青龙寺煤矿高强度综采覆岩破坏特征实测研究

刘国臻，尹家宽，高 超

(1.国能榆林能源有限责任公司 青龙寺煤矿分公司，陕西 榆林 719499；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

井下工作面开采引起的覆岩垮落带和裂缝带发育高度对煤矿安全开采意义重大，众多学者对不同地质采矿条件下的覆岩“两带”高度发育特征进行了较深入的研究。刘天泉院士等[1]实测并回归分析了不同岩性条件的覆岩“两带”高度预计公式；孙庆先等[2]分析了红柳煤矿大采高综采条件下的“两带”发育高度特征；刘世奇等[3]对近距离多煤层重复采动条件下的“两带”高度预计方法进行了探讨；王振广等[4]基于云盖山煤矿软媒、软底和硬顶的地质采矿条件，应用井下仰斜钻、钻孔成像技术及数值模拟方法确定了该地质采矿条件下的“两带”发育高度；张国奇等[5]通过钻孔漏失量观测结合取芯情况分析了沙吉海地质采矿条件下的“两带”发育高度，并对其发育特征进行了简要分析；吴云等[6]将并行电法应用于两带发育高度的实测中，并用钻孔成像技术验证了并行电法的科学性；陈建华与朱续保[7]将理论分析、相似材料模拟、数值分析与现场实测得到的“两带”高度的科学性进行了探讨，并对比分析了以上手段的准确性；谭毅等[8]对浅埋深坚硬顶板、非充分采动条件下的“两带”高度进行了实测分析，揭示了非充分采动条件下不同采宽“两带”高度发育呈阶梯状跳跃增长的特征；周金龙[9]对隆德煤矿205工作面“两带”高度进行了实测，并将实测值与经验公式对比说明了二者数值的差异问题；孙庆先等[10]应用彩色钻孔电视、漏失量观测等综合手段确定了红柳林煤矿大采高综采条件下的“两带”高度；昌修林等[11]针对软弱覆岩影响的“两带”高度经验公式计算误差较大的特点，对计算公式进行了修正；赵明等[12]结合谢桥煤矿的岩性特征应用相似材料模拟研究了提高开采上限后的覆岩移动变形及“两带”高度发育特征；于钟博等[13]应用钻孔成像技术分析了鲍店煤矿地质采矿条件下的“两带”高度发育；侯公羽等[14]将光纤应用于相似材料模拟实验中的应变监测，并用光纤的突变点表征岩层的破断垮落、用应变曲线表征岩层的变形过程；焦振华等[15]应用相似材料模拟试验、钻孔电视技术综合确定了保护层下安全开采的垮落带和裂隙带的发育高度；曹丁涛等[16]针对经验公式与实测“两带”高度的误差特征，基于40例实测数据拟合回归了导水裂缝带高度计算公式；乔军好等[17]综合数值模拟、经验公式、井下实测、相似材料模拟等多手段，拟合求取了适用于综放开采软弱覆岩条件下的导水裂缝带发育高度公式；张彬等[18]对软弱岩层特厚煤层分层开采垮落带和裂隙带高度进行了漏失量观测，并结合彩色钻孔电视确定了其“两带”发育高度；张刚艳等[19]应用数值模拟分析了开采厚度、推进速度、工作面尺寸对“两带”发育高度的影响规律；刘卓然等[20]认为工作面推进速度、覆岩岩性、工作面尺寸对“两带”高度有一定的影响，并对各因素的影响特征进行了探究。“两带”发育高度与煤层采厚、开采工艺、覆岩岩性等相关。由于矿井地质采矿条件复杂，众多学者针对不同开采条件，采取了理论分析、经验公式、数值分析、现场实测等方法对覆岩“两带”发育高度进行了一系列研究；但针对于高强度综采、工作面快速推进地质采矿条件下的“两带”发育高度相关研究较少。笔者以青龙寺煤矿综采快速推进工作面为例，应用覆岩破坏勘察、钻孔冲洗液流失量观测、彩色钻孔电视等多手段综合分析了该地质采矿条件下的“两带”高度发育特征。

1 地质采矿条件

1.1 工程地质及工作面规划

青龙寺煤矿隶属榆林市府谷县老高川乡镇管辖，属典型黄土丘陵沟壑区地貌单元，井田地表绝大部分被第三系、第四系沉积物覆盖。依据地质填图及钻孔揭露由老至新依次为：三叠系上统延长组，侏罗系下统富县组，侏罗系中统延安组，新近系上新统保德组，第四系上、中更新统，全新统河流冲积层及风积沙。

