补连塔煤矿大采高工作面覆岩运移规律_丁航.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 我国煤田水文地质类型多样，由于煤矿水文地 质条件的复杂性和生产条件的特殊性，突水事故时 有发生[1-5]。因此， 需要针对不同地质条件下煤体开 采的覆岩运移规律研究[6-8]。现阶段， 国内外学者通 过理论分析、相似物理模型试验、数值模拟以及现 场实测等方法，针对采场覆岩运移规律开展了大量 研究。樊永山、张胜云等人采用相似材料对煤开采 过程进行模拟，从相似材料运移形态、移近量等方 面对覆岩运移规律进行了分析， 揭示了近距离煤层 群下行开采下煤层初次和周期来压步距、覆岩位移 特征等[9-11]； 栾元重、 李静涛等人采用井下打仰上孔 测漏水量方法、经验公式预计和数值模拟方法， 开 展了单煤全采后上覆岩层导水裂缝带高度的研究工 作[12-13]； 殷伟等人则是通过理论分析得到了不同充 实率状态下混合综采工作面覆岩空间结构特征， 观 察到覆岩空间结构呈现 “两带” 发育特征， 垮落段覆 岩结构呈 “三带” 发育特征[14-15]。赵高博等人采用 FLAC3D数值模拟软件对综放工作面覆岩运移分布 特征进行了分析，得到了综放开采覆岩垂直位移和 垂直应力分布情况，并构建了综放导水裂隙带高度 多元回归预测模型，得到了综放开采导水裂隙带高 度与 5 个主要因素的多元回归公式，并与只考虑开 采厚度单因素的回归公式进行对比分析，验证了公 式的合理性[16]。 目前， 针对承压水下近浅埋煤层特大 采高工作面覆岩运移规律研究还相对较少。基于 此， 以补连塔矿 12511 特大采高工作面为研究对象， 采用钻孔冲洗液漏失量观测法与彩色钻孔电视观测 法相结合的方式，开展近浅埋煤层大采高工作面覆 岩运移规律实测研究。 1研究背景 补连塔煤矿 12511 综采工作面位于 1-2 煤层五 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.040 补连塔煤矿大采高工作面覆岩运移规律 丁航 （国家能源集团神东煤炭集团公司 补连塔煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017209） 摘要 为实现补连塔矿 12511 大采高工作面在白垩系下统志丹群含水层下安全开采， 采用地 面施工下行钻孔进行钻孔冲洗液漏失量观测与彩色钻孔电视观测相结合的方法， 开展近浅埋煤 层大采高工作面覆岩运移规律实测研究。研究结果表明， 工作面中部 1观测孔导水裂缝带高度 为 104.48 m， 垮落带高度为 33.70 m； 工作面煤巷侧 2观测孔导水裂缝带高度为 122.90 m， 垮落 带高度为 37.40 m。工作面覆岩 “两带” 分布呈现两帮高、 中间低的规律。 关键词 补连塔煤矿； 含水层； 覆岩运移； 导水裂缝带；“两带” 分布 中图分类号 TD325文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0179-05 Law of Overlying Strata Movement in Large Mining Height Working Face of Bulianta Coal Mine DING Hang （Bulianta Coal Mine, CHN Energy Shendong Coal Group Co., Ltd., Ordos 017209, China） Abstract In order to realize the safe mining under cretaceous Klzd aquifer of 12511 large mining hight working face of Bulianta Coal Mine, the combining the observation of the loss of drilling fluid and the observation of color drilling television is adopted through using ground construction downward drilling to carry out the actual measurement research on the overlying strata movement law of the large mining height working face near the shallow seam. The