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第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. School of Civil Engineering engineering geological drilling; borehole television; coalfield well logging; “three zones”; quantitative uation 煤层开采后将形成岩层移动、变形与破断，并 在覆岩中形成采动裂隙[1-4]。相关学者[5-8]对我国煤 矿开采覆岩破坏与导水裂隙分布作了大量的实测和 理论研究，针对采场上覆岩层移动破断与采动裂隙 分布规律提出了“横三区”“竖三带”。覆岩“三 带”发育高度对矿产资源开发及其充分利用[9]、水 体下采煤与瓦斯防治[10-12]、保水采煤[13-16]、采煤沉 陷区综合治理[17]具有重要意义。 我国东部大部分矿区为保护地面构筑物与环 境，控制地表变形，大量采用条带采煤方法。对此， 众多学者采用理论分析[18-19]、相似材料模拟[20-21]、 数值计算[22-24]等手段，对条带式开采覆岩裂隙的探 ChaoXing 18 煤田地质与勘探 第 48 卷 测和发育规律进行了研究。普遍认为，条带开采覆 岩破坏机理不同于长壁开采，对此提出的假说主要 有托板理论、煤柱压缩与压入假说、岩梁假说、 波浪消失假说。而深部条带开采条件下，覆岩易于 形成自然平衡拱，一般表现为直接顶垮落，但基本 顶垮落不充分，地下残余大量空洞，采动裂隙发育 不显著，基于此认识，对条带式采空塌陷区作为建 筑场地时， 提出了采空塌陷区墩台式注浆治理理念。 上述研究主要针对的是条带开采宏观的覆岩破坏机 理，而对于条带开采覆岩采动裂隙的扩展、分布及 “三带”高度量化评判方面研究较少。 墩台式注浆治理方案是否可行，需要深入研究 条带开采地下残留空洞及覆岩“三带”发育特征。 本文以鲁西南赋煤区济宁煤田济北某矿条带式采煤 工作面为研究对象，采用工程地质钻探法、钻孔电 视法和煤田测井法相互组合的方式，对覆岩采动裂 隙的形成、扩展、分布进行了现场探测。旨在查明 采空区的赋存状态，给出现场探测评判指标，为深 部条带采空塌陷区治理方案的选择提供依据。 1 地质条件概况 济宁煤田济北矿区某矿井年产 240 万 t， 采用立 井分水平开拓主井、副井、风井，中央并列式通 风，条带短壁式综合机械化一次采全高采煤工艺， 顶板自由垮落法管理。全矿井开采下二叠统山西组 3上煤层，平均采高 2.8 m，煤层平均埋深约 538 m， 平均倾角 6，矿井综合地质柱状如图 1 所示。本次 选取该矿具有代表性的 334、338 工作面为研究对 象，通过施工采空区和煤柱两种钻孔，对深部条带 开采覆岩裂隙进行现场探测。 334 工作面宽度 50 m， 走向长度 650 m，于 2013 年 10 月 12 日开始回采， 2013 年 12 月 27 日回采结束； 338 工作面宽度 50 m， 走向长度 700 m， 于 2014 年 2 月 5 日开始回采， 2014 年 5 月 16 日回采结束，工作面两侧煤柱宽度均为 100 m。 2018 年 12 月在 338 工作面和 334 与 338 工作面 之间的煤柱内共施工 2 个钻孔，两孔相距240 m，其中 T1 孔为探测孔，距两侧煤柱各 25 m；T2 孔为对照孔， 距两侧工作面各 50 m，终孔层位均以进入 3上煤层底板 不小于 5 m 为标准，具体钻孔布置如图 2 所示。 2 工程地质钻探法 2.1 钻进过程 本次 2 个钻孔施工均采用回转钻进工艺，钻孔 结构如图 3 所示。T1 钻孔终孔深度为 565.87 m，钻 进至 494.22 m，冲洗液漏失量大幅度增加，孔内水 图 1 矿井综合地质柱状 Fig.1 Comprehensive geological column of the mine 图 2 钻孔与采空区平面位置关系 Fig.2 Plane position relationship between borehole and goaf 位迅速下降；钻至 515.70 m 浆液全孔漏失；在 504.42533.00 m 岩心破碎，并发育多处近垂向裂 隙；551.10557.93 m 进尺忽快忽慢，卡钻严重，加 尺困难；562.35 m 进入采空区底板，全程未发生明 显掉钻。