矿井竖三带观测及其分布规律研究

矿井竖三带观测及其分布规律研究
作者：裴俊斌
来源：《科技创新与应用》2018年第10期
摘要：为了研究煤矿顶板岩层竖三带，掌握裂隙带变化规律，文章针对常村矿地质条件，采用井下仰孔分段注水观测方法，进行工程实验，分析了导水裂隙带高度，进一步计算出煤层采动覆岩冒落带发育高度，确定了常村矿3#煤层顶板覆岩采后形成的裂隙带高度范围及覆岩采动冒落带高度，得出了相应的冒采比，为煤矿安全生产提供了技术指导。

关键词：三带观测；分布规律；冒落带高度；观测方法
中图分类号：TD325 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0071-03
Abstract： In order to study the vertical three zones of roof rock in coal mine and master the variation law of fracture zone， this paper， according to the geological conditions of Changcun Mine， adopts the method of sublevel water injection observation of downhole， carries out engineering experiments， and analyzes the height of water-conducting fissure zone. The development height of overlying rock caving zone in coal seam mining is further calculated， and the height range of fracture zone formed after mining roof rock of coal seam in Changcun Coal Mine and the height of overlying rock caving zone after mining are determined， and the corresponding caving ratio is obtained， which provides technical guidance for coal mine safety production.
Keywords： three band observation； distribution law； height of falling zone； observation method
引言
煤矿开采过程中，煤层顶板岩层产生变形破裂，在垂直向地表方向通常会形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带等三个不同变形特征的分带，简称“三带”。

“三带”高度是影响煤矿安全的一个重要因素，是瓦斯抽放、顶板管理、顶板水防治中必须考虑的一个重要的技术参数。

因此准确确定“三带”高度对于煤矿安全生产具有十分重要的意义[1-5]。

1 观测方案及方法的确定
1.1 观测方案的选取
地面钻孔简易水文观测法为常用的采动覆岩裂隙带观测方法，通过选取地面上位于采空区机运巷或回风巷两侧一定区域，以采空区一侧为主开展一批钻孔施工，观察钻孔施工过程中冲洗液消耗量的变化值，进而确定采动覆岩裂隙带的分布形态和高度。

但是当煤层埋藏深度较深时，使用该方法会导致钻孔施工工程量大，观测精度较难达到要求。

为了提高观测的精度、节约工程费，本文拟选取井下仰孔分段注水观测的新技术方法。

该技术方法通过在煤矿井下工作面一定区域内，选取适宜的观测地点，沿采空区斜上方施工钻孔。

钻孔施工过程中，需避开冒落带并倾斜穿过裂隙带，且达到预定的裂隙带顶界以上一定高度。

通过使用“钻孔两端封堵测漏设备”对钻孔实施分段封堵并注水，测定钻孔各分段水的流失量，掌握岩层的破坏、裂隙及松动情况，进而确定裂隙带的顶界高度（图1所示）。

其中，“钻孔两端封堵测漏设备”主要由孔内封堵注水探测管、孔外控制调节阀门和系统观测仪表构成（图2所示）。

图1 井下钻孔法观测示意图
图2 井下仰孔观测系统示意图
1.2 观测方法
井下仰孔探测覆岩裂隙带的现场观测系统及孔内注水探管已在前面图2做了描述，其具体操作程序如下：
1.2.1 管路连接
探测观测系统的管路连接见图2，具体方法可以按照以下几个步骤进行：（1）用耐压软管接出高压水，并通过三通转换为两路出水口，并连接上短的耐压软管。

（2）用三通分出的一个短耐压软管与注水操作台进水口连接，并从出水口再接耐压软管通过接头转换到钻机水便上。

（3）用三通分出的另外一个短耐压软管与堵孔操作台进水口连接，并从出水口再接至探管进水接头。

（4）通过探管专用转换接头将探管安装在钻杆上并送入钻孔内0～1m孔段。

钻杆接头间用棉纱线或麻皮缠绕密封。

1.2.2 稳定裂隙带高度监测方法
在现场施工过程中，钻孔有可能出现变形、塌孔、方向变化等复杂情况，所以在完成钻孔监测后，应及时对地层渗水速度进行监测。

监测装置及对应管路连接好后，把监测装置送至钻孔底部并打开膨胀阀，监测装置前后端封隔器膨胀，形成密闭空间，然后将水注入封隔器两端之间的密闭空间，监测封隔区域的渗水情况，并记录其速度；然后暂停注水，解封封隔器，垂直向下移动装置一米后重复以上步骤；依次一米一段进行测量直至钻孔口，全部监测工作完成。

