综采工作面覆岩破坏高度实测研究

李 杰，张俊英，马丕梁，陈清通

（1.煤炭科学研究总院安全分院，北京100013;2.煤炭科学研究总院检测分院，北京100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院），北京 100013）

综采工作面覆岩破坏高度实测研究

李 杰1，3，张俊英1，3，马丕梁2，陈清通1，3

（1.煤炭科学研究总院安全分院，北京100013;2.煤炭科学研究总院检测分院，北京100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院），北京 100013）

确定导水裂缝带发育高度对于确保煤矿水体下安全生产以及地表水、地下水资源等的保护都具有十分重要的意义。陕蒙交界处某煤矿为了确保生产安全，在2201综采工作面上方，布置了2个钻孔，采用钻孔冲洗液消耗观测法和钻孔电视观测法，对覆岩破坏状态进行了实测。通过对实际观测资料的总结分析，获得了该区综采条件下的导水裂缝带、垮落带发育规律并进行了相关对比研究，研究成果为条件类似矿井缩小防水煤柱、提高采煤上限等提供了参考。

综采工作面;覆岩破坏;导水裂缝带;垮落带

煤层开采破坏了岩体的原始应力场，使得采场围岩和采空区的应力发生变化并重新分布，从而引起围岩，尤其是采空区上覆岩层发生变形、开裂及破坏。覆岩破坏的范围与程度将直接决定水体下采煤的安全与否。覆岩破坏高度包括垮落带高度和导水裂缝带高度，是“三下”采煤安全性评价的重要参数［1－2］。覆岩破坏高度的确定，可以通过现场观测、经验公式预计、数值模拟计算等方法得出［3－4］。目前，我国西北地区垮落带高度和裂缝带高度实测资料缺乏，陕蒙某煤矿为了确保生产安全，在2201综采工作面上方，布置了2个钻孔，采用钻孔冲洗液消耗观测法和钻孔电视观测法，对覆岩破坏高度进行了实测研究。

1 矿井概况及水文地质条件

该煤矿位于陕蒙矿区，2201工作面开采2－2煤层，工作面位于井田边界北西一侧，回采范围内第四系松散层厚度为5～25m，上覆基岩厚度为260～290m。工作面沿煤层走向推进，走向长度3648m，倾向长度300m，倾角为1～3°，采深280～340m。采煤方法为走向长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法，一次采全高，采厚2.8m，全部垮落法控制顶板。推进速度为8.47m/d。

工作面内水文地质情况简单，含水层主要为侏罗系直罗组裂隙承压含水层和侏罗系－白垩系志丹群砂岩裂隙潜水含水层，含水性较弱，为HCO3－Ca型水，矿化度低。工作面正常涌水量15～30m3/h。煤层顶板情况如表1。

2 现场观测研究

2.1 观测方法

现场观测采用钻孔冲洗液消耗观测法和钻孔电视观测法。

钻孔冲洗液消耗观测法 通过直接测定钻进过程中的钻孔冲洗液消耗量、钻孔水位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻孔吸风、岩芯观察及地质描述等资料，综合判定垮落带和裂缝带高度及其破坏特征的一种方法。裂缝带高度主要是根据钻孔冲洗液消耗量、周围岩体破坏程度和钻孔水位观测等结果加以确定;垮落带高度则主要是根据钻进异常现象加以确定。

彩色钻孔电视系统 彩色钻孔电视系统是把自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，在地面的彩色监视器上可直接观测地下钻孔的地质构造。根据图像的形态、颜色及光亮等信息，可用于识别岩性、裂隙、空洞、软弱夹层等情况，并用录像磁带保存测井资料。

表1 煤层顶底板情况

2.2 钻孔布置及现场观测

现场观测采用D1钻孔和D2钻孔，两钻孔位置均处于2201综采工作面上。D1孔位于工作面中部，距离工作面运输巷150m，孔口距离煤层顶板311.5m;D2孔距离工作面运输巷25m，孔口距离煤层顶板299m。工作面回采时间为2010年2月－2011年4月，钻孔观测时间为2011年3月27日－2011年4月10号。钻孔位置示意如图1。