research results show that the height of the water-conducting fracture zone of the 1observation hole in the middle of the working face is 104.48 m, and the height of the caving zone is 33.70 m. The height of the water-conducting fracture zone of the 2observation hole of the working face is 122.90 m, and the height of the fall zone is 37.40 m. The distribution of the “two bands”of the overburden of the working face presents the rule of two sides high and middle low. Key words Bulianta Coal Mine； aquifer； overburden moving； water-conducting fracture zone；“two bands”distribution 179 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 1煤层顶板岩性 盘区，工作面采用倾斜长壁后退式开采工艺，走向 长度 319.1 m，倾向长度 3 139.3 m。开采煤层平均 厚度 7.44 m， 一次采全高， 全部垮落法处理顶板。工 作面北西方向为 12512 综采工作面，南东方向为 12510 工作面采空区，南西为掘进中的 12508 综采 工作面， 北东方向为 1-2 煤五盘区轨道、 运输以及 回风大巷。 工作面覆岩厚度为 233271 m，直接顶为砂质 泥岩， 平均厚度 7.7 m； 基本顶为砂质泥岩， 平均厚 度 96.1 m； 松散层厚度为 0～27 m。 矿区范围内含水层 2 层， 分别为第四系松散含水层、 白垩系下统志丹群 承压含水层。其中， 白垩系下统志丹群承压含水层厚 度较大， 其富水性强， 是本区主要含水岩层， 距离 1-2 煤层顶板距离最小 90.90 m。煤层顶板岩性见表1。 2工作面覆岩 “两带” 现场观测 2.1测点布置 根据现有研究表明，采用长壁采煤法的工作面 其采空区上覆岩层呈现周期性破断规律，且出现类 似于 “马鞍” 的垮落形态， 采空区边界位置顶板覆岩 垮落范围更大， 裂隙发育更广。因此， 在工作面机风 两巷、停采线以及切眼位置设计观测钻孔，可以更 加精确地获得采空区覆岩导水断裂带及垮落带分 布。补连塔煤矿 12511 综采工作面导水断裂带及垮 落带观测钻孔分别布置工作面中部距切眼垂直距离 75 m位置以及风巷侧 47 m且距切眼 910 m等 2 处 采空区内。本次观测将钻孔冲洗液漏失量观测法与 彩色钻孔电视观测法相结合，通过对比验证提高冒 落带与导水裂缝带高度测试的精确性和可靠性。 2.2钻孔冲洗液漏失量观测法 钻孔冲洗液漏失量观测法作为 1 种经典导水断 裂带高度观测方法，通过多年的理论与实践总结逐 渐形成了 MT/T 8662000 导水裂缝带高度的钻孔 冲洗液漏失量观测方法煤炭行业标准。依据该方 法在采空区测点对应地面位置施工观测钻孔。在钻 探施工的同时，同时记录冲洗液的漏失量与水位变 化情况， 观测钻孔过程中发生的各种异常现象， 并对 观测数据进行整理分析，进而获得采动覆岩两带发 育高度。 1） 冲洗液漏失量观测。利用浮标尺、 测尺、 秒表 以及钻杆等工具， 对水源箱内原有水量、 钻进过程中 加入水量、 水源箱内剩余水量、 测量时间、 钻进的进 尺数、 孔深进行观测并记录。 2） 孔内水位内容。利用测钟、 测绳、 秒表、 电测 深仪等工具，对每次施钻前与起钻后孔内水位、 停 钻期间孔内水位、 观测时间等参数进行观测并记录。 3） 冲洗液循环中断。利用钻杆、 测尺、 秒表等工 具，记录冲洗液不能返回水源箱时的钻孔深度、 时 间。如果采用注水使冲洗液循环正常，则应记录注 入水量。 4） 异常现象。在钻进过程中观察并记录向钻孔 内吸风、 掉钻、 卡钻、 钻具振动等异常现象及相应的 孔深。 2.3彩色钻孔电视观测法 彩色钻孔电视探测法是 1 种通过高清摄像头直 接记录孔壁图像信息的较为直观、 实用的探测技术。 依据覆岩裂隙的发育情况，裂隙由孔口到孔底的发 育过程分别为横向裂隙、纵向裂隙以及横纵交错裂 隙 3 种类型。