移规律

丁航

【期刊名称】《《煤矿安全》》 【年(卷),期】2019(050)012 【总页数】5页(P179-183) 【作 者】丁航

【作者单位】国家能源集团神东煤炭集团公司 补连塔煤矿 内蒙古 鄂尔多斯017209

【正文语种】中 文 【中图分类】TD325

我国煤田水文地质类型多样，由于煤矿水文地质条件的复杂性和生产条件的特殊性，突水事故时有发生[1-5]。因此，需要针对不同地质条件下煤体开采的覆岩运移规律研究[6-8]。现阶段，国内外学者通过理论分析、相似物理模型试验、数值模拟以及现场实测等方法，针对采场覆岩运移规律开展了大量研究。樊永山、张胜云等人采用相似材料对煤开采过程进行模拟，从相似材料运移形态、移近量等方面对覆岩运移规律进行了分析，揭示了近距离煤层群下行开采下煤层初次和周期来压步距、覆岩位移特征等[9-11]；栾元重、李静涛等人采用井下打仰上孔测漏水量方法、经验公式预计和数值模拟方法，开展了单煤全采后上覆岩层导水裂缝带高度的研究工作[12-13]；殷伟等人则是通过理论分析得到了不同充实率状态下混合综采工作面

覆岩空间结构特征，观察到覆岩空间结构呈现“两带”发育特征，垮落段覆岩结构呈“三带”发育特征[14-15]。赵高博等人采用FLAC3D 数值模拟软件对综放工作面覆岩运移分布特征进行了分析，得到了综放开采覆岩垂直位移和垂直应力分布情况，并构建了综放导水裂隙带高度多元回归预测模型，得到了综放开采导水裂隙带高度与5 个主要因素的多元回归公式，并与只考虑开采厚度单因素的回归公式进行对比分析，验证了公式的合理性[16]。目前，针对承压水下近浅埋煤层特大采高工作面覆岩运移规律研究还相对较少。基于此，以补连塔矿12511 特大采高工作面为研究对象，采用钻孔冲洗液漏失量观测法与彩色钻孔电视观测法相结合的方式，开展近浅埋煤层大采高工作面覆岩运移规律实测研究。 1 研究背景

补连塔煤矿12511 综采工作面位于1-2 煤层五盘区，工作面采用倾斜长壁后退式开采工艺，走向长度319.1 m，倾向长度3 139.3 m。开采煤层平均厚度7.44 m，一次采全高，全部垮落法处理顶板。工作面北西方向为12512 综采工作面，南东方向为12510 工作面采空区，南西为掘进中的12508 综采工作面，北东方向为1-2 煤五盘区轨道、运输以及回风大巷。

工作面覆岩厚度为233～271 m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度7.7 m；基本顶为砂质泥岩，平均厚度96.1 m；松散层厚度为0～27 m。矿区范围内含水层2 层，分别为第四系松散含水层、白垩系下统志丹群承压含水层。其中，白垩系下统志丹群承压含水层厚度较大，其富水性强，是本区主要含水岩层，距离1-2煤层顶板距离最小90.90 m。煤层顶板岩性见表1。 表1 煤层顶板岩性?

2 工作面覆岩“两带”现场观测 2.1 测点布置

根据现有研究表明，采用长壁采煤法的工作面其采空区上覆岩层呈现周期性破断规

律，且出现类似于“马鞍”的垮落形态，采空区边界位置顶板覆岩垮落范围更大，裂隙发育更广。因此，在工作面机风两巷、停采线以及切眼位置设计观测钻孔，可以更加精确地获得采空区覆岩导水断裂带及垮落带分布。补连塔煤矿12511 综采工作面导水断裂带及垮落带观测钻孔分别布置工作面中部距切眼垂直距离75 m位置以及风巷侧47 m且距切眼910 m等2 处采空区内。本次观测将钻孔冲洗液漏失量观测法与彩色钻孔电视观测法相结合，通过对比验证提高冒落带与导水裂缝带高度测试的精确性和可靠性。 2.2 钻孔冲洗液漏失量观测法

钻孔冲洗液漏失量观测法作为1 种经典导水断裂带高度观测方法，通过多年的理论与实践总结逐渐形成了MT/T 866—2000《导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法》煤炭行业标准。依据该方法在采空区测点对应地面位置施工观测钻孔。在钻探施工的同时，同时记录冲洗液的漏失量与水位变化情况，观测钻孔过程中发生的各种异常现象，并对观测数据进行整理分析，进而获得采动覆岩两带发育高度。 1）冲洗液漏失量观测。利用浮标尺、测尺、秒表以及钻杆等工具，对水源箱内原有水量、钻进过程中加入水量、水源箱内剩余水量、测量时间、钻进的进尺数、孔深进行观测并记录。

