王飛

（榆林市楊伙盤礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

0 引 言

榆神府礦區(qū)淺埋煤層群煤炭資源儲量豐富，由于其煤炭資源賦存具有埋藏淺、基巖薄、層間距小和可采層數(shù)多的特征[1]，下煤層開采時極容易引發(fā)上煤層采空區(qū)積水以及地表雨季降水涌入工作面的現(xiàn)象[2]，對下煤層安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，因此，采用理論分析結(jié)合地表鉆探的方法對楊伙盤煤礦3-1煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育進(jìn)行實測研究，對礦井水災(zāi)害防治具有重要的意義。張杰[3]采用相似模擬實驗的方法研究了榆樹灣煤礦淺埋厚基巖條件下保水開采覆巖三帶發(fā)育規(guī)律。侯恩科[4]采用相似模擬和數(shù)值模擬的方法對檸條塔煤礦2-2煤層開采覆巖破壞規(guī)律及裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究。李海軍[5]、張哲鵬[6]、蔚保寧[7]采用現(xiàn)場實測和物理模擬、數(shù)值模擬的方法分別研究了淺埋煤層開采覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律。蔚保寧[7]、智國軍[8]采用工程鉆探的方法對煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了研究。王連國[9-10]基于不同巖性承載能力和變形特征，構(gòu)建了一種預(yù)計導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的力學(xué)模型。薛雄飛[11]采用瞬變電磁法對淺埋煤層導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行了預(yù)測研究。

盡管榆神府礦區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，針對于楊伙盤煤礦淺埋近距離煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的實測研究較少，因此，有必要對楊伙盤煤礦開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行實測研究，為礦井防治水工作提供指導(dǎo)。

1 工程概況

楊伙盤煤礦30116工作面位于井田中西部，東為楊伙盤村、回風(fēng)立井西北側(cè)，西為李家渠，中北部和南部為周家梁村，3個村莊的南部。上覆地層厚度為0~161.58 m，基巖厚度為42.87~161.58 m，松散層厚度為0~35.19 m，平均厚度25 m。3-1煤層厚度1.84~2.2 m，平均厚度為2.2 m，煤層傾角為1°，上部為2-2煤20307、20308工作面采空區(qū)，煤層厚度2.4 m，兩煤層間距為25 m，煤層賦存特征見表1。30116工作面覆巖巖性柱狀圖如圖1所示。煤層頂板巖層抗壓強(qiáng)度一般為20~45 MPa，屬于中硬巖層，參照中硬巖層的計算公式，對其開采后上覆巖層垮落帶與裂隙帶的高度進(jìn)行計算。

圖1 30116工作面覆巖巖性柱狀圖Fig.1 Overlying strata lithology histogram of No.30116 Face

表1 煤層賦存情況Table 1 Coal seam occurrence conditions

2 導(dǎo)水裂隙帶高度理論預(yù)計

2.1 《三下開采規(guī)范》中導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計

根據(jù)2017版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（簡稱三下開采規(guī)范）中對于覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的計算。

帶入表1開采參數(shù)可得出，當(dāng)僅開采2-2煤層時，垮落帶高度為10.13 m，裂隙帶高度為40.98 m，裂采比為17.1，3-1煤開采完后，垮落帶高度為11.84 m，裂隙帶與2-2煤層裂隙帶貫通，此時3-1煤導(dǎo)水裂隙帶高度為74 m，裂采比為33.64，說明3-1煤層初次來壓后上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)發(fā)育至土層底部，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表。

2.2 《煤礦防治水綜合技術(shù)手冊》中導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計

根據(jù)2003版《煤礦防治水綜合技術(shù)手冊》中對于覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的計算，給出了2種計算方法。

（1）過去常用的導(dǎo)水裂隙帶計算公式[12]。

式中：h1為頂板垮落帶高度；M為煤層厚度；α為煤層傾角；Ks為巖石碎脹系數(shù)；h2為裂隙帶高度。不同巖層碎脹系數(shù)見表2。

帶入表1開采參數(shù)可得出，當(dāng)僅開采2-2煤層時，垮落帶高度為8 m，裂隙帶高度為24 m，裂采比為10。3-1煤開采完后，垮落帶高度為7.33 m，與2-2煤層導(dǎo)水裂隙帶貫通，此時3-1煤導(dǎo)水裂隙帶高度為60.91 m，裂采比為27.69，3-1煤層初次來壓后導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)發(fā)育風(fēng)化巖層處，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表。

（2）礦井水文地質(zhì)規(guī)程確定的經(jīng)驗計算公式。

帶入表1開采參數(shù)可得出，當(dāng)僅開采2-2煤層時，垮落帶高度為9.6 m，裂隙帶高度為38.9，裂采比為16.21，裂隙帶未發(fā)育至地表。3-1煤開采完后，垮落帶高度為8.8 m，導(dǎo)水裂隙帶已與2-2煤層導(dǎo)水裂隙帶貫通，此時3-1煤導(dǎo)水裂隙帶高度為66.3 m，裂采比為30.14，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表。