因此，通过彩色钻孔电视法将观测到 孔壁首次出现纵向裂隙的位置作为导水裂缝带顶 点，以观测到孔壁首次出现岩层破碎位置作为冒落 带顶点。 2.4观测钻孔结构 为同时满足 2 种测试方法同时观测的需求， 地 表松散层开钻初始直径为 φ190 mm， 当钻进至基岩 顶部位置时，对松散层段钻孔进行下套管护孔止水 作业， 套管直径为 φ160 mm； 当钻孔进入基岩后， 改 用 φ133 mm钻具进行岩心取样。全孔采用清水钻 进， 保证水源箱、 循环槽、 沉淀池以及钻孔中的冲洗 液漏失量形成闭合回路，且闭合回路检测不漏水后 方可进行观测，水源箱与沉淀池设计容积为 2 m3， 水源箱内安设浮标式水位测尺。每钻进 1 m记录 1 次冲洗液的漏失量； 同时， 做好所取岩心取样描述工 作， 针对不同岩层岩心密封保存， 用于物理力学参数 测定； 终孔位置设计为煤层底板， 要求准确判定见煤 深度， 并确定煤层顶板位置。观测钻孔结构如图 1。 3 “两带” 观测结果分析 3.11孔观测结果 序号 岩层性质 抗压强度 MPa 层厚 /m 序号 岩层性质 抗压强度 MPa 层厚/ m 1 2 3 4 5 砂质泥岩 粗砂岩 泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩 8.49 14.79 32.10 12.97 34.77 15 54 12 21 42 6 7 8 9 10 泥岩 砂质泥岩 粗砂岩 砂质泥岩 煤层 32.10 50.32 65.87 24.39 - 10.0 10.0 16.0 20.0 7.7 180 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1钻孔结构示意图 图 4孔深 144.40145.63 m孔壁展开图 图 3孔深 130.00130.37 m孔壁展开图 图 2钻孔冲洗液漏失量观测曲线 3.1.1钻孔冲洗液漏失量观测结果 1孔施工时间为 2017 年 5 月 17 日至 2017 年 6 月 13 日， 地表松散层开孔直径为 φ190 mm， 钻孔 施工至 24.80 m见基岩，下直径 φ160 mm套管起到 防止塌孔以及封堵松散层含水层的作用。基岩段采 用直径 φ133 mm继续钻进， 钻孔冲洗液漏失量观测 自孔深 24.80 m开始，在 134.74 m处因冲洗液循环 中断进而停止观测； 随后， 在孔深 134.74136.74 m 之间进行连续注水，孔内均未返水。1观测钻孔冲 洗液漏失量随钻进深度变化曲线如图 2。 通过图 2 可以看出，在孔深 24.80130.71 m范 围内，冲洗液漏失量变化不大，单位时间漏失量在 00.8 L/s 之间， 且在岩层原生裂隙的作用下， 冲洗 液漏失量存在间歇性小幅波动现象；从孔深 130.71 m 处开始，冲洗液漏失量显著增加，至 134.74 m位 置冲洗液全部漏失， 循环中断。 3.1.2彩色钻孔电视观测结果 钻孔电视探测自地表孔口开始至孔深 231.51 m 结束， 孔深 130.22 m以上基岩范围内多次出现节理 裂隙，但裂隙呈现近水平闭合形态，且均为横向裂 隙，分析认为其为原生裂隙或受采动影响而进一步 发育的原生裂隙； 在孔深 130.20130.30 m之间首次 出现纵向裂隙，裂隙垂向距离为 0.10 m，孔深 130.00130.37 m孔壁展开图如图 3。 在孔深 134.10134.37 m之间纵向裂隙逐渐发 育， 裂隙垂向距离为 0.27 m， 裂隙宽度达 0.04 m。在 孔深 144.43145.55 m之间处有 1 处长度 1.12 m的 高角度近垂直裂隙，裂隙发育形态较破碎，且在 145.63 m以下多次出现较发育裂隙，孔深 144.40 145.63 m孔壁展开图如图 4。 自 201.00 m以下，岩层破坏程度较高，发育开 始较为破碎，较之前的裂隙发育程度及孔壁更为破 碎， 裂隙密度较大， 不仅出现大量相互连通、 纵横交 错的裂隙， 而且还出现有压实的痕迹的碎块， 破坏状 态较上覆岩层更为剧烈。 3.1.31观测孔测试结果对比分析 通过 2 种观测结果表明，导水断裂带顶点距孔 口分别为 134.74 m与 130.22 m，两者偏差率为 181 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 5钻孔冲洗液漏失量随孔深变化曲线 图 6孔深 140.00141.00 m孔壁展开图 2.90， 取 130.22 m； 垮落带顶点为 201.00 m。