T2 钻孔终孔深度为 540.42 m，施工期间全 孔正常返水，钻进平稳，在 529.50535.25 m 的煤层 段进尺比其他层位略快。 ChaoXing 第 3 期 刘震等 深部条带开采覆岩“三带”探测及量化评判 19 图 3 钻孔结构示意 Fig.3 Schematic diagram of borehole structure 2.2 钻孔冲洗液漏失量 对 T1、T2 钻孔钻进过程中每米进尺冲洗液漏 失量和每分钟漏失量进行了统计，并绘制关系曲线 如图 4 所示。 由图 4 可以看出， T1 钻孔 494.22 m 以前， 冲洗 液消耗变化不大，趋于平稳，局部存在轻微波动，单 位进尺漏失量为101.18570.36 L/m， 平均248.40 L/m； 单位时间漏失量为 0.982.18 L/min，平均 1.56 L/min， 该范围受采动影响程度小。钻进至 494.22 m 以后， 冲洗液突然大量漏失， 单位进尺漏失量平均增至 1 043.27 L/m，增大 3.2 倍；单位时间漏失量平均增 加至 21.16 L/min，为之前的 13.6 倍。在 515.70 m 时，冲洗液全部漏失，直至终孔，单位进尺漏失量最 大达到 3 875 L/m，单位时间漏失量最大达到 172.83 L/min，孔内水位降至 456.30 m。494.22 m 至终孔范 围，受采动影响程度较大，裂隙连通性逐渐增强。 T2 钻孔施工过程中，单位进尺漏失量为 9.55 232.14 L/m，平均为 51.63 L/m；单位时间漏失量为 0.331.27 L/min，平均 0.54 L/min。冲洗液全程处于 正常消耗状态，趋势平稳，局部出现轻微震荡。 2.3 钻进速度分析 将 T1 和 T2 钻孔的钻进速度绘制曲线图 5。 由图 5 可知，T1 钻孔在钻至 511 m 前时，钻进速度 图 4 钻孔冲洗液漏失量与钻孔深度关系曲线 Fig.4 Curve of relationship between loses of drilling fluid and drilling depth 图 5 钻进速度与钻孔深度关系曲线 Fig.5 Relation curve of drilling speed and drilling depth 为 1.031.3 mm/min，平均 10.7 mm/min，总体趋于 平稳，局部存在轻微波动；在 511 m 后钻进速度大 幅提升，为24.380.0 mm/min，平均41.5 mm/min；钻进 至562.35 m进入采空区底板后，速度降为23.2 mm/min， 逐渐恢复平稳。 T2钻孔总体钻进平稳， 钻进速度平均为11.2 mm/min， 在 529.50525.25 m 煤层段，钻进速度加快，随后趋 于正常。 相对于全程钻进速度平稳的 T2 孔，T1 孔在 511559.55 m 范围钻进速度大幅提升并出现较大波 动现象，主要是由于离层裂隙及破碎地层所致。 2.4 取心率与岩石质量指标 RQD 分析 对 T1 和 T2 钻孔岩心的采取率和岩石质量指标 ChaoXing 20 煤田地质与勘探 第 48 卷 RQD 进行统计，绘制关系曲线图 6。由图 6 可以 看出，除个别层位由于施工条件、煤质脆且易碎等 原因导致 T2 孔取心率与 RQD 异常下降外， T1 孔的 取心率和 RQD 曲线基本低于 T2 孔。由于地层倾角 的存在，T1 和 T2 孔相同层位的深度有所不同，现 对两孔相同层位的取心率和 RQD 进行对比， 见表 1。 由表 1 可知，490540 m，T1 孔的取心率与 T2 孔相 同层位相差较小，RQD 则相差较大，受采动影响较 明显；540 m 以下范围，T1 孔取心率和 RQD 与 T2 孔相同层位相差明显，取心困难，岩心破碎，受采 动影响程度大。 