2）孔内水位内容。利用测钟、测绳、秒表、电测深仪等工具，对每次施钻前与起钻后孔内水位、停钻期间孔内水位、观测时间等参数进行观测并记录。

3）冲洗液循环中断。利用钻杆、测尺、秒表等工具，记录冲洗液不能返回水源箱时的钻孔深度、时间。如果采用注水使冲洗液循环正常，则应记录注入水量。 4）异常现象。在钻进过程中观察并记录向钻孔内吸风、掉钻、卡钻、钻具振动等异常现象及相应的孔深。 2.3 彩色钻孔电视观测法

彩色钻孔电视探测法是1 种通过高清摄像头直接记录孔壁图像信息的较为直观、

实用的探测技术。依据覆岩裂隙的发育情况，裂隙由孔口到孔底的发育过程分别为横向裂隙、纵向裂隙以及横纵交错裂隙3 种类型。因此，通过彩色钻孔电视法将观测到孔壁首次出现纵向裂隙的位置作为导水裂缝带顶点，以观测到孔壁首次出现岩层破碎位置作为冒落带顶点。 2.4 观测钻孔结构

为同时满足2 种测试方法同时观测的需求，地表松散层开钻初始直径为φ190 mm，当钻进至基岩顶部位置时，对松散层段钻孔进行下套管护孔止水作业，套管直径为φ160 mm；当钻孔进入基岩后，改用φ133 mm钻具进行岩心取样。全孔采用清水钻进，保证水源箱、循环槽、沉淀池以及钻孔中的冲洗液漏失量形成闭合回路，且闭合回路检测不漏水后方可进行观测，水源箱与沉淀池设计容积为2 m3，水源箱内安设浮标式水位测尺。每钻进1 m记录1次冲洗液的漏失量；同时，做好所取岩心取样描述工作，针对不同岩层岩心密封保存，用于物理力学参数测定；终孔位置设计为煤层底板，要求准确判定见煤深度，并确定煤层顶板位置。观测钻孔结构如图1。

3 “两带”观测结果分析 3.1 1#孔观测结果 图1 钻孔结构示意图

3.1.1 钻孔冲洗液漏失量观测结果

1#孔施工时间为 2017 年 5 月 17 日至 2017 年6 月13 日，地表松散层开孔直径为φ190 mm，钻孔施工至24.80 m见基岩，下直径φ160 mm套管起到防止塌孔以及封堵松散层含水层的作用。基岩段采用直径φ133 mm继续钻进，钻孔冲洗液漏失量观测自孔深24.80 m开始，在134.74 m处因冲洗液循环中断进而停止观测；随后，在孔深134.74～136.74 m之间进行连续注水，孔内均未返水。1#观测钻孔冲洗液漏失量随钻进深度变化曲线如图2。

图2 钻孔冲洗液漏失量观测曲线

通过图2 可以看出，在孔深24.80～130.71 m范围内，冲洗液漏失量变化不大，单位时间漏失量在0～0.8 L/s 之间，且在岩层原生裂隙的作用下，冲洗液漏失量存在间歇性小幅波动现象；从孔深130.71 m 处开始，冲洗液漏失量显著增加，至134.74 m位置冲洗液全部漏失，循环中断。 3.1.2 彩色钻孔电视观测结果

钻孔电视探测自地表孔口开始至孔深231.51 m结束，孔深130.22 m以上基岩范围内多次出现节理裂隙，但裂隙呈现近水平闭合形态，且均为横向裂隙，分析认为其为原生裂隙或受采动影响而进一步发育的原生裂隙；在孔深130.20～130.30 m之间首次出现纵向裂隙，裂隙垂向距离为0.10 m，孔深130.00～130.37 m孔壁展开图如图3。

图3 孔深130.00～130.37 m孔壁展开图

在孔深134.10～134.37 m之间纵向裂隙逐渐发育，裂隙垂向距离为0.27 m，裂隙宽度达0.04 m。在孔深144.43～145.55 m之间处有1 度1.12 m的高角度近垂直裂隙，裂隙发育形态较破碎，且在145.63 m以下多次出现较发育裂隙，孔深144.40～145.63 m孔壁展开图如图4。 图4 孔深144.40～145.63 m孔壁展开图