通过 现场测试， 1钻孔位置揭露煤层底板距孔口垂距为 242.10 m，且该孔范围内 1-2 煤层实测厚度为 7.60 m。根据两带高度计算公式 HlH-hlW HmH-hm ｛ W （1） 式中 Hl为导水断裂带高度，m； Hm为垮落带高 度，m； H 为煤层顶板与地表孔口垂距，m； hl为断 裂带顶点距离孔口垂深，m； hm为垮落带顶点距离孔 点距离孔口垂深， m； W 为钻进时裂缝带岩层的压缩 值， 取 0.20 m。 由式 （1） 可得， 1孔位置 1-2 煤层导水断裂带 高度为 104.48 m， 为采高的 13.75 倍； 垮落带高度为 33.70 m， 为采高的 4.43 倍。 3.22孔观测结果 3.2.1钻孔冲洗液漏失量观测结果 2孔施工时间为 2017 年 9 月 4 日至 2017 年 9月 19 日，地表松散层开孔直径为 φ190 mm，钻进至 54.40 m处见基岩， 下直径 φ160 mm套管护孔止水。基 岩段采用直径 φ113 mm继续钻进， 至 70.50 m时孔口 不返水； 根据岩心取样结果表明， 该孔 70.50 m 以下 存在较厚砾岩含水层，因此采用堵漏措施后继续钻 进。钻进至孔深 130.70 m后再无砾岩层。钻孔冲洗 液漏失量观测自孔深 54.40 m开始，在孔深 145.40 m处因冲洗液循环中断停止观测，后在孔深 145.40 m至 147.40 m之间进行连续注水， 孔内均未返水。2 钻孔冲洗液漏失量随钻进深度变化曲线如图 5。 3.2.2彩色钻孔电视观测结果 钻孔电视探测自地表孔口开始至孔深 258.25 m 结束。孔深 140.50 m以上岩层多处出现裂隙， 但裂 隙呈现近水平闭合形态，且均为横向裂隙，分析认 为其为原生裂隙或受采动影响而进一步发育的原生 裂隙。 在孔深 140.50141.00 m之间首次出现纵向裂 隙， 裂隙垂向距离为 0.50 m， 裂隙宽度为 0.04 m， 孔 深 140.00141.00 m孔壁展开如图 6。 从孔深 226.00 m开始，通过孔内观测到的覆岩 破坏程度增高，出现大量纵横交错的连通裂隙， 且 出现压实破碎岩块， 破坏形态较浅部岩层更为剧烈。 3.2.32观测孔测试结果对比分析 通过 2 种观测结果表明，导水断裂带顶点距孔 口分别为 145.40 m与 140.50 m，两者偏差率为 3.49， 取 140.50； 垮落带顶点为 226.00 m。通过现 场测试， 2钻孔位置揭露煤层底板距孔口垂距为 271.00 m， 且该孔范围内 1-2 煤层厚度为 7.60 m。 由 式 （1 ） 可得， 2孔位置 1-2 煤层导水断裂带高度为 122.90 m， 为采厚的 16.17 倍； 垮落带高度为 37.40 m， 为采厚的 4.92 倍。 4结论 1） 采用钻孔冲洗液漏失量观测法与彩色钻孔电 视观测法所测 1-2 煤层导水裂缝带高度数值比较 接近， 偏差率仅为 2.90与 3.49， 说明测试结果准 确可靠。 2 ） 12511 工作面 1观测孔导水断裂带高度为 104.48 m， 为采厚的 13.75 倍； 垮落带高度为 33.70 m，为采厚的 4.43 倍。2观测孔导水断裂带高度为 122.90 m， 为采厚的 16.17 倍； 垮落带高度为 37.40 m， 为采厚的 4.92 倍。 工作面中部垮落带及断裂带高 度略小于两侧煤巷。 3） 12511 工作面导水断裂带发育高度大于煤层 顶板与白垩系下统志丹群含水层底板最小距离 90.90 m。 因此， 导水断裂带会导通志丹群含水层， 白 182 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 垩系下统志丹群孔隙、裂隙承压水是工作面的直接 充水水源， 回采前应提前做好充足防治水准备。 参考文献 ［1］ 武强． 我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、 问 题和展望 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （5） 795－805． ［2］ 张志龙， 高延法， 武强， 等．浅谈矿井水害立体防治技 术体系 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （3） 378－383． ［3］ 董书宁．对中国煤矿水害频发的几个关键科学问题的 探讨 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （1） 66－71． ［4］ 虎维岳．