麻家梁礦煤層頂板“兩帶”高度發育特征研究

2015-01-12 05:56:28張超

同煤科技 2015年3期

張超

0 引言

麻家梁煤礦是大同煤礦集團公司7 個千萬噸級礦井之一，目前礦井主采4 號煤層。4 號煤層埋藏較深，頂板上覆基巖及松散層整體較厚。但由于麻家梁井田部分地段分布數條較大斷層，煤層回采后不能完全排除導水裂縫帶與之溝通，從而存在潰水潰沙等災害的可能性；其次，4 號煤層直接充水水源為煤層頂底板K5、K4砂巖裂隙水，這些含水層一般富水性相對較弱，但在向斜軸部和裂隙發育區含水層富水性相對較強，水量比較集中，對礦井安全生產存在一定威脅。

1 水文地質條件

井田位于朔縣平原東南部，為神頭巖溶泉域水文地質單元的徑流區的一部分，總體特征為：覆蓋厚層新生界松散沉積物，碎屑巖裂隙含水層較發育，巖溶裂隙含水群埋藏深度大、水頭壓力高。

1.1 井田發育的主要含水層（自上而下）

（1）新生界孔隙含水層，全區分布，富水性強～中等，構成基巖直接蓋層。

（2）二疊系上下石盒子組砂巖含水層組，平均厚度272.8 m，泥巖、砂巖組成。

（3）早二疊系下部裂隙含水層（P1s），平均72.39 m，分布比較穩定，厚度較大。

（4）上石炭系裂隙含水層（C3t），平均80.43 m。

（5）奧陶系巖溶裂隙含水層，揭露中奧陶系灰巖（O2m）70 m 左右，巖溶裂隙發育；區內無鉆孔揭露下奧陶系巖溶裂隙含水層（O1）。

1.2 井田主要隔水層

（1）中石炭系碎屑巖隔水組（C2b），本溪組地層，厚度26.72 m～63.71 m，埋深227.36 m～793.91 m，隔水性能較好。

（2）二疊系中下部碎屑巖隔水層（P2s+P1x），厚度0 m～414.88 m，裂隙不甚發育，隔水性能良好。

2 頂板“兩帶”發育高度實測

麻家梁礦井4 號煤層充水水源主要來自于二疊系山西組砂巖裂隙含水層、二疊系上下石盒子組含水層直接充水含水層。煤層采動后導水裂縫帶波及上覆含水層，成為礦井的主要充水水源，形成礦井安全開采的主要威脅。因此，頂板導水裂縫帶[1-2]發育規律為本研究的重點。

現場實測方法是確定導水裂縫帶高度的主要途徑。本研究選用地面水位觀測法、地面鉆孔鉆液漏失量觀測法[3]及工作面涌水觀測法進行導水裂縫帶發育高度的綜合確定。觀測內容見第52 頁表1。

2.1 頂板“兩帶”探查

共布設3 個探查鉆孔，均為地面鉆孔：D1、D2、D3，總進尺1 697.68 m。測井1 174.95 m，水樣9個，巖樣14 組，抽水試驗3 次（3 個層位），并進行了D1、D2 鉆孔漿液消耗量觀測。具體工程量見表2。

表1 頂板導水裂縫帶探查觀測內容

表2 工程量統計

2.2 鉆液消耗量法探查

D3 鉆孔為采后探查鉆孔，用于探查覆巖導水裂縫帶發育高度。D3 鉆孔距首采面切眼約644 m，距D1 孔458 m，距巷道20 m。D3 孔處煤層頂板埋深635 m，煤層厚度10 m。要求鉆孔向下施工至煤層導水裂縫帶發育范圍，在鉆液明顯增大無法施工時終孔。D3 鉆孔井身結構見表3，D3 鉆孔結構示意圖見圖1。

表3 D3 探查鉆孔井身結構

D3 鉆孔施工中鉆液漏失量隨鉆探深度變化見圖2，鉆液消耗情況如下：

（1）進入基巖用清水鉆進時開始有消耗。孔深275 m～400 m 范圍內，鉆液消耗量一直在每鉆進0.5 m 漿池液面下降0.01 m～0.03 m 之間（消耗量約為0.000 03 L/（m·s）～0.000 07 L/（m·s）），鉆液消耗量總體保持穩定，孔內水位約保持在30 m 左右。

圖1 D3 鉆孔結構示意

圖2 D3 鉆孔鉆液漏失量隨深度變化曲線

（2）自421.69 m 深開始，消耗量出現增大的跡象，最大增至0.000 15 L/（m·s）。在孔深428.35 m 時出現不返漿鉆液漏失情況，持續時間較短，起鉆后測孔內水位31 m。該處距煤層頂板206.65 m，為煤層采厚的20.67 倍，經注水后恢復正常，繼續鉆進。在后續施工過程中，孔內水位呈明顯加深變化趨勢，在460 m 深處孔內水位達61 m。

（3）鉆進至506.97 m 時，隨著鉆進深度的增加，消耗量逐步增大現象明顯，在孔深506.97 m～510.97 m 孔段內最為明顯，其消耗量從0.000 03 L/（m·s）逐步增大至0.000 5l L/（m·s），同時孔內水位保持在60 m 深。

（4）鉆進至516.48 m 發生大漏，孔內水位降至162.10 m。該處距煤層頂板118.52 m，為煤層采厚11.85 倍；

（5）經過堵漏后，鉆進到517.68 m 深時發生大漏，孔壁坍塌，水位無法觀測到。坍塌孔段為290 m起至390 m 處，并有卡鉆情況出現。該處距煤層頂板117.32 m，為煤層采厚11.73 倍。

（6）采前采后鉆孔漏失量對比。根據D1、D2 和D3 鉆孔單位時間單位進尺鉆液漏失量變化曲線對比分析，D1、D2 采前鉆孔在鉆進過程中鉆液的消耗量變化比較平穩，無明顯的鉆液漏失集中段。而從采后D3 鉆孔可以看出，鉆孔鉆進至421 m 深以后，鉆孔漏失量明顯加大，且相對集中，這也說明了4 號煤層頂板導水裂縫帶高度已發育至該層段。

通過D3 鉆孔鉆液漏失量觀測，經與D1、D2 孔觀測資料對比，可得出覆巖導水裂縫帶可波及至頂板206.65 m，裂高采厚比可達20.67 倍。

2.3 首采面涌水及水位觀測資料綜合分析

在地面探查鉆孔終孔后，安裝了地面水文遙測系統，對地面D1、D2 鉆孔水位進行了長觀。其中D1鉆孔監測松散含水層水位變化，D2 鉆孔觀測上石盒子組含水層水位變化。

2.3.1 D1 鉆孔松散含水層水位變化

在首采面回采期間，松散含水層水位基本保持穩定，井下水量無突增情況，煤層采動頂板導水裂縫帶未波及到松散含水層，松散含水層未成為首采面直接充水水源。

2.3.2 D2 鉆孔松散含水層水位變化

D2 孔孔底距離煤層頂板203.32 m，上石盒子組139.65 m 為裸孔段，上部松散含水層已采用套管水泥永久固結。D2 鉆孔水位監測資料顯示，在首采面推采過D2 鉆孔前后，鉆孔水位呈緩慢下降趨勢，至10 月初，鉆孔水位持續下降約20 m，表明煤層頂板導水裂縫帶已波及上石盒子組含水層。D2 鉆孔水位的異常變化為判別頂板導水裂縫帶發育高度提供了最直接的有力證據。D2 鉆孔水位變化歷時曲線見圖3。