图 6 取心率、RQD 与钻孔深度关系曲线 Fig.6 Relation curve of core recovery, RQD and borehole depth 表 1 相同层位取心率与 RQD 对比 Table 1 Comparison of core recovery and RQD in the same layer 钻 孔 层 位 取心率/ RQD/ T1 ＜490 m 69 41 T2 相同层位 82 62 T1 490540 m 66 19 T2 相同层位 77 66 T1 540559.55 m 38 17 T2 相同层位 86 50 3 钻孔电视法 钻孔电视最大优点是通过影像可以直接观察孔 中岩石的完整性、裂隙发育程度、采空区垮落情况 等，对钻探因岩石垮落、裂隙发育等因素造成的岩 心采取率不足等现象，是极其重要的补充完善。 3.1 覆岩采动裂隙可视化探测 本次采用GD3Q-GA 4D超高清全智能钻孔电视 对 T1 钻孔进行孔内窥视，孔壁图像横向按照 N-E-S-W-N 方向顺序展开，竖向按深度自动拼接， 精度至毫米。探测自 280 m 开始，至 553.3 m 结束， 由于塌孔原因，探头并未到底，实际探测 273.3 m， 钻孔电视部分超高清照片如图 7 所示。 图 7 T1 孔钻孔电视照片 Fig.7 Borehole television photos of borehole T1 根据钻孔电视探测结果分析，493.55 m 处存在 横向裂隙，宽度达 35 mm；493.55526.70 m，裂隙 发育数量较少，以斜裂隙为主，偶见有横向裂隙； 526.70551.10 m，裂隙发育数量明显增加，以横向 离层裂隙为主，偶见高角度垂直与水平组合裂隙； 551.10 m 以下，岩体呈松散块状堆积，形状不一， 纵横向裂隙均有发育，无法辨认单一裂隙产状。 3.2 采动裂隙统计分析 对 T1 孔钻孔电视照片进行分析，统计 450 m 以下的 139 条裂隙，结果见表 2，并绘制节理裂隙 倾向玫瑰图图 8。由表 2 可知，450493.55 m 范围 以原生微小裂隙为主，裂缝宽度很小，内部为原生 充填物，连通性差，对地层后续变形无明显影响； 493.55526.70 m 范围裂缝宽度较小，内部多充填 钻探岩屑，钻进过程冲洗液全漏失，裂缝连通性较 好，对地层后续变形影响较小；526.70551.10 m 范围多发育横向离层裂隙，偶见高角度垂直与水平 组合裂隙，裂缝宽度可达 25 mm，是采动裂隙集中 发育的范围， 对后续地层变形有一定影响； 551.10 559.55 m 范围岩体呈松散堆积状，大型裂缝、高角 度裂隙发育，钻进过程中塌孔严重，经常埋钻，对 后续地层变形影响最大。由图 8 可知，节理裂隙主 要向 NEE 方向倾斜。由于地层由东北向西南倾斜， 倾向 233，且工作面走向布置为北东向西南方向， 与地层夹角约 15。工作面采用俯采，先开采的位 置，覆岩最先发生破断，由此造成采动裂缝主要发 ChaoXing 第 3 期 刘震等 深部条带开采覆岩“三带”探测及量化评判 21 育方向为 NEE。 表 2 节理裂隙统计 Table 2 Statistics of joints and fractures 深 度/m 裂隙数量/条 平均宽度/mm 连通性 450493.55 29 7 差 493.55526.70 43 12 中等 526.70551.10 54 25 较好 551.10559.55 13 53 好 图 8 节理裂隙倾向玫瑰图 Fig.8 Joint and fracture tendency rose diagram 4 煤田测井法 对 T1 孔和 T2 孔进行了煤田测井，并统计了自 然伽马、体密度、井径扩大倍数 3 个参数，见表 3。 由表3可以看出，煤层开采对 T1孔525 m 以上 覆岩的3个参数影响较小；525550 m 受到一定程度 影响；550 m 至终孔范围受影响最大，与对照孔 T2 相同层位相比，具体表现为自然伽马降低19，体 密度降低23，井径扩大100，这是煤层开采后， 覆岩破断形成采动裂隙与空洞所导致。T1孔490 m 以上范围以原生微小裂隙为主，测井参数几乎没有 变化；490525 m 范围以原生裂隙与采动小型裂缝 并存，测井参数变化不明显；525550 m 范围竖向 采动裂隙与离层裂隙发育， 导致覆岩的3个测井参数 发生一定程度变化；550 m 至终孔范围岩体松散堆 积，大型裂缝发育，导致该范围的自然伽马及体密 度介于正常覆岩与煤层之间，而井径在该范围达到 最大，覆岩受采动影响最为严重。 