申晨輝，康永華，劉秀娥，宋業(yè)杰，趙秋陽，郭英杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 3.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024047)

煤層開采后圍巖的原始應(yīng)力平衡被破壞，并且覆巖產(chǎn)生變形破壞，一旦導(dǎo)水裂縫帶與地下含水層或地表水體溝通，水就會(huì)涌入工作面，造成突水事故[1-3]。因此覆巖破壞高度是開展水體下采煤的關(guān)鍵參數(shù)，也是確定合理采厚和防水安全煤巖柱合理留設(shè)尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握覆巖破壞高度是實(shí)現(xiàn)水體下安全開采的必要前提[4]。學(xué)者們對(duì)煤礦開采形成的覆巖破壞高度進(jìn)行了大量研究，經(jīng)驗(yàn)公式法前提是具備大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5]，室內(nèi)物理相似材料模擬法及數(shù)值模擬法也只是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件的再造與反演[6]?？涤廊A[7]利用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)法對(duì)兗州興隆莊煤礦綜放開采條件下的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了深入研究；許延春[8]等收集整理40余個(gè)綜放開采工作面不同覆巖類型的“兩帶”高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用回歸分析的方法，得到了綜放開采條件下的“兩帶”高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式；騰永海[9]以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，研究了潞安、兗州及淮南礦區(qū)綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度的計(jì)算方法和計(jì)算公式；李東發(fā)[10]應(yīng)用相似材料模擬和地表鉆孔實(shí)測(cè)方法研究了沙吉海煤礦B10煤層綜放開采覆巖破壞特征；張玉軍[11]以梅河煤礦為試驗(yàn)對(duì)象，以鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法實(shí)測(cè)的覆巖破壞高度為基礎(chǔ)，研究得出了急傾斜特厚煤層水平分層綜放開采覆巖破壞特征。

目前，覆巖破壞規(guī)律的研究方法已基本成熟，逐步掌握了炮采、普機(jī)采、綜采的覆巖破壞規(guī)律[12]。但是，由于區(qū)域煤炭開發(fā)的影響，研究成果大多集中在中東部地區(qū)，對(duì)于新疆地區(qū)，覆巖破壞實(shí)測(cè)工作尚處于起步階段，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏[13]。本次研究區(qū)伊犁四礦其煤層厚度大、埋深淺，古近系砂礫巖含水層賦存于煤系地層之上，煤層開采后覆巖破壞會(huì)波及到上覆含水層造成開采威脅。研究該類條件下綜放開采的覆巖破壞特征，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，研究成果能為伊犁四礦后續(xù)水體下安全開采提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)采礦條件

伊犁四礦位于新疆伊犁哈薩克自治州霍城縣東南部，井田東西長18.7km，南北寬9.3km，面積113.3km2。21103工作面是位于伊犁四礦+660m水平11采區(qū)南部的首采工作面，采用綜放開采工藝，開采賦存于侏羅系八道灣組的21-1煤層，煤層厚度4.8～8.5m，煤層埋深55～140m，平均埋深約102m。21-1煤層上部賦存有古近系砂礫含水層，含水層富水性弱至中等，煤層上覆基巖較薄，據(jù)井下探放水鉆孔揭露，在21103工作面開采范圍內(nèi)煤層距離古近系砂礫含水層僅為20.87～37.25m。煤層開采時(shí)，采動(dòng)破壞將直接波及砂礫含水層，砂礫含水層將對(duì)工作面產(chǎn)生充水影響。由于砂礫含水層膠結(jié)性差，且泥質(zhì)含量較高，垮落帶波及到該含水層時(shí)，還會(huì)對(duì)工作面開采產(chǎn)生潰砂、潰泥威脅。同時(shí)，綜放開采的覆巖破壞程度劇烈，因此對(duì)處于淺埋深薄基巖條件下的21103工作面進(jìn)行21-1煤層開采的覆巖破壞發(fā)育特征研究，顯得尤為重要。

2 覆巖破壞特征數(shù)值模擬研究

基于伊犁四礦21103工作面附近鉆孔資料，建立數(shù)值模型，數(shù)值計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型頂板方向設(shè)置高度60m，煤層底板垂高取50m。在巖柱垂向，煤厚設(shè)置8m，實(shí)際采厚分為一次采全厚8m和限厚綜采4m兩種情況。建模時(shí)，設(shè)置工作面走向長度400m，另外考慮兩邊100m的邊界影響區(qū)域，最終模型的走向計(jì)算長度為600m，煤層及其直接頂、基本頂和直接底等巖層均按實(shí)際的厚度進(jìn)行模擬，模型頂部為自由邊界，其余均為固定邊界。

表1 數(shù)值計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)

