倾斜煤层综放开采覆岩破坏高度实测研究

易 强，吕继龙，代英浩，王云龙

(黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司，黑龙江 鹤岗 154100)

鹤岗矿区煤层为厚煤层累煤层发育，目前缺少相关权威的裂缝带发育高度理论依据，对矿区安全生产影响较大，为此，利用地面钻孔和钻孔成像技术及井下钻孔和注水试验技术对矿区裂缝带发育进行探测，为鹤岗矿区在厚煤层裂缝带发育方面积累自己的经验，填补了鹤岗矿区乃至全国“厚煤层一次采全高”的空白[1]。

1 项目概况

龙煤鹤岗矿业有限责任公司峻德煤矿位于黑龙江省鹤岗市区南端，是鹤岗煤田最南部的一个矿井，行政区划分隶属于鹤岗市兴安区。矿井东邻鹤佳铁路线峻德火车站，南为东山区新华镇，西与新华农场接壤，北邻兴安煤矿。本工作面位于二水平南三采区，北至F40断层下盘，南到F24下盘，东起-250煤层底板等高线，西止F7、F9断层下盘，工作面主采的30层煤直接顶为4～6 m的灰白色细砂岩，以石英、长石为主，夹少量暗色矿物，属于Ⅲ中硬顶板；老顶为25～30 m的白色中、粗砂岩，坚硬、无层理，属于Ⅱ坚硬顶板，该面开采深度-143 ～-250 m(地面标高+235 m)。于2014年5月开始回采。回风道长876 m，机道长912 m，倾斜平均长168 m，面积150 192 m2。工作面主采30层煤，赋存稳定，以亮煤为主，少量暗煤，结构简单，层理发育。产状为95°～121°，倾角32°～37°，平均34°。煤层总厚度3.03～5.11 m，有益厚度2.40～3.86 m，工作面平均采高3.5 m。煤种为QM，水分1.17%～1.4%，灰分为16.43%～30.87%，挥发分36.72%～42.59%，容重1.32 t/m3，工作面储量65.9万t。该区上覆第四纪砂层底板标高175～188 m，厚度46～55 m，残余水头高度22～32 m，同时区内上覆第三系地层，底板标高+2～+84 m，厚度61～168 m，富水性中等，为工作面上覆主要含水层。工作面开采后形成的导水裂缝带若直接导通上覆含水层或通过其他渠道导通含水层，会给工作面安全生产带来突水隐患。工作面具体位置如图1所示。

图1 峻德煤矿二水平南三采区30层工作面采掘工程平面图

2 导水裂缝带高度基于经验公式计算的预计

煤层开采后，采场覆岩破坏是一个由下至上的逐步发展过程，在不同高度的岩层其破坏程度不同。根据覆岩破坏状况，一般将采场覆岩由下至上划分为垮落带、裂缝带和弯曲带[2]，其结构[3]如图2所示。

目前我国煤矿现场技术人员广泛使用的导水裂缝带高度计算公式，是依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中给出的经验公式，通过将覆岩岩性分类为“坚硬”、“中硬”、“软弱”、“极软弱”类型分别采用不同的经验公式来计算覆岩导水裂缝带高度[4]。采用对应公式[5]，取采厚为M=3.75 m(现场观测断面处的煤层实际采厚)，覆岩岩性按中硬地层考虑，计算垮落带高度为8.03～12.43 m；导水裂缝带高度为33.46～44.66 m。

3 井下仰斜钻孔导水裂缝带高度观测

3.1 导水裂缝带高度观测方式

在工作面周边，向采空区上方的覆岩导水裂缝带内打仰斜钻孔，采用双端堵水器观测导水裂缝带高度。与传统的地面打钻孔、采用钻孔冲洗液消耗量观测法相比，该方法工程量小、成本低、精度高、简单易行，其观测方式如图3所示。