深部煤炭开采地质安全保障技术现状与研究 方向 ［J］ ．煤炭科学技术， 2013， 41 （8） 1－6． ［5］ 武强， 赵苏启， 孙文洁， 等．中国煤矿水文地质类型划 分与特征分析 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （6） 901－905． ［6］ 张浩， 伍永平．慈林山矿煤层群下部采场覆岩运移规 律 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （5） 51－54． ［7］ 殷伟， 张强， 韩晓乐， 等．混合综采工作面覆岩运移规 律及空间结构特征分析 ［J］ ．煤炭学报， 2017， 42 （2） 388－396． ［8］ 吴博文， 张宏伟， 神文龙， 等．麻家梁矿采动双硬顶板 工作面覆岩运移规律 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （10） 51－54． ［9］ 樊永山， 张胜云．近距离煤层群下行开采下煤层覆岩 运移规律模拟 ［J］ ．辽宁工程技术大学学报 （自然科学 版） ， 2015， 34 （8） 887－891． ［10］ 马瑞， 来兴平， 曹建涛， 等．浅埋近距煤层采空区覆岩 移动规律相似模拟 ［J］ ．西安科技大学学报， 2013， 33 （3） 249－253． ［11］ 田坤云， 孙文标， 魏二剑．上保护层开采保护范围确 定及数值模拟 ［J］ ．辽宁工程技术大学学报 （自然科 学版） ， 2013， 32 （1） 7－13． ［12］ 栾元重， 李静涛， 班训海， 等．近距煤层开采覆岩导水 裂缝带高度观测研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2010， 27 （1） 139－142． ［13］ 赵高博， 郭文兵， 杨达明， 等．综放开采覆岩破坏模型 及导水裂隙带高度研究 ［J］ ．中国安全科学学报， 2017， 27 （11） 144－149． ［14］ 殷伟， 张强， 韩晓乐， 等．混合综采工作面覆岩运移规 律及空间结构特征分析 ［J］ ．煤炭学报， 2017， 42 （2） 388－396． ［15］ 高喜才， 伍永平， 曹沛沛， 等．大倾角煤层变角度综放 工作面开采覆岩运移规律 ［J］ ．采矿与安全工程学 报， 2016， 33 （3） 381－386． ［16］ 赵高博， 郭文兵， 杨达明， 等．综放开采覆岩运移及导 水裂隙带高度研究 ［J］ ．中国科技论文， 2017， 12 （21） 2425－2430． 作者简介 丁航 （1987） ， 男， 工程师， 工学学士， 2010 年毕业于辽宁工程技术大学， 现任神东煤炭集团补连 塔煤矿掘锚一队队长。 （收稿日期 2018-10-11； 责任编辑 朱蕾） ［13］Zhang R, Jiang Z, Zhou H, et al． Groundwater out－ bursts from faults above a confined aquifer in the coal mining ［J］ ． Natural Hazards, 2014, 71 （3） 1861. ［14］ 王涛， 王曌华， 姜耀东， 等．开采扰动下断层滑移过程 围岩应力分布及演化规律的试验研究 ［J］ ．中国矿业 大学学报， 2014， 43 （4） 588－592． ［15］ 赵毅鑫， 卢志国， 朱广沛， 等．考虑主应力偏转的采动 诱发断层活化机理研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2018， 47 （1） 73－80． ［16］ 李鹏飞， 刘启蒙， 陈秀艳．断层活化的主控因素关联 度分析 ［J］ ．矿业安全与环保， 2018， 45 （5） 109-114. ［17］ 吴基文， 童宏树， 童世杰， 等．断层带岩体采动效应的 相似材料模拟研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2007， 26 （S2） 4170－4175． ［18］ 翟晓荣， 吴基文， 沈书豪， 等．断层带边界岩体采动应 力特征相似材料模拟研究 ［J］ ．中国安全生产科学 技术， 2014 （5） 56－61． 作者简介 窦仲四 （1978） ， 男， 安徽六安人， 副教授， 博士， 2017 年毕业于安徽理工大学，主要从事煤矿工程地 质教学和研究工作。 （收稿日期 2019-04-19； 责任编辑 陈洋） （上接第 178 页） 183 ChaoXing