2.1 全厚開采覆巖破壞高度模擬

如圖1～圖2是21103工作面21-1煤層全厚開采(8m)的破壞場(chǎng)模擬結(jié)果，工作面推進(jìn)距離分別為20m和50m的情況。

圖1 工作面推進(jìn)距離為20m時(shí)的覆巖采動(dòng)破壞場(chǎng)(采厚8m)

圖2 工作面推進(jìn)距離為50m時(shí)的覆巖采動(dòng)破壞場(chǎng)(采厚8m)

分析可知，自工作面切眼回采開始，工作面頂?shù)装寮懊罕谇胺胶凸ぷ髅婧蠓骄a(chǎn)生明顯的破壞區(qū)域，自煤層頂板由下往上，依次發(fā)育拉伸破壞和剪切破壞，覆巖破壞形態(tài)具有兩端高、中間低的特征，破壞范圍呈明顯的“馬鞍”型。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為20m時(shí)，垮落帶高度約為4m，裂縫帶高度為15m；隨著工作面向前推進(jìn)，頂板破壞高度逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)至50m時(shí)，垮落帶高度發(fā)育至20m?？梢?，當(dāng)22-1煤層全厚開采時(shí)，垮落帶發(fā)育高度為20m，因第四系松散層的抑制作用，裂縫帶發(fā)育至松散層底界后停止發(fā)育。

2.2 限厚開采覆巖破壞高度模擬

圖3是21103工作面21-1煤層限厚開采(4m)推進(jìn)距離為80m時(shí)的破壞場(chǎng)模擬結(jié)果。

圖3 工作面推進(jìn)距離為80m時(shí)的覆巖采動(dòng)破壞場(chǎng)(采厚4m)

分析可知，在推進(jìn)距離為20m，50m和80m時(shí)，垮落帶高度分別為4m，8.5m和8.5m，裂縫帶高度分別為7.5m，32m和32m(進(jìn)入松散層底部)，其中在推進(jìn)50m后，覆巖破壞已經(jīng)進(jìn)入到第四系粉砂土中，在工作面推進(jìn)80m時(shí)，垮落帶和裂縫帶最大高度均不再增加?？梢?，當(dāng)22-1煤層限厚開采、采厚為4m時(shí)，垮采比為2.12，裂縫帶將發(fā)育至第四系松散層底部，因第四系松散層的抑制作用，裂縫停止發(fā)育，松散層底部至地表均進(jìn)入塑性狀態(tài)，隨著上伏地層的破斷、下沉而發(fā)生整體下沉。

綜合分析可知，21103工作面開采時(shí)，因煤層埋深淺，且基巖柱薄，采動(dòng)裂縫將發(fā)育至松散層底界。張玉軍[14]對(duì)榆神礦區(qū)淺埋深采動(dòng)覆巖破壞特征進(jìn)行過研究，成果表明：當(dāng)基巖厚度較小時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度將受到風(fēng)化巖層和黏性土層的抑制。而本次數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)21-1煤層開采8m時(shí)，工作面推進(jìn)50m后垮落帶發(fā)育高度為20m，覆巖采動(dòng)裂縫發(fā)育異常劇烈，因第四系松散層的抑制作用，裂縫停止發(fā)育；當(dāng)21-1煤層限厚開采采厚為4m時(shí)，工作面推進(jìn)50m后，采動(dòng)裂縫已穿過基巖柱，進(jìn)入到松散粉砂土層底部，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至80m時(shí)，受第四系松散層抑制作用影響，采動(dòng)裂縫不再繼續(xù)向上發(fā)育，垮落帶發(fā)育至最大高度8.5m不再向上發(fā)展，垮采比為2.12。因此，可以推斷，21103工作面采用限厚開采時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，其垮落帶發(fā)育高度可按垮采比2.12進(jìn)行預(yù)計(jì)；全厚和限厚開采時(shí)，受松散層抑制作用影響，裂縫帶都將發(fā)育至松散層底部，無法確定裂采比。

3 覆巖破壞特征實(shí)測(cè)研究

鉆孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究是準(zhǔn)確掌握覆巖破壞高度直接有效的方法，多個(gè)鉆孔的實(shí)測(cè)還能反映出導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育形態(tài)，便于對(duì)工作面不同位置的采動(dòng)裂隙發(fā)育情況進(jìn)行合理預(yù)計(jì)[15-16]。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[17-18]，在21103工作面采空區(qū)上方布置2個(gè)觀測(cè)鉆孔，位置見圖4，分別應(yīng)用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)和鉆孔電視探測(cè)方法對(duì)21-1煤層覆巖破壞發(fā)育高度進(jìn)行研究。

3.1 鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)

