劉 震，王玉濤，劉小平,2，王曉東

深部條帶開采覆巖“三帶”探測及量化評判

劉 震1，王玉濤1，劉小平1,2，王曉東1

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 西安理工大學土木建筑工程學院，陜西 西安 710048)

為研究深部條帶開采覆巖裂隙發(fā)育高度這一采空塌陷區(qū)治理中的關(guān)鍵技術(shù)問題，綜合運用工程地質(zhì)鉆探、鉆孔電視與煤田測井3種方法對濟寧煤田某煤礦覆巖采動裂隙進行探測與分析。結(jié)果表明：緩傾斜(煤層平均傾角6°)、深埋(平均埋深538 m)、采留比1∶2(采50 m留100 m)的條帶式采動下，覆巖“三帶”特征顯著，空間整體呈“波浪式”破壞形態(tài)，地下采空區(qū)無明顯空洞；垮落帶發(fā)育高度為8.45 m，為采高的3.0倍，斷裂帶發(fā)育高度為57.55 m，為采高的20.6倍；覆巖“三帶”發(fā)育高度判別的8個量化指標中，鉆孔電視法比工程地質(zhì)鉆探法、煤田測井法精確度高。探測結(jié)果較為準確可靠，為深部條帶采空塌陷區(qū)治理方案的選擇提供依據(jù)。

深部條帶開采；工程地質(zhì)鉆探；鉆孔電視；煤田測井；“三帶”；量化評判

煤層開采后將形成巖層移動、變形與破斷，并在覆巖中形成采動裂隙[1-4]。相關(guān)學者[5-8]對我國煤礦開采覆巖破壞與導水裂隙分布作了大量的實測和理論研究，針對采場上覆巖層移動破斷與采動裂隙分布規(guī)律提出了“橫三區(qū)”“豎三帶”。覆巖“三帶”發(fā)育高度對礦產(chǎn)資源開發(fā)及其充分利用[9]、水體下采煤與瓦斯防治[10-12]、保水采煤[13-16]、采煤沉陷區(qū)綜合治理[17]具有重要意義。

我國東部大部分礦區(qū)為保護地面構(gòu)筑物與環(huán)境，控制地表變形，大量采用條帶采煤方法。對此，眾多學者采用理論分析[18-19]、相似材料模擬[20-21]、數(shù)值計算[22-24]等手段，對條帶式開采覆巖裂隙的探測和發(fā)育規(guī)律進行了研究。普遍認為，條帶開采覆巖破壞機理不同于長壁開采，對此提出的假說主要有：托板理論、煤柱壓縮與壓入假說、巖梁假說、波浪消失假說。而深部條帶開采條件下，覆巖易于形成自然平衡拱，一般表現(xiàn)為直接頂垮落，但基本頂垮落不充分，地下殘余大量空洞，采動裂隙發(fā)育不顯著，基于此認識，對條帶式采空塌陷區(qū)作為建筑場地時，提出了采空塌陷區(qū)墩臺式注漿治理理念。上述研究主要針對的是條帶開采宏觀的覆巖破壞機理，而對于條帶開采覆巖采動裂隙的擴展、分布及“三帶”高度量化評判方面研究較少。

墩臺式注漿治理方案是否可行，需要深入研究條帶開采地下殘留空洞及覆巖“三帶”發(fā)育特征。本文以魯西南賦煤區(qū)濟寧煤田濟北某礦條帶式采煤工作面為研究對象，采用工程地質(zhì)鉆探法、鉆孔電視法和煤田測井法相互組合的方式，對覆巖采動裂隙的形成、擴展、分布進行了現(xiàn)場探測。旨在查明采空區(qū)的賦存狀態(tài)，給出現(xiàn)場探測評判指標，為深部條帶采空塌陷區(qū)治理方案的選擇提供依據(jù)。