自201.00 m以下，岩层破坏程度较高，发育开始较为破碎，较之前的裂隙发育程度及孔壁更为破碎，裂隙密度较大，不仅出现大量相互连通、纵横交错的裂隙，而且还出现有压实的痕迹的碎块，破坏状态较上覆岩层更为剧烈。 3.1.3 1#观测孔测试结果对比分析

通过2 种观测结果表明，导水断裂带顶点距孔口分别为134.74 m 与 130.22 m，两者偏差率为2.90%，取130.22 m；垮落带顶点为201.00 m。通过现场测试，1#钻孔位置揭露煤层底板距孔口垂距为242.10 m，且该孔范围内1-2 煤层实测

厚度为7.60 m。根据两带高度计算公式：

式中：Hl 为导水断裂带高度，m；Hm为垮落带高度，m；H 为煤层顶板与地表孔口垂距，m；hl 为断裂带顶点距离孔口垂深，m；hm为垮落带顶点距离孔点距离孔口垂深，m；W 为钻进时裂缝带岩层的压缩值，取0.20 m。

由式（1）可得，1#孔位置1-2 煤层导水断裂带高度为104.48 m，为采高的13.75 倍；垮落带高度为33.70 m，为采高的4.43 倍。 3.2 2#孔观测结果

3.2.1 钻孔冲洗液漏失量观测结果

2#孔施工时间为 2017 年 9 月4 日至2017 年 9月19 日，地表松散层开孔直径为φ190 mm，钻进至54.40 m处见基岩，下直径φ160 mm套管护孔止水。基岩段采用直径φ113 mm继续钻进，至70.50 m时孔口不返水；根据岩心取样结果表明，该孔70.50 m 以下存在较厚砾岩含水层，因此采用堵漏措施后继续钻进。钻进至孔深130.70 m后再无砾岩层。钻孔冲洗液漏失量观测自孔深54.40 m开始，在孔深145.40 m处因冲洗液循环中断停止观测，后在孔深145.40 m至147.40 m之间进行连续注水，孔内均未返水。2#钻孔冲洗液漏失量随钻进深度变化曲线如图5。

图5 钻孔冲洗液漏失量随孔深变化曲线 3.2.2 彩色钻孔电视观测结果

钻孔电视探测自地表孔口开始至孔深258.25 m结束。孔深140.50 m以上岩层多处出现裂隙，但裂隙呈现近水平闭合形态，且均为横向裂隙，分析认为其为原生裂隙或受采动影响而进一步发育的原生裂隙。在孔深140.50～141.00 m之间首次出现纵向裂隙，裂隙垂向距离为0.50 m，裂隙宽度为0.04 m，孔深140.00～141.00 m孔壁展开如图6。

图6 孔深140.00～141.00 m孔壁展开图

从孔深226.00 m开始，通过孔内观测到的覆岩破坏程度增高，出现大量纵横交错的连通裂隙，且出现压实破碎岩块，破坏形态较浅部岩层更为剧烈。 3.2.3 2#观测孔测试结果对比分析

通过2 种观测结果表明，导水断裂带顶点距孔口分别为145.40 m 与 140.50 m，两者偏差率为3.49%，取140.50；垮落带顶点为226.00 m。通过现场测试，2# 钻孔位置揭露煤层底板距孔口垂距为271.00 m，且该孔范围内1-2 煤层厚度为7.60 m。由式（1）可得，2#孔位置1-2 煤层导水断裂带高度为122.90 m，为采厚的16.17 倍；垮落带高度为37.40 m，为采厚的4.92 倍。 4 结 论

1）采用钻孔冲洗液漏失量观测法与彩色钻孔电视观测法所测1-2 煤层导水裂缝带高度数值比较接近，偏差率仅为2.90%与3.49%，说明测试结果准确可靠。 2）12511 工作面1# 观测孔导水断裂带高度为104.48 m，为采厚的13.75 倍；垮落带高度为33.70 m，为采厚的4.43 倍。2#观测孔导水断裂带高度为122.90 m，为采厚的16.17 倍；垮落带高度为37.40 m，为采厚的4.92 倍。工作面中部垮落带及断裂带高度略小于两侧煤巷。

3）12511 工作面导水断裂带发育高度大于煤层顶板与白垩系下统志丹群含水层底板最小距离90.90 m。因此，导水断裂带会导通志丹群含水层，白垩系下统志丹群孔隙、裂隙承压水是工作面的直接充水水源，回采前应提前做好充足防治水准备。

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