開采覆巖裂隙帶發育高度實測應用

岳 勃

(同煤國電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037001)

隨著礦井開采深度的增加，上覆巖層裂隙帶發育高度已經逐漸成為制約礦井安全生產的問題和隱患。覆巖裂隙帶高度受多方面因素影響，涉及時效問題和動力學知識，但對其進行深入研究，可以通過分析覆巖裂隙帶形成機制，最終確定裂隙帶發育高度。同忻礦8309工作面回采時受覆巖含水層影響較大，為了避免工作面發生突水事故，需要對工作面導水裂隙帶高度進行實測分析。本文通過理論分析覆巖運動破壞規律，采用導高觀測儀觀測技術確定了工作面導水裂隙帶高度，對礦井安全高效生產具有重要意義。

1 工作面概況

同忻礦8309工作面位于三盤區的西南部，北東部為三盤區三條盤區大巷，北西為實煤區，南西至銀塘溝村保護煤柱，南東為8307回采工作面。工作面標高818～842m，走向長度2770.5m，傾斜長度200m。工作面主采C3～5#煤層，煤層厚度10.8～18.00m，平均厚度14.88m，煤層傾角0°～3°，平均傾角1.5°。

工作面北東部上覆為同家梁礦侏羅系11#、14#煤層采空區，其中，11#、14#煤層采空區與3-5#煤層層間距分別為208～239m、178～209m。工作面南西部上覆為白洞礦侏羅系11#、14#煤層采空區，其中，11#煤層采空區與3-5#煤層層間距分別為239～272m、209～243m。根據白洞礦 11#、14#煤層充水性圖，11#煤層采空區無積水，14#煤層采空區有積水，積水量20.4萬m3。

2 覆巖導水裂隙帶發育規律

2.1 覆巖破壞形態

工作面回采前，覆巖處于應力平衡狀態，隨著工作面回采，應力平衡狀態被打破，覆巖開始運動，發生變形破壞。覆巖變形破壞形式自上而下劃分為彎曲帶、裂隙帶和垮落帶三種形態，如圖1所示。

由圖1可知，工作面回采后，覆巖彎曲下沉逐漸垮落。覆巖三帶中，彎曲帶巖層未出現裂隙，裂隙帶和垮落帶巖層出現大量的裂隙。只有存在裂隙的巖層才能導水，因此，將裂隙帶與垮落帶共同稱為覆巖導水裂隙帶。工作面頂板至裂隙帶頂端（與彎曲度交界處）的距離為覆巖導水裂隙帶發育高度。

圖1 覆巖破壞形態

2.2 導水裂隙帶內分區

工作面覆巖導水裂隙帶由于巖層性質、裂隙發育程度及頂板離層不同，裂隙帶不同高度導水能力也各不相同。根據裂隙發育程度及滲水量將導水裂隙帶劃分為微小、一般和嚴重導水裂隙帶，如圖2所示。

圖2 導水裂隙帶內分區圖

微小、一般和嚴重導水裂隙帶裂隙發育程度、導水連通性、導水能力及滲水量各不相同，如表1所示。

表1 不同導水裂隙帶特點

微小、一般和嚴重導水裂隙帶裂隙發育高度占整個覆巖導水裂隙帶的高度不同，通常已經垮落巖層高度和微小裂隙帶大約各占1/4，一般和嚴重導水裂隙帶共占大約1/2。

3 現場實測

3.1 觀測方案

采用導高觀測儀觀測技術對8309工作面覆巖導水裂隙帶進行現場實測，其觀測原理示意圖如圖3所示。

圖3 導高現場實測原理圖

將相鄰的8307工作面聯絡巷作為現場觀測硐室，向8309工作面采空區上方頂板施工導水裂隙帶高度觀測鉆孔。聯絡巷與8309工作面之間的區段煤柱寬度為20m，鉆孔的施工長度應當大于預測的導水裂隙帶高度。通過圖3中的膠囊將施工的鉆孔進行封堵，采用注水控制臺向已封堵的鉆孔進行注水，根據鉆孔漏水量來判定該段巖層裂隙發育程度及導水能力。用分段觀測的方法，每段觀測高度為1～2m，通過觀測每段漏水量最終確定8309工作面導水裂隙帶高度。8309工作面觀測鉆孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 8309工作面鉆孔布置示意圖

