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黔北地区重复开采覆岩“两带”发育特征研究

2025-08-03 57 上传者：管理员

摘要：为了研究黔北地区煤层群开采条件下覆岩“两带”的发育高度，以盛安煤矿110902工作面为研究对象，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》经验公式计算和钻孔电视观测2种研究方法，对该工作面重复开采后顶板垮落带和裂缝带进行研究。研究结果表明：110902工作面重复开采覆岩岩性为中硬岩性，根据经验公式计算，110902工作面重复开采综合开采高度为2.27 m，重复采动裂缝带高度25.79～42.5 m；通过钻孔电视对顶板3个钻孔裂隙发育特征的分析，得到覆岩垮落带高度为12.85 m，裂缝带高度为34.35 m，钻孔电视观测结果与经验公式计算结果相符，相互印证。研究成果可对该地区顶板水害防治提供重要的理论参考。

关键词：
煤炭资源
理论计算
裂缝带
重复开采
钻孔电视
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贵州省具有丰富的煤炭资源,素有“西南煤海”之称,是我国华南型煤田中最大的产煤省区｡贵州省喀斯特矿区在高强度开采扰动后,极易造成矿井突水事故,给井下开采工作带来极大的安全隐患和经济损失[1]｡导水裂缝带,即垮落带和裂缝带,是贯通采空区与上部水体的通道,覆岩“两带”的高度及特征对于矿井井下水害防治具有重要的意义[2-3]｡

众多学者对于覆岩“两带”进行了深入的研究,王毅等[4]以盘城岭煤业工作面为研究背景,采用理论公式､现场井下仰孔注水测漏法和钻孔电视成像探测法,综合分析导水裂缝带的高度和发育规律｡程强等[5]采用电阻率动态监测法､双端封堵分段注水观测法和覆岩破坏电阻率动态监测法,对工作面顶板冒落带和导水裂缝带发育情况进行了综合探测,并讨论了大采高开采条件下地表沉陷特征与“两带”发育高度的关系｡许国胜等[6-7]针对黔北煤田长兴组厚灰岩下开采顶板离层水涌突事故,分析覆岩离层空间发育及导水裂缝带发育高度,揭示离层水突水机制,提出了防治离层水突水技术;并且针对水库下开采,对工作面开采后岩层垂直位移､导水断裂带发育高度以及覆岩裂隙网络的演化规律进行了深入研究｡张鑫等[8]针对新疆准南煤田巨厚煤层分层开采案例,分析了多煤层下行式开采导水裂缝带发育规律和巨厚煤层分层开采覆岩运移及破断特征,探究了覆岩破断结构模式｡鞠金峰等[9]统计了东胜煤田30个工作面的导水裂隙发育高度的实测数据,分析了地质和采矿条件对导水裂缝带高度的影响规律,并对该地区提出了不同分区覆岩“导高”的预计方法｡上述对中东部及西部煤田研究居多,对贵州地区多煤层重复采动情况下覆岩破坏特征研究较少｡本文以黔北地区(贵州省金沙县)盛安煤矿110902工作面为背景,采用钻孔电视方法,实测重复采动情况下覆岩“两带”发育特征,并结合《建筑物､水体､铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[10]经验公式计算结果进行比对和验证,以期为黔北地区重复开采条件下防治水工作提供技术参考｡

1、工程概况

盛安煤矿位于金沙县县城东约47km,隶属于金沙县沙土镇管辖｡矿区东西宽约3.55km,南北长约3.96km,矿区面积8.6986km2｡矿井采用斜井开拓,矿区可采煤层为6#煤层和9#煤层,其中,6#煤层厚度0.28~1.39m,平均1.17m,一般不含夹矸,结构简单,属较稳定煤层;9#煤层厚度1.62~2.26m,平均1.83m,偶见夹矸(0.23~0.26m),结构简单｡

研究工作面为110902工作面,该工作面上部有10601工作面开采遗留采空区,10601工作面开采时间为2013年12月—2015年1月,开采面积为9.60万m2,平均煤层倾角8°,平均厚度1.40m;11092工作面开采时间为2022年9月—2023年5月,开采面积为8.07万m2,平均倾角8°,平均厚度1.65m｡采用下行式开采,先开采10601工作面,后开采11092工作面｡上述工作面的相对位置关系,如图1所示｡

图1110902工作面相对位置关系

2、导水裂缝带发育高度理论计算

对于水体下开采,覆岩岩性及其组合结构对导水裂缝带的发育高度有较大的影响,掌握矿井上覆岩层的组合结构及其岩性,对于准确预计覆岩破坏有着重要的意义｡结合矿区经验参数,分析采区内覆岩结构及岩性特征,根据钻孔信息统计10601工作面上覆岩层主要由砂岩､泥岩和灰岩岩层互层组成,属于中硬类型;110902工作面上部有10601工作面采空区,上部覆岩属于重复采动情况,综合计算确定重复采动情况下9#煤层覆岩属于中硬类型｡

参考《建筑物､水体､铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中经验公式,对于软岩与硬岩互层,缓倾斜煤层开采预计公式,如表1所示｡

表1缓倾斜厚煤层分层开采垮落带､导水裂缝带计算公式

由于110902工作面开采属于重复采动,因此,需考虑重复采动对覆岩导水裂缝带发育高度的影响｡在近距离煤层开采时,其垮落带､导水裂缝带高度的计算较为复杂,需要考虑上､下煤层开采的相互影响｡