圖5為CH01和CH02孔的沖洗液漏失量變化曲線圖及鉆孔水位變化曲線圖。由圖5(a)可知，CH01孔觀測(cè)至孔深41.98m時(shí)沖洗液全部漏失且不再返水，鉆孔水位至孔深59.62m時(shí)觀測(cè)不到，鉆探取芯反映在孔深39.53～56.72m層段巖芯破碎，可見高角度次生裂縫，表現(xiàn)為明顯的采動(dòng)裂縫發(fā)育特征，鉆孔在鉆進(jìn)至50.7m之后多次出現(xiàn)掉鉆甚至輕微卡鉆現(xiàn)象，起鉆后巖芯破碎，多呈碎塊狀，下部層段巖芯基本已失去原有層序性，表現(xiàn)為明顯的垮落帶破壞特征。此處21-1煤層頂板埋深約為62.99m，實(shí)際采厚為3.80m，觀測(cè)到的垮落帶頂點(diǎn)的孔深初步判定為50.70m，垮落帶高度為12.29m，垮采比3.23。

圖5 兩孔的沖洗液漏失量變化及鉆孔水位變化曲線

由圖5(b)可知，CH02鉆孔的沖洗液漏失量觀測(cè)從孔深47.24m開始，至孔深51.14m時(shí)沖洗液全部漏失且不再返水，鉆孔水位在孔深51.58m時(shí)觀測(cè)不到水位。CH02孔21-1煤層頂板埋深約為73.19m，實(shí)際采厚為3.80m，觀測(cè)到的垮落帶頂點(diǎn)的孔深初步判定為62.21m，垮落帶高度為10.98m，垮采比2.89。

由于煤層處于淺埋深薄基巖的沉積環(huán)境，套管底部位置與煤層較近，由于沖洗液大量消耗以及水位大幅下降現(xiàn)象出現(xiàn)在鉆孔自套管底部繼續(xù)往下鉆進(jìn)初期，因此認(rèn)為導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)位置應(yīng)在套管底部位置以上層位，因此不能確定煤層導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)發(fā)育位置。

3.2 鉆孔電視探測(cè)

分析鉆孔電視成像探測(cè)結(jié)果 (圖6)，CH01鉆孔自孔深39.10m開始探測(cè)，在39.60～43.60m層段孔壁裂隙多為高角度縱向發(fā)育，部分層段為縱橫交叉裂隙，裂隙細(xì)長，裂隙面新鮮，判斷為采動(dòng)裂隙；自52.70m開始，裂隙變寬大，裂隙間有較大的巖塊脫落，越往深部孔壁完整性越差，探測(cè)段末端可見巖塊堆疊雜亂，是垮落帶的典型特征。

圖 6 CH01 鉆孔彩色電視探測(cè)成果

根據(jù)鉆孔電視成像資料反映的采動(dòng)裂隙的發(fā)育與分布特征，預(yù)計(jì)CH01孔的垮落帶頂點(diǎn)位于孔深50.44m，垮落帶高度為12.55m，垮采比為3.30。CH02孔的垮落帶頂點(diǎn)位于孔深62.96m，垮落帶觀測(cè)高度為10.23m，垮采比為2.69。

鉆孔孔壁在套管底部以下部分均呈現(xiàn)出明顯采動(dòng)裂隙特征，分析是由于煤層處于淺埋深薄基巖的沉積環(huán)境，套管底部位置與煤層較近，導(dǎo)水裂縫帶已經(jīng)發(fā)育至套管底部以上巖層，因此暫不能根據(jù)鉆孔電視圖像結(jié)果確定21-1煤層導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)發(fā)育位置。

綜合比較鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)和鉆孔彩色電視探測(cè)結(jié)果，本著安全的角度選取數(shù)值較大的覆巖破壞高度作為實(shí)測(cè)結(jié)果，最終確定伊犁四礦21-1煤層開采的垮落帶高度可以按照垮采比為3.3進(jìn)行預(yù)計(jì)。

4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，因煤層埋深淺，且基巖柱薄，采厚4m條件下裂縫帶已發(fā)育至第四系松散層底部；在鉆孔實(shí)測(cè)中，只觀測(cè)到垮落帶頂點(diǎn)高度，因?qū)芽p帶已發(fā)育至套管以上層位，所以無法測(cè)定導(dǎo)水裂縫帶高度。綜合分析兩種方法的結(jié)果，從偏安全的角度出發(fā)，確定21-1煤層綜放開采的覆巖破壞發(fā)育最大高度可按垮采比3.3進(jìn)行預(yù)計(jì)。

5 結(jié) 論

(1)綜合比較數(shù)值模擬、鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)和鉆孔電視探測(cè)結(jié)果，確定伊犁四礦的覆巖破壞發(fā)育最大高度可按垮采比3.3進(jìn)行預(yù)計(jì)；由于煤層埋深淺、基巖薄，且受松散層抑制作用的影響，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育將穿過基巖柱進(jìn)入到第四系松散層底部。

(2)覆巖破壞實(shí)測(cè)結(jié)果為該礦防止古近系砂礫含水層對(duì)煤層開采的不利影響，同時(shí)為制定相應(yīng)的開采安全技術(shù)措施提供了依據(jù)。