本区岩石饱和抗压强度一般大于26 MPa，以中硬类岩石为主；岩石软化系数，0.61～0.89，平均0.76，抗压强度较易受水影响，饱和状态比干燥状态抗压强度一般低6～12 MPa；正常基岩一般较完整，RQD值一般大于68%，砂岩组大于76%。层理是岩石的主要结构面，当岩石受力沿裂隙、层理破坏时，岩石抗压强度降低。

青龙寺煤矿采用斜井开拓方式，设计生产能力300万t/a，自上而下分别为3-1、3-2、4-2、5-2煤层，主采3-1、5-2煤。矿井首先开采5-201盘区的5-2煤层，盘区内工作面采用长壁采煤法，一次采全高，后退式开采，全部垮落法管理顶板。5-201盘区内5-20101、5-20102、5-20104、5-20105工作面已经回采结束，正在回采5-20106工作面，盘区工作面平面布置如图1所示。

图1 5-201盘区工作面布置

1.2 工作面地质采矿特征

1)5-20101工作面概况。5-20101工作面为5-201盘区的首采工作面，位于5-201盘区的北侧；工作面宽度301 m，工作面连续推进长度为3767 m，工作面北侧为未开采的5-20102工作面，南侧为5-2煤西翼大巷，东侧为水管线保护煤柱，西侧为石窑店煤矿。根据钻孔资料揭露煤层厚度变化小，煤层中部夹有一层厚度平均在0.17 m的夹矸，主要为砂质泥岩，局部为泥岩；煤层平均厚度为2.3 m，煤层倾角1°左右。工作面于2016—2018年回采，工作面平均推进速度为10.4 m/d。

2)5-20105工作面概况。5-20105工作面为5-201盘区的第4个开采工作面，位于井田西南部；工作面宽度301 m，工作面连续推进长度为1536 m，工作面北侧为5-2煤西翼大巷，南侧为王塔煤矿越界采空区，东侧为5-20105工作面，西侧为5-20104工作面。煤层中部有一层夹矸，夹矸厚度一般为0.10 m，煤层平均厚度为2.36 m，煤层倾角平均≤1°。工作面于2021年回采，工作面平均推进速度为8.2 m/d。

2 覆岩破坏实测研究

为探明青龙寺煤矿5-2煤层“两带”发育规律，采用“地面钻孔+漏失量观测”方法，通过钻进过程中冲洗液消耗量漏失、孔内水位变化、岩芯完整情况、彩色钻孔电视探测岩层破碎情况等，综合分析、确定覆岩破坏“两带”高度。

2.1 钻孔孔位位置

根据煤炭行业标准《导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法》[21]的要求及5-201盘区各工作面的布置情况，分别在5-20101与5-20105工作面对应地表于2021年11月布设并施工2个覆岩观测孔(如图1所示)，具体情况如下：

1)Z1孔：位于5-20105工作面中部的运输巷侧，孔口坐标为(37457354.4，4332272.4，1214.0)，5-2煤底板标高为+1008 m，工作面平均采厚为2.36 m；根据采掘工程平面图与地质台账可知，Z1孔附近采厚为2.38 m。

2)Z2孔：位于5-20101工作面中部的回风巷侧，孔口坐标为(37459168.7，4333513.7，1235.0)，5-2煤底板标高为+1016 m，工作面平均采厚为2.3 m；根据采掘工程平面图与地质台账可知，Z2孔附近采厚为2.30 m。

2.2 漏失量观测及结果分析

钻孔冲洗液法可直接观测钻进过程中的冲洗液漏失量、钻孔水位、钻进异常情况、岩芯完整性和地质描述等资料来综合判定“两带”发育高度及特征的方法。青龙寺煤矿钻孔漏失量情况如下：

1)Z1钻孔观测结果分析：Z1钻孔的冲洗液漏失量自深度49.6 m开始，至深度131.6 m结束(深度132.8 m处由于岩层水平离层的发育、压力较大，无法堵漏)，钻孔冲洗液漏失量观测结果如图2所示。深度49.6 m至128.6 m深度范围内，钻孔冲洗液消耗量虽有所波动，但总体较为平稳，单位时间单位进尺的冲洗液消耗量基本稳定在0.2L/(s·m)以内，反映出钻孔位置冲洗液观测段地层完整性较好，裂隙不发育。自深度131.6 m以后，冲洗液漏失量明显增加，直至深度132.8 m时不返水。钻探过程中有明显的掉钻现象，最大掉钻深度约0.02 m，可以判断此处地层的离层较为发育；后期的彩色钻孔电视探测也证实了这一点。