6#煤层与9#煤层的平均煤层间距为6m,介于9#煤层开采造成的垮落带高度3.97~12.74m｡当下煤层的垮落带接触到或者完全进入上煤层时,上煤层的导水裂缝带高度按本次的厚度计算,下煤层的导水裂缝带最大高度则采用上､下煤层的综合开采厚度计算,取其中标高最大者作为2层煤的导水裂缝带最大高度｡

上､下2层煤的综合厚度

根据式(1)计算得到,9#煤层开采综合开采高度为2.27m,导水裂缝带高度25.79~40.13m｡综合6#煤层与9#煤层煤层间距,2个煤层各自开采后的导水裂缝带高度,取2个最大值,10601工作面开采后导水裂缝带高度18.37~33.66m,110902工作面重复采动裂缝带高度25.79~42.5m｡

3、覆岩“三带”发育特征钻孔电视观测

3.1覆岩“三带”高度观测方案

根据矿井目前采掘布置情况,将覆岩“三带”高度观测地点选择在110905运输巷210m处,用以探测110902工作面采空区上覆岩层的采动破坏规律｡

在110905运输巷210m处布置测试钻孔GC1､GC-2和GC-3｡观测站位置平面图及剖面图,如图1和图2所示｡

图2观测站位置剖面图(垂直巷道轴向方向)

3.2钻孔电视系统观测结果

2024年8月24日—2024年8月25日分别在早班对110902工作面采空区施工,并观测GC-3､GC-2和GC-1钻孔｡

GC-1观测钻孔施工深度44m,实际施工钻进过程中无涌水现象出现｡钻孔4.86~19.52m段钻孔破裂严重,钻孔破碎,部分钻孔崩塌出现一定范围的空洞;19.52~36.29m段钻孔出现小范围的破裂,钻孔完整性一般｡部分钻孔段孔壁裂隙发育情况,如图3所示｡

图3钻孔GC-1孔壁裂隙发育情况

GC-2观测钻孔施工深度48.58mm,钻孔14.18m以浅孔壁岩体破碎严重,随着钻孔深度的增加,钻孔孔壁破裂的程度逐渐减小,直至42.40m处仅有微小裂隙存在｡部分钻孔段孔壁裂隙发育情况,如图4所示｡

图4钻孔GC-2孔壁裂隙发育情况

钻孔GC-3施工深度24.28m,主要探测采空区破碎带岩体破坏情况,自22.60m以深,顶板钻孔破裂程度有所减小,无大范围的钻孔崩塌现象,具体如图5所示｡

图5钻孔GC-3孔壁裂隙发育情况

综上所述,通过对GC-1钻孔､GC-2钻孔和GC-3钻孔揭露的孔壁破裂程度的分析,确定钻孔揭露的垮落带和裂缝带顶界所在层位｡依此计算得到9#煤层重复开采情况下覆岩垮落带和裂缝带(取探测最大值)高度,具体如图6所示｡

据对110902工作面采空区上方岩体的钻孔电视探测分析结果,认为110902工作面重复开采覆岩垮落带高度为12.85m,裂缝带高度为34.35m｡对比现场覆岩破坏探测结果与前述经验公式结果(煤层群开采情况下110902工作面综合开采高度为2.27m,重复开采裂缝带高度25.79~42.5m｡),认为探测裂缝带高度位于经验公式计算范围内,探测结果准确,数据可靠｡

图6110902工作面开采覆岩垮落带和裂缝带发育(单位:m

4、结语

本文综合采用经验公式计算和钻孔电视观测,对盛安煤矿110902工作面采空区的垮落带和裂缝带发育高度及分布情况进行了研究｡通过经验公式计算得到,煤层群开采情况下110902工作面综合开采高度为2.27m,重复采动裂缝带高度25.79~42.5m;通过钻孔电视观测得到,110902工作面重复开采覆岩垮落带高度为12.85m,裂缝带高度为34.35m｡且钻孔电视观测结果与经验公式计算结果相符,印证了本项目井下实测结果的准确性｡

参考文献:

[1]李博,韦韬,刘子捷.西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性评价指标体系构建及突水危险性评价[J].煤炭学报,2022,47(S1):152-159.

[2]武强,朱慧聪,胡辰睿,等.我国煤层水害基本架构及发展情势[J].煤炭工程,2024,56(10):12-21.

[3]郭文兵,胡玉杭,胡超群,等.我国“三下”采煤技术体系与工程实践[J].煤炭科学技术,2025,53(1):19-38.

[4]王毅,周余,张丁丁,等.综采工作面采动覆岩导水裂隙带发育高度综合研究[J].矿业安全与环保,2024,51(5):132-141.

[5]程强,崔海平,赵小军,等.矿区大采高综采覆岩“两带”发育特征研究[J].中国矿业,2024,33(S2):279-282.

[6]许国胜,罗秀坤,苏德国,等.黔北煤田厚灰岩下顶板离层水涌突致灾机制研究[J].煤炭技术,2021,40(10):80-83.

[7]许国胜,李回贵,关金锋.水体下开采覆岩破断及裂隙演化规律[J].煤矿安全,2018,49(4):42-45,49.

[8]张鑫,陈优阔,孟海伦,等.巨厚煤层分层开采覆岩“两带”发育探测及破断特征[J].煤田地质与勘探,2024,52(12):106-117.

[9]鞠金峰,马祥,赵富强,等.东胜煤田导水裂隙发育及其分区特征研究[J].煤炭科学技术,2022,50(2):202-212.

[10]国家煤炭工业局.建筑物､水体､铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范[M].北京:煤炭工业出版社,2017.

基金资助:毕节市科学技术项目(毕科联合[2023]11号);贵州省科技厅高校科技创新团队项目(黔教技[2023]092号);贵州省科技计划项目(基础研究)(黔科合基础-ZK[2023]一般124);