綜上所述，依據(jù)《三下開采規(guī)范》和《煤礦防治水綜合技術(shù)手冊》對楊伙盤煤礦30116工作面開采過程中垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行理論分析，計算結(jié)果見表2。

表2 覆巖兩帶高度發(fā)育計算表Table 2 Calculation table of two zone development height of overlying strata

3 導(dǎo)水裂隙帶高度實測

3.1 觀測方案設(shè)計

根據(jù)楊伙盤煤礦3-1煤采掘工程平面圖、井上下對照圖，以30116工作面為研究對象進(jìn)行采動覆巖的裂隙發(fā)育及“三帶”發(fā)育高度進(jìn)行觀測研究。30116工作面寬度240 m，埋深平均為100 m。30116工作面上覆采空區(qū)分布特征及鉆孔位置，如圖2所示。

圖2 30116工作面上覆采空區(qū)分布特征及鉆孔位置Fig.2 The design of overlying goaf distribution characteristics and drilling position of No.30116 Face

20307工作面采空區(qū)回風(fēng)順槽、回撤巷與30116工作面主運(yùn)順槽重疊區(qū)域呈等腰直角三角形，為避免回采巷道對采空區(qū)垮落影響，將1號鉆孔位置布置在該區(qū)域中心點，與周圍3條巷道距離均為57 m，滿足鉆孔位置設(shè)計要求。30116工作面與20308工作面采空區(qū)完全重疊，此時30116工作面已回采至過20308工作面切眼90 m處，故將2號鉆孔位置選取布置在工作面中部，同時仍要避免20308工作面切眼及回采巷道的影響，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將2號點的位置取在距20308工作面切眼52 m處同時又處在20308工作面中部的位置。

鉆孔位置具體參數(shù)為，1號鉆孔設(shè)計位置距離30116工作面切眼680 m，距離30116主運(yùn)順槽57 m，經(jīng)度37 455 723，緯度4 325 166。鉆孔地表標(biāo)高1 200 m，煤層底板標(biāo)高1 080 m。2號鉆孔設(shè)計位置距離30116工作面切眼897 m，距離30116主運(yùn)順槽93 m，經(jīng)度37 455 918，緯度4 325 243。鉆孔地表標(biāo)高1 184 m，煤層底板標(biāo)高1 080 m。

3.2 30116工作面鉆孔窺視結(jié)果分析

如圖3所示，1號鉆孔距離孔口3.88 m處有縱向裂隙出現(xiàn)，裂隙張開度較大，如圖3（a）所示，距孔口16.17 m處環(huán)狀橫向裂隙發(fā)育，如圖3（b）所示，孔深30 m范圍內(nèi)均為黃土組成的松散層，并且松散層中存在環(huán)狀和縱向裂隙，由此可得出采動后覆巖裂隙帶高度已經(jīng)發(fā)育至地表。鉆孔66~75 m孔壁較為破碎，66.94 m處為縱向裂隙發(fā)育，破壞范圍發(fā)育至67.31 m，67.31 m處有較大橫向裂隙發(fā)育。72~74.5 m縱向裂隙發(fā)育密集，破壞范圍更大，約為2.5 m，如圖3（c）所示?？咨?5~95 m，隨著鉆孔深度增大，孔壁巖層破碎程度加大，孔壁處橫裂隙、縱向裂隙均均有發(fā)育，分析認(rèn)為2-2煤層覆巖垮落帶發(fā)育范圍為66~75 m，垮落帶高度約為9 m。在孔深達(dá)到90.2 m處孔壁發(fā)育橫向裂縫，且有明顯離層現(xiàn)象。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到94.93 m處時，孔壁破碎嚴(yán)重，橫向裂隙與縱向裂隙并存，如圖3（d）所示。分析認(rèn)為3-1煤采空區(qū)覆巖垮落帶發(fā)育范圍為104~118 m，垮落帶高度14 m。

圖3 1號鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育特征Fig.3 Fracture development characteristics in No.1 drilling hole

4 結(jié) 論

（1）《三下開采規(guī)程》計算得出，2-2煤層垮落帶高度為10.13 m，垮采比為4.22，裂隙帶為40.98 m，裂采比為17.1。3-1煤層垮落帶高度為11.84 m，垮采比為5.38，裂隙帶為74 m，裂采比為33.64。

（2）《煤礦防治水綜合技術(shù)手冊》計算得出，2-2煤層垮落帶高度為8~9.6 m，垮采比為4，裂隙帶為24~38.9 m，裂采比為10~16.21；3-1煤層垮落帶高度為7.33~8.8 m，垮采比為3.67，裂隙帶為60.91~66.3 m，裂采比為27.69~30.14。

（3）鉆孔窺視得到2-2煤垮落帶高度9 m，垮采比為4.2，3-1煤垮落帶高度14 m，垮采比為6.4，導(dǎo)水裂隙帶隨著工作面的推進(jìn)均已發(fā)育至地表。