图2 Z1孔单位时间单位进尺冲洗液漏失量

Z1钻孔孔内水位观测自深度58.19 m开始，至深度179.84 m结束，孔内水位观测如图3所示。由观测数据可知，钻孔深度在58.19～132.8 m范围内，钻孔水位下降速度基本保持平稳。钻孔深度在132.8～167.83 m范围内，钻孔水位下降速度逐渐加快，推断此处横向离层或岩层原生裂隙较为发育；后续经彩色钻孔电视勘察也进行了证实，此范围内横向离层有明显发育。深度167.83 m以后，钻孔内水位下降速度又有明显增加，直至完全漏失。

图3 Z1钻孔单位时间钻孔内液面下降速度

综上，根据钻孔冲洗液漏失量与钻孔水位下降速度初步判断，Z1钻孔导水裂缝带顶点位于167.83 m深度的位置处。

2)Z2钻孔观测结果分析：Z2钻孔冲洗液漏失量自深度77.47 m开始，至深度151.12 m结束(深度151.12 m处掉钻与离层发育明显，堵漏未成功)，钻孔冲洗液漏失量观测数据如图4所示。由观测数据可知，Z2钻孔深度77.47～123.09 m范围内，钻孔冲洗液消耗量虽有所波动，但总体较为平稳，单位时间单位进尺的冲洗液消耗量基本稳定在0.5 L/(s·m)以内，反映出钻孔位置冲洗液观测段地层完整性较好，裂隙不发育。自深度123.09 m以后，冲洗液漏失量逐渐增加，并有较为明显的波动，直至151.12 m深度时不返水。钻探过程中有明显的掉钻现象，最大掉钻深度约0.03 m，可以判断此处离层较为发育；后续彩色钻孔电视也证实了这一特征。

图4 Z2孔单位时间单位进尺冲洗液漏失量

Z2钻孔孔内水位观测自深度74.99 m开始，至深度177.12 m结束，孔内水位观测数据如图5所示。由观测数据可知，钻孔深度在74.99～123.09 m范围内，钻孔水位下降速度基本保持平稳。钻孔深度在123.09～171.13 m，钻孔水位下降速度逐渐加快，推断此处裂隙较为发育，后续经彩色钻孔电视勘察也证实了该特征，此范围内有明显的横向离层发育，离层内含水。深度171.13 m以后，钻孔内水位下降速度又有明显增加，直至完全漏失。

图5 Z2钻孔单位时间钻孔内液面下降速度

综上，根据钻孔冲洗液漏失量与钻孔水位下降速度初步判断，Z2钻孔导水裂缝带顶点位于171.13 m深度的位置。

2.3 彩色钻孔电视探测及结果分析

1)Z1钻孔彩色电视探测结果分析：由钻孔电视探测结果可知，Z1钻孔132 m深度以上，岩层总体较为完整，在深度为132.8～141 m范围内，出现明显的横向离层或裂隙，如图6(a)所示。在深度为142～167.8 m范围内，岩层相对较为完整，采动裂隙不明显。在深度为167.83 m时，岩层出现细微的竖向采动裂缝，如图6(b)所示；深度为173.9 m时，开始出现明显采动裂隙，并随着钻孔深度的增加，采动裂隙逐渐增多，裂隙宽度增大。在深度为199.3 m时，出现明显的垮落带特征，如图6(c)所示。

图6 Z1孔彩色电视探测结果

根据彩色钻孔电视观测结果并结合漏失量观测数据及现场钻探过程中出现的掉钻、卡钻等异常情况，确定深度为167.83 m处为导水裂缝带顶点，深度为199.3 m处为垮落带顶点。

2)Z2钻孔彩色电视探测结果分析：由钻孔电视探测结果可知，Z2钻孔120 m深度以上，岩层总体较为完整。在深度为122.9 m处，开始出现横向离层，如图7(a)所示；在深度为142.9 m开始有离层水流向孔内，并随深度增加逐渐增多，直至孔深为183.6 m处完全漏失；在深度171.1 m处发现小型的斜向采动裂隙，如图7(b)所示；在孔深174.7 m处可看到明显的采动裂隙发育，并随着钻孔深度的增加，采动裂隙逐渐增多，裂隙宽度增大；在深度为201 m时，出现明显掉钻、卡钻等异常情况，进入垮落带。