图3 井下仰斜钻孔导水裂缝带高度观测方式

3.2 观测仪结构

整个观测仪器由三部分组成：双端堵水器、连接管路、控制台，如图4所示。双端堵水器由两个起胀胶囊和注水探管组成。连接管路有两条：起胀管路和注水管路。控制台也是对应两个：起胀控制台和注水控制台。起胀控制台、起胀管路和双端堵水器的两个胶囊相连通，构成控制胶囊膨胀和收缩的控制系统。注水控制台、注水管路和双端堵水器的注水探管相连通，构成一个控制和观测岩层导水性的注水观测系统。

图4 井下仰斜钻孔导水裂缝带高度观测原理系统图

3.3 钻孔布置方案

根据二水平南三采区30层的地质资料、巷道条件和观测时间要求，工作面导水裂缝带高度观测钻孔的观测位置宜设在工作面的上下顺槽附近，与工作面采空区之间留设有合理宽度的隔离煤柱。在上下顺槽附近布置观测钻场向工作面采空区方向施工导水裂缝带高度观测钻孔。根据工程地质条件分析以及现场施工选点，确定在距工作面风道垂距20 m、水平距离50 m处的一条巷道内设置观测钻场，在钻场内布置钻机进行施工。根据现场工程地质条件分析，观测断面位置处工作面平均长度150 m，煤层倾角约为40°，平均采高3.75 m，以上述参数作为导水裂缝带高度观测钻孔参数的设计依据。施工观测钻孔时，由观测位置向工作面采空区方向施工导水裂缝带高度观测钻孔3个[6]，观测钻场选择及钻孔布置平面图如图5所示。

工作面覆岩导水裂缝带高度的观测需要在钻场处施工3个观测钻孔，孔1坐标方位角-10°，倾角35°，长度120 m；孔2坐标方位角0°，倾角41°，长度120 m；孔3坐标方位角10°，倾角41°，长度100 m。剖面如图6所示。

图6 钻场测点导水裂缝带高度观测钻孔布置剖面图

4 工作面覆岩导水裂缝带高度观测成果

本次现场观测共实测3个顶板导水裂缝带高度观测钻孔，3个钻孔均比较准确地测试出了峻德煤矿二水平南三采区30层工作面导水裂缝带发育高度的上限值，观测成果相互印证，可以得到较为可靠的导水裂缝带发育高度结果。1#观测孔导水裂缝带观测高度为36.7 m，2#观测孔导水裂缝带观测高度为38.6 m，3#观测孔导水裂缝带观测高度为43.5 m。

3个钻孔的观测结果较为接近，同时，观测结果差值也从侧面验证了工作面上覆导水裂缝带的“马鞍形”空间形态[7]。1#～3#孔由于设计倾角和方位角的差别，使得钻孔分别从“马鞍形”裂缝带上部的平缓区和峰值区穿过，3#孔的观测结果最大，证明其恰好穿过了裂缝带发育的最大高度区域[8]。在工程现场参数取值中，为了保证较高的安全系数，往往取最大值作为最终结果[9]。因此，根据现场实测数据，最终确定峻德煤矿二水平南三采区30层工作面导水裂缝带发育高度现场实测结果为43.5 m[10]。

5 结 论

(1)井下仰斜钻孔双端堵水器导水裂缝带高度观测技术钻孔工程量小、观测精度高、手段先进，是水体下采煤导水裂缝带高度观测的有效方法。

(2)峻德煤矿二水平南三采区30层工作面平均采高3.75 m，采场覆岩为中硬强度偏硬地层，导水裂缝带高度观测钻孔共施工3个，现场观测结果为43.5 m，根据地层结构分析，导水裂缝带应该发育至探测终孔位置粉砂岩层为止，此岩层距离工作面垂高46.13 m。综合观测成果与地层钻孔柱状图分析得出：工作面采场覆岩导水裂缝带高度为：H=46.13 m。导水裂缝带高度与采厚比为：H/M=46.13/3.75=12.3倍。

综合上述分析，以裂采比12.3指导以后工作面的导水裂缝带高度预测分析是较为合适的，该区域生产可使用该系数计算导水裂缝带高度。