黑眼泉煤矿覆岩“三带”发育高度探测研究

黑眼泉煤矿覆岩“三带”发育高度探测研究

王磊

（新疆伊犁犁能煤炭有限公司，新疆伊宁县）

摘要：本文以黑眼泉煤矿A1煤层为研究背景,通过理论计算和现场实测的方法确定了A1煤层上覆岩层“三带”高度，结果表明：黑眼泉煤矿A1煤层开采后，覆岩垮落带沿竖直方向的高度约为15.01m，沿煤层法向的高度约为14.63m，约为采高的5.18-5.04倍，裂隙带沿竖直方向的发育高度约为55.78m，沿煤层法向的高度约为54.35m，约为采高的18.74-19.23倍，弯曲下沉带范围为0-179.21m。

关键词：垮落带；裂隙带；弯曲下沉带；发育高度

引言

煤岩体中存在多种结构面，控制着煤岩体的力学性质及其变形与破坏特征，了解煤岩体中层理、节理、裂隙等结构面的分布及其力学特性，对研究围岩的稳定性，煤岩体工程设计、施工及安全等有重要作用。因此,本研究以黑眼泉A1煤层条件为研究背景,采用理论计算与现场实测的方法,对黑眼泉煤矿覆岩“三带”发育高度进行了确定,该研究结果与方法对矿井其他相似条件工作面具有一定的指导意义。

1 矿井概况

黑眼泉煤矿位于新疆巴里坤哈萨克自治县西北方向150 km处，煤矿范围东西长约2.3～5.0 km，南北宽约7.4 km，面积约29.77 km2。黑眼泉煤矿井田范围内含1层可采煤层，为A1煤层，煤层厚度0.23~6.92 m，平均3.23 m，可采厚度2.10~6.92 m，平均3.59 m，含夹矸0~2层，井田地层为单斜构造，倾角为8°～25°。黑眼泉煤矿在天山东段北侧梅钦乌拉山脉的北面，为小型山间盆地，属平原型丘陵地形。井田内地形南西高，北东低，高程1552.1～1699.9 m，最高点标高为1699.9 m，位于井田内西南部。

2 覆岩“三带”发育高度的理论计算

A1煤层顶板岩性主要为粉砂岩、砂砾岩、中砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩等，属于中硬岩层。很长一段时间以来，覆岩“三带”高度的计算采用《“三下”采煤规程》的经验公式，但当覆岩为中硬岩层时，计算覆岩“三带”高度，在《“三下”采煤规程》没有记录采用综放开采方法的计算公式，一般根据厚煤层分层开采方法的经验公式来计算。具体如下：

冒落带的高度计算公式为：

式中为累计采厚，m。

裂隙带的高度计算公式如下：

           2)

式中M为开采煤层厚度，m。

NA1106工作面开采范围内煤层厚度1.0~4.1m，单层开采厚度局部将超过3m。将A1煤层平均开采厚度2.9m代入上述公式，得出A1煤层垮落带高度为6.7-11.1m，裂隙带高度为29.6-40.8m。

弯曲下沉带是在开采范围内，裂隙带顶部以上到地表的所有岩层，其高度的计算公式为：

式中：为弯曲下沉带高度，m；H为工作面采深，m；为裂隙带高度，m；垮落带高度，m。

3黑眼泉煤矿覆岩“三带”发育高度探测

3.1窥视钻孔布置

黑眼泉煤矿地面窥视钻孔ZKD01布置在NA1106工作面采空区内，距离NA1106工作面切眼约210 m，距离NA1106皮带顺槽约41 m，钻孔地面标高约为+1589 m，煤层底板标高约为+1336 m，煤层埋深约为250 m。

地面窥视孔垂直地表向下施工，直至穿过煤层采空区为止，钻进过程中采取岩芯，采用钻孔窥视仪观测和记录孔壁的破坏形态及位置。

3.2钻孔变形探测结果

采用钻孔窥视仪对黑眼泉煤矿ZKD01地面钻孔进行了现场探测，观测结果如下：

埋深0-6.94 m的地层主要为第四系残积物，该段表土层孔壁总体完整性较好，局部孔壁发育有轴向的不规则裂隙（如图3所示），并且裂隙尺寸及长度较小。由于该表土层下方厚度为85m的岩层孔壁完整性较好，因此推断该部分表土应处于弯曲下沉带内。该段钻孔在施工过程中，除局部增大外，泥浆消耗量基本维持在0.2m3。