1 地質(zhì)條件概況

濟寧煤田濟北礦區(qū)某礦井年產(chǎn)240萬t，采用立井分水平開拓(主井、副井、風井)，中央并列式通風，條帶短壁式綜合機械化一次采全高采煤工藝，頂板自由垮落法管理。全礦井開采下二疊統(tǒng)山西組3上煤層，平均采高2.8 m，煤層平均埋深約538 m，平均傾角6°，礦井綜合地質(zhì)柱狀如圖1所示。本次選取該礦具有代表性的334、338工作面為研究對象，通過施工采空區(qū)和煤柱兩種鉆孔，對深部條帶開采覆巖裂隙進行現(xiàn)場探測。334工作面寬度50 m，走向長度650 m，于2013年10月12日開始回采，2013年12月27日回采結(jié)束；338工作面寬度50 m，走向長度700 m，于2014年2月5日開始回采，2014年5月16日回采結(jié)束，工作面兩側(cè)煤柱寬度均為100 m。2018年12月在338工作面和334與338工作面之間的煤柱內(nèi)共施工2個鉆孔，兩孔相距240 m，其中T1孔為探測孔，距兩側(cè)煤柱各25 m；T2孔為對照孔，距兩側(cè)工作面各50 m，終孔層位均以進入3上煤層底板不小于5 m為標準，具體鉆孔布置如圖2所示。

2 工程地質(zhì)鉆探法

2.1 鉆進過程

本次2個鉆孔施工均采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。T1鉆孔終孔深度為565.87 m，鉆進至494.22 m，沖洗液漏失量大幅度增加，孔內(nèi)水位迅速下降；鉆至515.70 m漿液全孔漏失；在504.42~533.00 m巖心破碎，并發(fā)育多處近垂向裂隙；551.10~557.93 m進尺忽快忽慢，卡鉆嚴重，加尺困難；562.35 m進入采空區(qū)底板，全程未發(fā)生明顯掉鉆。T2鉆孔終孔深度為540.42 m，施工期間全孔正常返水，鉆進平穩(wěn)，在529.50~535.25 m的煤層段進尺比其他層位略快。

圖1 礦井綜合地質(zhì)柱狀

圖2 鉆孔與采空區(qū)平面位置關(guān)系

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意

2.2 鉆孔沖洗液漏失量

對T1、T2鉆孔鉆進過程中每米進尺沖洗液漏失量和每分鐘漏失量進行了統(tǒng)計，并繪制關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，T1鉆孔494.22 m以前，沖洗液消耗變化不大，趨于平穩(wěn)，局部存在輕微波動，單位進尺漏失量為101.18~570.36 L/m，平均248.40 L/m；單位時間漏失量為0.98~2.18 L/min，平均1.56 L/min，該范圍受采動影響程度小。鉆進至494.22 m以后，沖洗液突然大量漏失，單位進尺漏失量平均增至1 043.27 L/m，增大3.2倍；單位時間漏失量平均增加至21.16 L/min，為之前的13.6倍。在515.70 m時，沖洗液全部漏失，直至終孔，單位進尺漏失量最大達到3 875 L/m，單位時間漏失量最大達到172.83 L/min，孔內(nèi)水位降至456.30 m。494.22 m至終孔范圍，受采動影響程度較大，裂隙連通性逐漸增強。

T2鉆孔施工過程中，單位進尺漏失量為9.55~ 232.14 L/m，平均為51.63 L/m；單位時間漏失量為0.33~1.27 L/min，平均0.54 L/min。沖洗液全程處于正常消耗狀態(tài)，趨勢平穩(wěn)，局部出現(xiàn)輕微震蕩。

2.3 鉆進速度分析

將T1和T2鉆孔的鉆進速度繪制曲線(圖5)。由圖5可知，T1鉆孔在鉆至511 m前時，鉆進速度為1.0~31.3 mm/min，平均10.7 mm/min，總體趨于平穩(wěn)，局部存在輕微波動；在511 m后鉆進速度大幅提升，為24.3~80.0 mm/min，平均41.5 mm/min；鉆進至562.35 m進入采空區(qū)底板后，速度降為23.2 mm/min，逐漸恢復平穩(wěn)。

