分析计算与钻孔成像确定工作面顶板“两带”高度

胡雪墩

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿地测科，山西 方山 033000）

煤层开采后，煤层顶底板均会受采动应力的影响而发生破坏变形。煤层开采后对顶板的破坏可以分为三带，即垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带[1-3]。其中垮落带和导水裂缝带的高度对顶板水害的防治工作有重要影响[4-6]。以木瓜煤矿10-201工作面为研究对象，借助钻孔成像技术对顶板岩层进行现场实测，获得了两带发育高度的范围，为工作面防治水害提供科学依据。

1 工程概况

木瓜煤矿地处山西省方山县大武镇木瓜村南，井田面积10.63 km2。矿井煤炭地质储量68.77 Mt，可采储量49.021 Mt，可开采煤层3#、5#、9#、10#共四层。10-201工作面位于木瓜煤矿二盘区，+940水平准备巷道南翼，工作面标高+1 012～+1 190 m，地面标高+864～+932 m。工作面走向长1 081 m，倾向宽245 m。工作面上部及周边均为实体煤岩层，以北紧邻二盘区三条准备大巷，以南靠近矿井井田边界，以西为实体煤，以东为实体煤，紧邻风氧化带，靠近矿井井田边界。10-201工作面开采煤层为石炭系上统太原组的9#、10#煤，赋存较稳定，煤层厚度5.81～7.73 m，平均6.77 m，煤层倾角3°～14°，平均8°。受风氧化带影响，煤层的直接顶0～5 m范围为黄色泥岩，较软，裂隙发育；基本顶为灰岩和泥岩，厚度约为13 m；底板为深灰色粉砂岩，厚度约为5.21 m，较硬，遇水不膨胀。老底为深灰色砂质泥岩，厚度约为10.25 m。煤层顶底板岩层裂隙较发育，局部区域离层发育；底板含水层主要有奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，奥灰顶面距9#、10#煤底板约60 m。工作面煤层底板隔水层主要为太原组泥质岩与石炭系本溪组隔水层，以砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩为主，平均厚度60 m左右，隔水性能较好，是10#煤层与奥陶系之间的主要隔水层。根据工作面掘进期间断层揭露情况及坑透异常区验证分析，预计回采期间不会揭露陷落柱及落差大于煤层厚度2/3的断层。根据工作面周边钻孔及地质资料分析，判断该工作面回采区域内无冲刷。工作面上部灰岩受风氧化影响，顶板风氧化严重，煤层受风氧化带影响较小，无岩浆岩侵入影响。

2 充水因素分析及两带高度预算

木瓜煤矿10-201工作面开采的9#、10#煤层顶板主要含水层为石炭系上统太原组砂岩、灰岩含水层及二叠系砂岩含水层。根据工作面周边南5、ZK3钻孔综合分析，工作面范围内太原组中普遍含有L1+K2、L4、L5三层石灰岩及3层中细粒砂岩组成；二叠系砂岩含水层主要以细、中、粗粒砂岩为主，含水层连续性差，厚度不稳定。9#煤层顶板隔水层主要为太原组各层灰岩间的泥岩隔水层，隔水层主要由细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩组成，层位稳定，隔水性能较好。

煤层顶板三层灰岩L1+L2厚度4.1～5.15 m，平均4.6 m；L4厚度5.6～9.7 m，平均7.65 m；L5厚度1.67～2.4 m，平均14.29 m。石灰岩裂隙较发育，单位涌水量0.037 6～0.078 L/s·m，含水层富水性弱，渗透系数0.100 8～0.292 6 m/d，水位标高+1 032.25～+1 058.70 m之间；灰岩含水层赋水不均匀，局部存在富水区。煤层开采后，冒落裂缝带发育，回采过程中局部顶板出现裂隙淋水，由于含水层补给条件较差，以消耗静储量为主，工作面涌水量可能局部增大，但涌水持续时间不会太久，水源主要通过顶板裂缝、垮落和构造进入工作面。根据工作面掘进期间涌水情况分析，该含水层富水性弱，对回采影响较小。根据工作面掘进期间涌水量分析，预计回采期间，工作面正常涌水量为20～30 m3/h，最大涌水量为50 m3/h。据调查，工作面四周不存在采空区积水和封闭不良钻孔。