图1 钻孔位置布置

2.3 观测结果

2.3.1 D1钻孔覆岩破坏高度观测

观测D1钻孔从232m套管以下取芯揭露地层情况。冲洗液漏失量观测从孔深242m处开始，从孔深271.02m处钻孔冲洗液不返水，孔深271.52m提钻孔内无水，取出岩芯有纵向断裂迹象。从孔深280m随着钻进过程，偶尔有压力，在287.0m处出现200～300m的掉钻现象。在孔深296～298m处频繁掉钻，且伴随卡钻现象，取出岩芯较少，且非常破碎，孔内有明显吸风。孔深242.0～254.0m处冲洗液漏失量变化不大，总体趋于平缓。从孔深254.0m开始，冲洗液漏失量开始有变化，先快速增大，后又趋于平缓，分析可能存在原生裂隙导致。在孔深271.0m冲洗液循环中断，全部漏失，经注水试验后并不返水。单位时间单位进尺漏失量同单位时间漏失量的变化趋势一致。图2和图3分别为D1钻孔漏失量随孔深变化曲线图和下钻前孔内水位随孔深变化曲线图。

图2 D1钻孔漏失量随孔深变化曲线

图3 D1钻孔下钻前孔内水位随孔深变化曲线

由图2和图3可知，孔内水位随着钻孔深度的增加呈下降趋势，综合冲洗液漏失量、钻孔水位随孔深的变化情况及岩芯情况可以看出:在D1钻孔深270.8m处钻孔冲洗液漏失量明显增大，至271m处冲洗液循环中断，在孔深271.5m提钻后孔内无水位且岩芯较为破碎，有纵向断裂迹象。综合分析，判定271m处为D1钻孔导水裂缝带的顶点。孔口距离煤层顶板高度为311.5m。

导水裂缝带高度计算公式为:

式中，Hli为导水裂缝带高度，m;H为煤层顶板距离孔口垂深，m;h为裂缝带顶点距离孔口垂深，m;W为打钻观测时裂缝带岩层的压缩值，m。

在D1钻孔位置煤层采厚M为2.8m，取W=0.2M，即0.56m，经计算D1钻孔导水裂缝带高度41.06m，为采厚的14.66倍。

在钻进过程中，在D1钻孔孔深287m发生掉钻现象，在孔深296～298m掉钻频繁，且发生卡钻及钻具振动加剧，钻孔内有明显的吸风现象，取出岩芯较少，且非常破碎。因此判定在孔深296m处为D1孔的垮落带顶点。

垮落带高度计算公式为:

式中，Hm为垮落带高度，m。

经计算D1钻孔垮落带高度为16.06m，为采厚的5.74倍。

2.3.2 D2钻孔覆岩破坏高度观测

D2钻孔孔深在233.75m处不返水，灌水后返水，钻进至234.5m处又不返水，提钻后岩芯未能取出，孔内有120m水位，钻进至236.68取岩芯，岩芯完整，236.68～237.43m冲洗液循环良好，237.18m时不返水，提钻后岩芯良好，孔内有70m水位，进行灌水试验。孔内灌满水，水位迅速下降至20m左右，后缓慢下降。分析漏水原因，钻具在套管内空转时水位循环，在到孔底位置时仍有水位循环，钻进0.2m时不返水，分析得出有原生裂隙存在，决定2m一提钻观测孔内水位。在孔深260.07m处孔内有62.5m水位，在262.97m处孔内没水。在孔深 281.41m处掉钻 0.3m，在283.41m提钻后孔内吸风明显。在孔深283.5m后频繁掉钻，且伴随卡钻现象，取出岩芯少，且非常破碎，孔内有明显吸风。

由于D2钻孔观测段原生裂隙多，漏失量无法进行精确测量，只能通过钻孔水位、岩芯、钻孔电视等进行判定导水裂缝带及垮落带。图4为D2孔247.9～284.9m钻孔电视成像图。

通过钻孔水位、钻孔彩色电视观测结果及钻进记录综合分析，判定D2钻孔导水裂缝带顶点为261.4m，煤层顶板距离孔口垂深为299m，D2孔位至煤层开采厚度为2.8m，因此D2钻孔导水裂缝带高度为38.16m，为采厚的13.63倍。根据钻进过程异常现象及钻孔电视观测，判定垮落带顶点为283m，经计算D2钻孔垮落带高度为16.56m，为采厚的5.9倍。