圖4 鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔深度關(guān)系曲線

圖5 鉆進速度與鉆孔深度關(guān)系曲線

T2鉆孔總體鉆進平穩(wěn)，鉆進速度平均為11.2 mm/min，在529.50~525.25 m煤層段，鉆進速度加快，隨后趨于正常。

相對于全程鉆進速度平穩(wěn)的T2孔，T1孔在511~559.55 m范圍鉆進速度大幅提升并出現(xiàn)較大波動現(xiàn)象，主要是由于離層裂隙及破碎地層所致。

2.4 取心率與巖石質(zhì)量指標RQD分析

對T1和T2鉆孔巖心的采取率和巖石質(zhì)量指標RQD進行統(tǒng)計，繪制關(guān)系曲線(圖6)。由圖6可以看出，除個別層位由于施工條件、煤質(zhì)脆且易碎等原因?qū)е耇2孔取心率與RQD異常下降外，T1孔的取心率和RQD曲線基本低于T2孔。由于地層傾角的存在，T1和T2孔相同層位的深度有所不同，現(xiàn)對兩孔相同層位的取心率和RQD進行對比，見表1。由表1可知，490~540 m，T1孔的取心率與T2孔相同層位相差較小，RQD則相差較大，受采動影響較明顯；540 m以下范圍，T1孔取心率和RQD與T2孔相同層位相差明顯，取心困難，巖心破碎，受采動影響程度大。

圖6 取心率、RQD與鉆孔深度關(guān)系曲線

表1 相同層位取心率與RQD對比

3 鉆孔電視法

鉆孔電視最大優(yōu)點是通過影像可以直接觀察孔中巖石的完整性、裂隙發(fā)育程度、采空區(qū)垮落情況等，對鉆探因巖石垮落、裂隙發(fā)育等因素造成的巖心采取率不足等現(xiàn)象，是極其重要的補充完善。

3.1 覆巖采動裂隙可視化探測

本次采用GD3Q-GA 4D超高清全智能鉆孔電視對T1鉆孔進行孔內(nèi)窺視，孔壁圖像橫向按照N-E-S-W-N方向順序展開，豎向按深度自動拼接，精度至毫米。探測自280 m開始，至553.3 m結(jié)束，由于塌孔原因，探頭并未到底，實際探測273.3 m，鉆孔電視部分超高清照片如圖7所示。

圖7 T1孔鉆孔電視照片

根據(jù)鉆孔電視探測結(jié)果分析，493.55 m處存在橫向裂隙，寬度達35 mm；493.55~526.70 m，裂隙發(fā)育數(shù)量較少，以斜裂隙為主，偶見有橫向裂隙；526.70~551.10 m，裂隙發(fā)育數(shù)量明顯增加，以橫向離層裂隙為主，偶見高角度垂直與水平組合裂隙；551.10 m以下，巖體呈松散塊狀堆積，形狀不一，縱橫向裂隙均有發(fā)育，無法辨認單一裂隙產(chǎn)狀。