埋深6.94-93.37 m的岩层主要为砂砾岩，该段岩层总体完整性好，该段岩层孔壁及岩心总体完整性好，局部孔壁发育有环向裂隙及不规则裂隙，出现一定程度的破损，因此该部分岩层应处于弯曲下沉带的上部。

埋深93.37-173.83 m的岩层主要为含砾砂岩，其中埋深93.37-141.95 m的部分，总体完整性较好，仅出现4处环向裂隙，结合岩芯情况，可以判断该岩层应处于弯曲下沉带中部。埋深141.95-173.83 m的部分，环向裂隙的发育有所增多，数量达到了十余处，并且在埋深约147.53m及148.18m处孔壁出现一定程度的破损，但轴向裂隙不发育，表明随着埋深的增加，岩层的弯曲下沉量逐渐增大，不同埋深的岩层之间出现错动的部位增多，岩芯的完整性也有所降低。综合上述，可以推断79.24m的含砾砂岩（埋深93.37-141.95 m）为该处覆岩的主关键层，控制着其上部至地表岩层的运动。

埋深173.83-206.07 m的岩层主要为砂砾岩，该段岩层总体完整性较好，环向裂隙的发育进一步增多、尺寸也有所增大，裂隙数量达到二十余处，在埋深约179.21m、179.79m、204.78 m处的孔壁出现了不同程度的破损，并且岩层间滑移错动的位移明显增大，轴向裂隙不发育，表明随着埋深的增加，岩层距工作面采空区越来越近，采动影响逐渐显现，岩芯的完整性也有所降低。基于砂砾岩出现的错动及破损特征，可以推断砂砾岩已处于上位裂隙带范围内。

埋深206.07-229.09m的岩层共有5层，岩性主要为粉砂质泥岩、中砂岩，其中粉砂质泥岩段发育有环向裂隙、少量纵横交错的裂隙及局部破损，岩芯完整性相对较差；中砂岩段孔壁总体完整性较好，仅在两处发育有环向裂隙。埋深229.09-234.99m的岩层为细砂岩，该段岩层总体完整性较好，仅出现少量不规则裂隙及纵向裂隙，结合岩芯完整性情况及上下部岩层的破坏形态，可以判断该岩层应属于NA1106工作面的基本顶，处于下位裂隙带范围内，

埋深234.99-247.48m的岩层为砂砾岩，该段岩层总体完整性差，出现不同程度的孔壁破损、裂隙发育及错动，随着深度增加，出现显著的破损和错动，孔壁破碎不成形。在埋深240.73m处见孔底水位，由于孔底残留的水分十分浑浊，水面之下观测的视频极为模糊。综合孔壁形态及钻孔取芯的情况，可以判断该段岩层处于垮落带范围内。

综合上述分析，如图9所示，A1煤层开采后，垮落带沿竖直方向的高度约为15.01m（埋深234.99-250.0m），沿煤层法向的高度约为14.63m，约为采高的5.18-5.04倍，裂隙带沿竖直方向的发育高度约为55.78m（埋深179.21-234.99m），沿煤层法向的高度约为54.35m，约为采高的18.74-19.23倍，弯曲下沉带范围为0-179.21m。

4 结论

通过在黑眼泉煤矿NA1106工作面地面布置观测钻孔，基于钻孔摄像技术的现场可视化探测，研究得出：黑眼泉煤矿NA1106工作面开采范围内，A1煤层的平均厚度为2.9m，倾角约为13°，煤层开采后，覆岩垮落带沿竖直方向的高度约为15.01m，沿煤层法向的高度约为14.63m，约为采高的5.18-5.04倍，裂隙带沿竖直方向的发育高度约为55.78m，沿煤层法向的高度约为54.35m，约为采高的18.74-19.23倍，弯曲下沉带范围为0-179.21m。

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