综合上述分析，工作面回采期间涌水水源主要为顶板灰岩裂隙水，回采至基岩较薄区域，大气降水可能通过采后形成的导水裂缝带、地表裂缝、地表塌陷坑渗入工作面；回采过程中局部顶板可能出现裂隙淋水，尤其是副巷里程245～380 m区域，掘进期间该区域顶板有3～5 m3/h的淋水，该区域地面位于沟谷区域，回采至此区域涌水量可能增大。受风氧化带影响，煤层顶板0～5 m范围为黄色泥岩，较软，裂隙发育。

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》[7]两带高度的经验公式，计算10-201工作面煤层的垮落带和导水裂缝带的高度。由于该工作面的直接顶为泥岩，垮落带和导水裂缝带高度计算公式按照覆岩岩性为软弱计算，即：

式中：Hk为垮落带计算高度；Hli为导水裂缝带高度；∑M为累积采厚，10-201工作面煤层为9#、10#煤，累积采厚为6.77 m。

经计算，可以获得垮落带的高度9.2±1.5 m，导水裂缝带的高度26.1±4.0 m。

3 钻孔成像测试结果及分析

3.1 钻孔成像测试技术相关参数

井下电视成像仪是一种直观显现岩层结构的测试技术，通过采用高分辨率彩色电视摄像头传感器进行监测，在液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造，能实时显示并记录探测深度，实时显现孔壁整体情况，包括离层、破裂、破碎岩体裂隙宽度及范围，图像清晰，可用于识别岩性、裂隙、空洞和软弱夹层等。根据钻孔孔壁岩层结构裂隙变化，确定受采动影响的垮落带和导水裂缝带高度发育程度[8-10]。

两带高度监测选择在10-201工作面上的轨道顺槽，观测孔及技术参数如表1所示。

表1 10-201工作面两带观测孔设计技术参数

3.2 钻孔成像测试结果及分析

在工作面开采前后，分别对孔内进行了成像观测，将采集后的图像后期截图处理，用于对比分析，进而获得工作面顶板的变形破坏特征。

图1为工作面煤层开采前的钻孔内部图像，可以看出，在3个不同钻孔深度下，孔壁较为完整，其中10 m和31 m深度下的孔壁存在细微的裂隙如图1（a）、图1（b）所示，而35 m及以上的钻孔则较为完整如图1（c）所示。

图1 不同钻孔深度处开采前孔内图像

图2为开采后相同位置的钻孔内部图像，可以看出，在10 m深度处有明显碎屑物，表明孔内破碎程度较高如图2（a）所示。31 m深度处有一条明显的裂隙如图2（b）所示，而35 m深度处的孔壁较为完整如图2（c）所示。

图2 不同钻孔深度处开采后孔内图像

由于单一钻孔的监测值不能准确反应煤层顶板两带的具体位置，根据钻孔探测的结果可以确认，垮落带高度约为7 m，导水裂缝带高度约为22 m，顶板变形破坏深度不超过25 m。钻孔实测的分析结果均在经验公式计算的预测高度范围内，实测结果有参考价值。

4 结论

在掌握了木瓜煤矿的基本地质条件之后，对工作面的充水因素进行分析，并借助钻孔成像技术对工作面顶板的两带发育高度进行了探测，得出以下结论：

1）通过整理地质资料后，认为顶板灰岩含水层对10-201工作面威胁最大，该含水层裂隙发育，虽然涌水量较小，但富水性不均匀，仍然要重点关注，做好防范措施。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》中的两带高度经验公式得到10-201工作面覆岩两带发育高度。

2）通过对钻孔成像的后期分析，在工作面回采后，监测钻孔内出现了明显的裂隙和碎屑物，破坏特征明显。通过对比开采前后相同钻孔深度的孔内图像可知，煤层顶板垮落带高度约为7 m，导水裂缝带高度约为22 m，从而得到了10-201工作面顶板破坏高度不超过25 m，实测结果与经验公式预测结果较为吻合，为工作面防治水提供了科学依据。