3.2 采動裂隙統(tǒng)計分析

對T1孔鉆孔電視照片進行分析，統(tǒng)計450 m以下的139條裂隙，結(jié)果見表2，并繪制節(jié)理裂隙傾向玫瑰圖(圖8)。由表2可知，450~493.55 m范圍以原生微小裂隙為主，裂縫寬度很小，內(nèi)部為原生充填物，連通性差，對地層后續(xù)變形無明顯影響；> 493.55~526.70 m范圍裂縫寬度較小，內(nèi)部多充填鉆探巖屑，鉆進過程沖洗液全漏失，裂縫連通性較好，對地層后續(xù)變形影響較小；>526.70~551.10 m范圍多發(fā)育橫向離層裂隙，偶見高角度垂直與水平組合裂隙，裂縫寬度可達25 mm，是采動裂隙集中發(fā)育的范圍，對后續(xù)地層變形有一定影響；>551.10~ 559.55 m范圍巖體呈松散堆積狀，大型裂縫、高角度裂隙發(fā)育，鉆進過程中塌孔嚴重，經(jīng)常埋鉆，對后續(xù)地層變形影響最大。由圖8可知，節(jié)理裂隙主要向NEE方向傾斜。由于地層由東北向西南傾斜，傾向233°，且工作面走向布置為北東向西南方向，與地層夾角約15°。工作面采用俯采，先開采的位置，覆巖最先發(fā)生破斷，由此造成采動裂縫主要發(fā)育方向為NEE。

表2 節(jié)理裂隙統(tǒng)計

圖8 節(jié)理裂隙傾向玫瑰圖

4 煤田測井法

對T1孔和T2孔進行了煤田測井，并統(tǒng)計了自然伽馬、體密度、井徑擴大倍數(shù)3個參數(shù)，見表3。

由表3可以看出，煤層開采對T1孔525 m以上覆巖的3個參數(shù)影響較?。?25~550 m受到一定程度影響；550 m至終孔范圍受影響最大，與對照孔T2相同層位相比，具體表現(xiàn)為自然伽馬降低19%，體密度降低23%，井徑擴大100%，這是煤層開采后，覆巖破斷形成采動裂隙與空洞所導致。T1孔490 m以上范圍以原生微小裂隙為主，測井參數(shù)幾乎沒有變化；490~525 m范圍以原生裂隙與采動小型裂縫并存，測井參數(shù)變化不明顯；525~550 m范圍豎向采動裂隙與離層裂隙發(fā)育，導致覆巖的3個測井參數(shù)發(fā)生一定程度變化；550 m至終孔范圍巖體松散堆積，大型裂縫發(fā)育，導致該范圍的自然伽馬及體密度介于正常覆巖與煤層之間，而井徑在該范圍達到最大，覆巖受采動影響最為嚴重。

5 覆巖破壞規(guī)律及“三帶”發(fā)育高度量化評判

5.1 覆巖破壞規(guī)律

通過工程地質(zhì)鉆探、鉆孔電視和煤田測井3種方法的探測，結(jié)果表明，緩傾斜(煤層平均傾角6°)、深部(平均埋深538 m)、采留比1∶2(采50 m留100 m)的條帶式采動下，覆巖“三帶”發(fā)育特征顯著，空間整體呈“波浪式”破壞形態(tài)，工程地質(zhì)剖面如圖9所示。彎曲下沉帶以原生裂隙為主，受采動影響程度??；弱斷裂帶以斜裂隙為主，偶見橫向裂隙，強斷裂帶以橫向離層裂隙為主，偶見高角度垂直與水平組合裂隙；垮落帶巖體呈松散塊狀堆積，形狀不一，縱橫向裂隙均有發(fā)育，無法辨認單一裂隙的產(chǎn)狀，無明顯空洞，因此，墩臺式注漿治理方案不適用于該采空區(qū)。

表3 煤田測井參數(shù)統(tǒng)計

5.2 “三帶”發(fā)育高度量化評判

針對“三帶”發(fā)育高度，通過綜合探測分析，提出了每米進尺漏失量、鉆進速度、取心率、RQD、自然伽馬、體密度、井徑擴大倍數(shù)、采動裂隙可視化觀測等8個量化評判指標。工程地質(zhì)鉆探法作為“三帶”探測的傳統(tǒng)方法，其漏失量、鉆進速度、取心率、巖石質(zhì)量指標RQD等參數(shù)僅能大致判斷“三帶”范圍，精度一般；煤田測井法作為“三帶”探測的重要補充，其自然伽馬、體密度、井徑擴大倍數(shù)等參數(shù)對垮落帶范圍的識別較為準確可靠，對彎曲下沉帶和斷裂帶的識別精度一般；鉆孔電視法作為“三帶”探測的可靠方法，可以直觀精確地觀測“三帶”特征，判斷發(fā)育高度。