2.4 观测成果总结

实测D1孔导水裂缝带高度41.06m，为采厚的14.66倍;D2钻孔导水裂缝带高度为38.16m，为采厚的13.63倍。两者比较接近，平均值为39.61m，为采厚的14.15倍。

图4 D2孔247.9～284.9m钻孔电视成像图

实测D1钻孔垮落带高度为16.06m，为采厚的5.74倍。D2钻孔垮落带高度为16.56m，为采厚的5.9倍。两者比较接近，平均值为16.31m，为采厚的5.82倍。

正常情况下，导水裂缝带分布呈马鞍型，边界上方高度略大于中央。本区D1孔位于采空区倾向中央、D2孔位于边界内，D1孔导水裂缝带高度大于D2孔，分析其原因是由于D2钻孔观测段原生裂隙多，漏失量无法进行精确测量，导水裂缝带高度是通过钻孔水位、岩芯、钻孔电视等进行判定确定的，存在一些误差，故D2钻孔导水裂缝带高度应大于38.16m，考虑到 D1孔导水裂缝带高度41.06m，结合本区地质采矿条件，建议本区导水裂缝带高度取43m左右为宜，为采厚的15.36倍。

3 规程公式对比分析

导水裂缝带高度和垮落带高度与地质和采矿条件密切相关，目前也尚无统一的多元相关表达式。因此，本文根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［5－7］对“两带”发育高度进行了计算。

综合考虑采场上覆地层的岩性和地质条件，覆岩选为中硬岩层，根据规程，采用如下公式对垮落带和导水裂缝带发育高度进行计算［5－7］。

式中，Hm为垮落带高度，m;Hli为导水裂缝带高度，m;∑M为煤层累计开采厚度，m。

根据上式，计算得2－2煤层垮落带最大高度为10.42m，为采厚的3.72倍;导水裂缝带高度为43.47m，为采厚的15.52倍。

结果表明，实测垮落带高度比经验理论计算值略大，计算得到的导水裂缝带发育高度与实际观测高度基本符合，故规程中的导水裂缝带高度计算公式在本区是适用的。

4 结论

（1）通过钻孔冲洗液漏失量法和钻孔电视法，对覆岩破坏的发育情况进行直观观测，得出该矿综采条件下导水裂缝带、垮落带的发育高度。实测D1钻孔导水裂缝带高度41.06m，为采厚的14.66倍;D2钻孔导水裂缝带高度为38.16m，为采厚的13.63倍。实测D1钻孔垮落带高度为16.06m，为采厚的5.74倍;D2钻孔垮落带高度为16.56m，为采厚的5.9倍。

（2）结合该矿地质条件，建议该矿导水裂缝带高度取43m左右为宜，为采厚的15.36倍;垮落带高度取平均值16.31m，为采厚的5.82倍。

（3）实测值与规程公式计算值对比分析表明，规程中的导水裂缝带高度计算公式在该矿区适用。

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Observation of Overlying Strata Broken in Full-mechanized Mining Face

LI Jie1，3，ZHANG Jun-ying1，3，MA Pi-liang2，CHEN Qing-tong1，3
（1.Safety Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Detection Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;3.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining ＆ Clean Utilization，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China）

It is very important that obtaining height of water-inductive fissure zone for ensuring safe mining under water body and protecting surface and underground water resources.Applying borehole flush consumption borehole TV observation，2 boreholes were constructed over 2201 full-mechanized mining face to observe overlying strata broken state.The development rule of water-inductive fissure zone and caving zone of this area were obtained.Results could provide reference for reduce waterproof coal-pillar and enhancing mining upper limit in mine with similar conditions.

full-mechanized mining face;overlying strata broken;water-inductive fissure zone;caving zone

TD325.4

A

1006-6225（2012）02-0082-04

2012－02－06

国家自然科学基金青年基金资助项目 （51004065）

李 杰 （1986－），男，江苏徐州人，在读硕士。现从事开采损害防治及采空区勘查等方面的科研及技术服务工作。

［责任编辑:张玉军］

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