共布置3個鉆孔，分別為1#、2#、3#鉆孔，分別通過不同高度、角度滲水量來確定8309工作面導水裂隙帶高度。

3.2 觀測結果分析

1#、2#、3#鉆孔觀測仰角、長度及導水裂隙帶高度如表2所示。

表2 鉆孔參數及導高值

1#鉆孔：

8309工作面覆巖高度為109.2～115.8m范圍時，該區域內巖層滲水量為3.5～4.1L/min，小于5L/min，該段巖層滲水量小，導水連通性差，覆巖的裂隙帶未發育至此高度。工作面覆巖高度為84～105.7m時，該區域內巖層滲水量為11.7～24.5L/min，部分區域大于20L/min，該段巖層滲水量大，導水連通性好，覆巖裂隙帶已發育至此高度。在現場實測中，將1#鉆孔實測高度由107.7m降低到105.7m時，巖層滲水量由4.7L/min大幅度上升至14.8L/min。因此，通過1#鉆孔現場實測可知，8309工作面覆巖導水裂隙帶高度為105.7m。

2#鉆孔：

8309工作面覆巖高度為109.9～116.8m范圍時，該區域內巖層滲水量為4.3～5.2L/min，小于5L/min，該段巖層滲水量小，導水連通性差，覆巖的裂隙帶未發育至此高度。工作面覆巖高度為82.6～108.2m時，該區域內巖層滲水量為11.7～24.5L/min，部分區域大于20L/min，該段巖層滲水量大，導水連通性好，覆巖裂隙帶已發育至此高度。在現場實測中，將2#鉆孔實測高度由109.9m降低到108.2m時，巖層滲水量由5.6L/min大幅度上升至11.7L/min。因此，通過2#鉆孔現場實測可知，8309工作面覆巖導水裂隙帶高度為108.2m。

3#鉆孔：

8309工作面覆巖高度為109.1～117.4m范圍時，該區域內巖層滲水量為3.5～4.1L/min，小于5L/min，該段巖層滲水量小，導水連通性差，覆巖的裂隙帶未發育至此高度。工作面覆巖高度為84.9～107.1m時，該區域內巖層滲水量為11.7～24.5L/min，部分區域大于20L/min，該段巖層滲水量大，導水連通性好，覆巖裂隙帶已發育至此高度。在現場實測中，將3#鉆孔實測高度由109.1m降低到107.1m時，巖層滲水量由3.9L/min大幅度上升至9.1L/min。因此，通過3#鉆孔現場實測可知，8309工作面覆巖導水裂隙帶高度為107.1m。

1#、2#、3#鉆孔觀測導水裂隙帶高度分別為105.7m、108.2m、107.2m，3個鉆孔觀測導高之間誤差較小，結合8309工作面地質條件，避免發生突水事故。因此，將工作面導水裂隙帶高度取3個鉆孔觀測最大值H=108.2m。

4 結論

（1）同忻礦8309工作面為研究對象，理論分析了覆巖運動破壞后自上而下分為彎曲帶、裂隙帶和垮落帶，由于只有存在裂隙的巖層才能導水，因此，將裂隙帶與垮落帶共同稱為覆巖導水裂隙帶。并根據導水裂隙帶裂隙發育程度及滲水量，將其劃分為微小、一般和嚴重導水裂隙帶。

（2）采用導高觀測儀觀測技術對8309工作面覆巖導水裂隙帶進行現場實測，通過布置3個鉆孔觀測導水裂隙帶高度分別為105.7m、108.2m、107.2m，為保證工作面安全回采，取觀測最大值H=108.2m為8309工作面導高。