根據(jù)3種方法對“三帶”發(fā)育高度進行綜合量化分析：493.55 m以上范圍為彎曲下沉帶，高度493.55 m；493.55~526.70 m為弱斷裂帶，高度33.15 m；526.70~551.10 m為強斷裂帶，高度24.40 m，斷裂帶高度57.55 m，為采高的20.6倍；551.10~559.55 m為垮落帶，高度8.45 m，為采高的3.0倍。

對于“三帶”發(fā)育高度的探測，以上3種方法均有一定作用，通過對比，鉆孔電視法更為直觀，且能準確定位、定量描述，比工程地質(zhì)鉆探法、煤田測井法精確度高。

6 結(jié)論

a. 緩傾斜(6°)、深埋(538 m)、采留比1∶2(采50 m留100 m)的條帶式采動下，覆巖“三帶”發(fā)育特征顯著，呈“波浪式”破壞形態(tài)。彎曲帶以原生裂隙為主，弱斷裂帶以斜裂隙為主，強斷裂帶以離層裂隙為主，垮落帶巖塊堆積松散，無明顯空洞。

圖9 覆巖“三帶”工程地質(zhì)剖面示意

b. 提出“三帶”發(fā)育高度的8個量化評判指標，綜合鉆孔電視、工程地質(zhì)鉆探和煤田測井3種方法，得出彎曲下沉帶高度493.55 m；斷裂帶高度57.55 m，為采高的20.6倍；垮落帶高度8.45 m，為采高的3.0倍。

c. “三帶”發(fā)育高度的3種探測方法中，鉆孔電視法比工程地質(zhì)鉆探法、煤田測井法精確度高。探測結(jié)果較為準確可靠，可為深部條帶采空塌陷區(qū)治理方案的選擇提供依據(jù)。

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Exploration and quantitative evaluation of overburden strata “three zones” in deep strip mining

LIU Zhen1, WANG Yutao1, LIU Xiaoping1,2, WANG Xiaodong1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China;2. School of Civil Engineering & Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In order to study the height of overburden fractures in deep strip mining, engineering geological drilling, borehole television and coalfield well logging have been applied to detect and analyze the overburden fractures in a coal mine in Jining coalfield. The results indicate that, under the strip mining with gentle dip(6°), deep depth(538 m) and 1:2 mining-retention ratio(mining –50 m and remaining –100 m), the “three zones” develop prominently, presenting “wavy” destruction in space, and the goaf has no obvious cavity. The height of caving zone is 8.45 m which is 3.0 times of the mining height, and the fault zone is 57.55 m, 20.6 times of the mining height. Among the eight quantitative indicators for judging the development height of “three zones”, borehole television is more accurate than the other two methods. The results of detection are more accurate and reliable, which can provide a basis for the selection of management plan in deep strip mining subsidence area.

deep strip mining; engineering geological drilling; borehole television; coalfield well logging; “three zones”; quantitative evaluation

TD823.6

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.003

1001-1986(2020)03-0017-07

2019-11-26；

2020-02-21

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2019XAYZD05)

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYZD05)

劉震，1992年生，男，陜西渭南人，碩士，助理工程師，從事采空塌陷防治技術(shù)方面的研究工作. E-mail：lz_zhenliu@163.com

劉震，王玉濤，劉小平，等. 深部條帶開采覆巖“三帶”探測及量化評判[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：17–23.

LIU Zhen，WANG Yutao，LIU Xiaoping，et al. Exploration and quantitative evaluation of overburden strata “three zones” in deep strip mining[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：17–23.

(責任編輯 周建軍)