图7 Z2孔彩色电视探测结果

根据钻孔电视观测结果并结合钻孔漏失量观测数据及现场钻探过程中出现的掉钻、卡钻等异常情况，确定深度为171.13 m处为导水裂缝带顶点，深度为201 m处为垮落带顶点。

2.4 “两带”高度探测综合分析

综合分析钻孔冲洗液漏失量及彩色钻孔电视勘察结果，并结合钻探过程中掉钻、卡钻等异常情况，确定Z1钻孔导水裂缝带发育高度为31.47 m，裂采比为17.4；垮落带高度为6.7 m，垮采比为4.1。确定Z2钻孔导水裂缝带发育最大高度为29.87 m，裂采比为20.4；垮落带最大高度为18.0 m，垮采比为7.4。

基于青龙寺煤矿的实测裂缝带高度和垮落带数据，计算得到垮采比和裂采比可作为青龙寺煤矿其它工作面及相似地质采矿条件下预计“两带”高度计算、多煤层上行开采及水体下采煤参考及类比范例。

3 覆岩破坏特征分析

3.1 经验公式对比分析

自1950年开始，众学者在全国二百余个矿井开展了覆岩破坏及“两带”发育的观测及研究工作，基于实测数据回归出不同岩性“两带”高度计算经验公式，岩性为中硬时垮落带及导水裂缝带高度计算公式[1]分别为：

将青龙寺煤矿采厚M=2.3 m代入上述公式，可得垮落带高度Hk=10.0 m、导水裂缝带高度Hli=37.2 m。由此可知应用经验公式计算得到的“两带”发育高度小于机械化程度较高、工作面快速推进的现代化矿井的“两带”高度实测值。

3.2 工程对比分析

孙营岔一矿与青龙寺煤矿井田之间仅隔有王塔煤矿，孙营岔一矿51205工作面平均推进速度为3.4 m/d(每月推进约103 m)、主采5-1煤层，G6钻孔附近采深约114 m、平均采厚3.6 m，开采及施工时间与青龙寺煤矿Z1钻孔相近。通过G6号钻孔进行钻孔冲洗液漏失量观测和孔内钻孔电视观测，实测孙营岔一矿5-1煤层长壁综采区的垮落带高度为14.72 m，垮采比为4.08，导水裂缝带高度为55.12 m，裂采比为15.31。可见，孙营岔一矿工作面推进速度较慢，其垮采比、裂采比均小于工作面推进速度较快的青龙寺煤矿“两带”高度对应数值。

3.3 特殊性分析

式(1)—(2)是基于当时普遍采用的普采和分层综采而得来的，相关学者也针对综放开采特征进行了适用性分析[22]；受限于当时的机械化及技术水平，当时矿井工作面推进速度为2～3刀煤/d(推进速度约50～80 m/月)，工作面推进速度较慢。青龙寺煤矿地质采矿条件下工作面推进速度快(约8.2～10.4 m/d)，应用经验公式计算得到的“两带”发育高度小于实测数据值；对于机械化程度较高、工作面快速推进的现代化矿井，式(1)—(2)的适用性较差。

现对于以往机械化程度较低的普采工作面，高强度快速推进工作面的推进速度越快，下部稳定结构越难以形成、致使垮落带高度越大、上覆岩层同步移动变形程度越好、导水裂缝带高度发育值越大。分析其原因可知，推进速度将影响已垮落块体的新的稳定结构形成。工作面推进速度越快，直接顶保持稳定状态且整体竖向下沉变形量越大，导致失稳后的基本顶回转角度越小。工作面推进速度越慢，老顶失稳后回转角度越大，破断的基本顶更容易形成稳定的铰接结构，进而通过稳定结构抑制“两带”向上发育。

4 结 论

1)综合分析钻孔冲洗液漏失量及彩色钻孔电视勘察结果，并结合钻探过程中掉钻、卡钻等异常情况，确定青龙寺煤矿地质采矿条件下导水裂缝带发育最大高度为41.47～46.87 m，裂采比为17.4～20.4；垮落带最大高度为9.7～17.0 m，垮采比为4.1～7.4。

2)经验公式对于高强度快速推进工作面的“两带”高度预计适用性较差；应用经验公式计算得到的“两带”发育高度小于机械化程度较高、工作面快速推进的现代化矿井的“两带”高度实测值。

3)工作面推进速度可影响已垮落块体的稳定结构形成，高强度快速推进工作面的推进速度越快，下部稳定结构越难以形成，致使垮落带高度大、导水裂缝带发育高度大。