2 导水裂隙带高度观测分析研究
2.1 常村矿3#煤覆岩导水裂隙带高度观测结果
第一观测剖面布置在常村矿N2-5轨顺巷道钻场，并对第一观测剖面3个钻孔的观测数据进行分析。

依据观测的数据情况，通过使用三带导高监测分析系统，生成第一观测剖面钻孔分段注水漏失量分布图（图3）和曲线图（图4）。

图3 第一观测剖面漏水量分布图
图4 第一观测剖面注水矢量曲线图
（1）采前1#孔
采前监测1#孔施工于N2-5工作面未受采动影响的上部岩层区域内，观测过程中局部有零星漏水点，漏水量在孔深47m达到最大值2.1L/min，其他区域漏水量均小于2L/min，最小值为0.2L/min，原生裂隙导水可能是这些漏水点出现的主因。

（2）采后2#孔
采后监测2#孔施工于N2-6工作面采空区上部岩层区域内，数据分析显示，钻孔深度63m 以内均有大量漏水。

其中，孔深40～50m范围为下部显著漏水区，漏矢量>20L/min，最大值为28L/min（孔深46m处）；孔深50～63m范围为上部弱漏水区，漏矢量
以钻孔深度6.3m为上部弱裂隙带界限，钻孔仰角50°，其至3#煤层顶板的垂直高度为48.3m；钻孔深度40～50m范围是明显漏水段，也是裂隙带最为发育的孔段，其至3#煤顶板的垂直高度为30.6～38.3m；钻孔深度50～63m范围是弱漏水段，也是裂隙带第二发育孔段，其至3#煤顶板的垂直高度为38.3～48.3m；最大漏水位于垂直高度35.2m处。

（3）采后3#孔
采后监测3#孔施工于N2-6工作面采空区上部岩层区域内，数据分析显示，钻孔深度73m 以内存在大量漏水。

其中，孔深41～52m范围为下部显著漏水区，漏失量>20L/min，最大值为30.6L/min（孔深42m处）；孔深52～73m范围为上部弱漏水区，漏失量
以钻孔深度73m为上部弱裂隙带界限，钻孔仰角40°，其至3#煤层顶板的垂直高度为46.9m；钻孔深度41～52m范围是明显漏水段，也为裂隙带最为发育的孔段，其至3#煤顶板垂直高度为26.4～33.4m；钻孔深度52～73m范围是弱漏水段，也为裂隙带第二发育孔段，其至3#煤顶板垂直高度为33.4～46.9m；最大漏水位于垂直高度27.0m处。

2.2 常村矿3#煤覆岩导水裂隙带分布规律
表1为各采后监测钻孔所观测到的裂隙带发育顶界高度和最大裂隙带发育高度。

表1 常村矿裂隙带发育顶界高度及裂隙带最发育高度
综合对比常村矿第一及第二观测剖面采后监测钻孔观测数据，3#煤层覆岩导水裂隙带高度47.4m，覆岩裂隙带最发育段位于冒落带～36.4m之间。

3#煤层顶板覆岩开采后产生的裂隙带，分为上、下两段。

其中，上部裂隙带发育较弱，距离3#煤层顶板垂直高度介于36.4～47.4m之间；下部覆岩裂隙带发育较上部强烈，冒落带高度
3 煤层采动覆岩冒落带发育高度分析
本次观测采用的是从井下煤层向顶板施工仰孔进行观测的方法，通过钻孔注水漏失量来评价岩层裂隙发育情况。

而冒落带岩石已完全失去连续性，呈不规则状态，杂乱堆积于采空区内，正因为如此，从现场施工的经验看，钻孔很难穿过冒落带，因为这样势必造成夹钻、卡钻等现象，导致钻探事故，因此无论从钻孔施工还是从现场观测都很难取得实测的冒落带高度数值。