5 覆岩破坏规律及“三带”发育高度量化评判 5.1 覆岩破坏规律 通过工程地质钻探、钻孔电视和煤田测井 3 种方 法的探测，结果表明，缓倾斜煤层平均倾角 6、深 部平均埋深 538 m、采留比 1∶2采 50 m 留 100 m 的条带式采动下，覆岩“三带”发育特征显著，空 表 3 煤田测井参数统计 Table 3 Statistics of parameters in coalfield well logging 钻孔层 位 自然伽马 GR/API 体密度 ρ/gcm-3 井径扩大 倍数 490 m 以上覆岩145 2.514 1.3 490525 m 135 2.493 1.2 525550 m 126 2.212 1.6 T1 550559.55 m 108 1.989 2.4 覆岩 133 2.599 1.2 T2 煤层 78 1.449 1.0 间整体呈“波浪式”破坏形态，工程地质剖面如图 9 所示。弯曲下沉带以原生裂隙为主，受采动影响程 度小；弱断裂带以斜裂隙为主，偶见横向裂隙，强 断裂带以横向离层裂隙为主，偶见高角度垂直与水 平组合裂隙；垮落带岩体呈松散块状堆积，形状不 一，纵横向裂隙均有发育，无法辨认单一裂隙的产 状，无明显空洞，因此，墩台式注浆治理方案不适 用于该采空区。 5.2 “三带”发育高度量化评判 针对“三带”发育高度，通过综合探测分析， 提出了每米进尺漏失量、钻进速度、取心率、RQD、 自然伽马、体密度、井径扩大倍数、采动裂隙可视 化观测等 8 个量化评判指标。工程地质钻探法作为 “三带”探测的传统方法，其漏失量、钻进速度、 取心率、岩石质量指标 RQD 等参数仅能大致判断 “三带”范围，精度一般；煤田测井法作为“三带” 探测的重要补充，其自然伽马、体密度、井径扩大 倍数等参数对垮落带范围的识别较为准确可靠，对 弯曲下沉带和断裂带的识别精度一般；钻孔电视法 作为“三带”探测的可靠方法，可以直观精确地观 测“三带”特征，判断发育高度。 根据 3 种方法对“三带”发育高度进行综合量 化分析493.55 m 以上范围为弯曲下沉带，高度 493.55 m； 493.55526.70 m为弱断裂带， 高度33.15 m； 526.70551.10 m 为强断裂带，高度 24.40 m，断裂 带高度 57.55 m， 为采高的 20.6 倍； 551.10559.55 m 为垮落带，高度 8.45 m，为采高的 3.0 倍。 对于“三带”发育高度的探测，以上 3 种方法 均有一定作用，通过对比，钻孔电视法更为直观， 且能准确定位、定量描述，比工程地质钻探法、煤 田测井法精确度高。 6 结 论 a. 缓倾斜6、 深埋538 m、采留比 1∶2采 50 m 留 100 m的条带式采动下，覆岩“三带”发 育特征显著，呈“波浪式”破坏形态。弯曲带以 ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 9 覆岩“三带”工程地质剖面示意 Fig.9 Diagrammatic engineering geologic cross-section of the “three zones” in overburden rocks 原生裂隙为主，弱断裂带以斜裂隙为主，强断裂 带以离层裂隙为主，垮落带岩块堆积松散，无明 显空洞。 b. 提出“三带”发育高度的 8 个量化评判指 标，综合钻孔电视、工程地质钻探和煤田测井 3 种方法，得出弯曲下沉带高度 493.55 m；断裂带高 度 57.55 m，为采高的 20.6 倍；垮落带高度 8.45 m， 为采高的 3.0 倍。 c. “三带”发育高度的 3 种探测方法中，钻 孔电视法比工程地质钻探法、煤田测井法精确度 高。探测结果较为准确可靠，可为深部条带采空 塌陷区治理方案的选择提供依据。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 钱鸣高，许家林，缪协兴. 煤矿绿色开采技术[J]. 中国矿业大 学学报，2003，324343–348. 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