本次试验在常村矿第三观测剖面3#采后监测孔对3#煤层采动覆岩冒落带进行了兼顾监测并最终结合、借鉴经验公式计算等方法进行综合分析。

3.1 经验公式计算
《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》给出的上覆中硬岩层冒落带的发育高度经验公式为：
式中：Hm—冒落带的发育高度； M—累计采厚
依据冒落带的发育高度经验公式（1）得出如下计算结果：a.第一观测剖面N2-6工作面，冒落带高度21.8m±2.5m，取其上限24.3m，冒采比3.8；b.第二观测剖面S4-2工作面，冒落带高度21.7m±2.5m，取其上限24.2m，冒采比3.8。

冒落带的发育高度经验公式（2）为：
式中：h—冒落带高度；k—岩石碎胀系数，一般按1.3计算；m—工作面采高；A—煤层倾角
依据冒落带的发育高度计算公式（2）得出如下计算结果：a.第一观测剖面N2-6工作面，冒落带高度为21.6m，冒采比为3.4。

b.第二观测剖面S4-2工作面，冒落带高度为21.3m，冒采比为3.4。

3.2 冒落带探测分析
由于冒落带高度探测难度大，风险性又比较大，而且冒落带高度发育的研究意义不大，一般都是按照经验公式进行概算。

本文在常村矿第二观测剖面的3#监测孔对冒落带高度的发育情况进行了观测。

常村矿第二观测剖面3#孔在按照监测设计要求进行测前扫孔时，在钻孔深度30m左右时（倾角51°，垂高23.3m）有夹钻现象，在钻孔深度33m时（钻孔倾角51°，垂高25.6m）发生严重的卡钻现象。

在该钻孔探测时也因此把设备掉进孔内无法取出。

从监测数据也可以看出，在钻孔深度小于33m时，钻孔漏水量全部大于30L/min，最大的可达到38.8L/min，也由此判断进入冒落带范围，按照倾角51°计算，该处冒落带顶界大概为24.8m。

根据前面的经验公式计算和实测数据综合分析，常村矿3#煤采动冒落带高度如下表2：
表2 常村矿3#煤采动冒落带高度综合分析表
从表上可以最终得出，常村矿3#煤覆岩采动冒落带高度为23.5m左右，而相应的冒采比约为3.6。

但从抽放瓦斯的有效性来看，冒落带范围的岩层因裂隙十分发育且与采煤工作面较近，其占据冒落带裂隙中的气体，空气含量比重太高，作为抽放层不适宜。

另外，由于冒落带的岩层杂乱无章，钻孔施工非常困难。

所以研究裂隙带范围及其裂隙发育特征才有工程意义。

4 结束语
（1）综合常村矿第一观测剖面和第二观测剖面采后监测钻孔的观测资料并联系常村矿地质特征，分析得出常村矿3#煤层顶板岩层开采后产生的裂隙带，可分为上、下两段。

上部裂隙带发育较弱，下部裂隙带发育较强，其距3#煤层顶板垂高度范围为23.5m～36.4m。

（2）通过分析监测数据，得出常村矿3#煤层采动覆岩导水裂隙带上界垂直高度为
47.4m，裂隙带最发育的垂直高度范围介于23.5～36.4m之间。

（3）通过经验公式计算结合常村矿实际监测数据分析得出，常村矿3#煤覆岩采动冒落带高度为23.5m左右，而相应的冒采比约为3.6。

（4）通过综合研究，最终得出常村矿三带发育高度如表3所示。

表3 常村矿三带高度研究综合成果
参考文献：
[1]朱磊，柴敬，文杰.综放开采导水裂隙带发育高度数值模拟分析[J].煤炭技术，2017（02）.
[2]余学义，李星亮，王鹏.特厚煤层分层综放开采覆岩破坏规律数值模拟[J].煤炭工程，2012（09）.
[3]金吕锋，王志根.松散层及推覆体下综放开采覆岩破坏研究[J].煤炭工程，2002（07）.
[4]刘贤庆.综放开采覆岩导水裂隙带演化与高度确定[J].山东煤炭科技，2017（06）.
[5]张国奇，吕晓磊，李东发，等.半固结砂岩含水层下综放开采“两带”高度实测研究[J].煤炭科学技术，2017（S1）.。