工作面煤層底板采動破壞深度測試在防治水工程中的研究與應(yīng)用

文/任立武 武文清

一、概述

冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦15445N工作面位于九龍礦北五采區(qū)，利用北五采區(qū)三條下山構(gòu)成生產(chǎn)系統(tǒng)。

井下位置：南為北五采區(qū)皮帶下山；北為北二皮帶下山；東為F35斷層以及待掘的15447N工作面；西為北二下部進(jìn)風(fēng)巷，工作面標(biāo)高在-710m～-770m。15445N工作面南北走向長480～496m，傾斜寬度126m，開采面積66236m2。工作面為單斜構(gòu)造，煤層傾向?yàn)?N6°E，傾角 12°～15°，15445N 工作面開采 4# 煤。

地質(zhì)構(gòu)造情況：15445N工作面地質(zhì)較簡單，4號煤賦存穩(wěn)定，煤厚一般為1.3～2.2m，煤層為單一煤層，平均煤厚1.6m。煤層直接頂板為野青灰?guī)r，厚0.7～2.2m，平均2.0m，4號煤底板為砂質(zhì)泥巖，厚1.1m，深灰色，厚層狀，含植物化石。

水文情況：15445N工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，其充水水源主要為頂板野青灰?guī)r水和底板各薄層灰?guī)r含水層水，充水通道為煤層頂、底板導(dǎo)水裂隙帶。底板主要強(qiáng)含水層（奧灰含水層水）在無垂向補(bǔ)給通道、陷落柱等破壞情況下，對上部4號煤開采無影響。因此，工作面底板是否存在隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造，尤其是隱伏導(dǎo)含水陷落柱和導(dǎo)含水?dāng)鄬樱?5445N工作面開采的主要危險(xiǎn)因素。

二、注水試驗(yàn)鉆孔參數(shù)與施工工藝

1.注水試驗(yàn)孔布置

為節(jié)省施工成本和施工時(shí)間，考慮利用15445N工作面現(xiàn)有鉆窩。每個(gè)鉆窩布置一組鉆孔，每組布置4個(gè)試驗(yàn)孔，鉆孔均勻排列，其位置距離煤壁1m，總體控制深度18～35m。此外，為便于得到連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，且防止在開采過程中對注水管等設(shè)備造成損壞，需要在運(yùn)輸巷道（下巷）外側(cè)引出40m注水管，并安裝觀測設(shè)備。鉆孔接頭處需要用枕木保護(hù)，注水管道應(yīng)固定在巷道外側(cè)，如圖1所示。

圖1 總體布置示意圖

鉆孔布置在點(diǎn)138附近的鉆窩，距離開切眼300m左右，方位角為 285°，控制深度為 18～33m。鉆孔施工主要參數(shù)如表1所示，鉆孔平面布置如圖2所示。

表1 底板注水鉆孔施工主要參數(shù)

圖2 鉆孔平面布置示意圖

2.注水試驗(yàn)鉆孔結(jié)構(gòu)與施工技術(shù)要求

（1）開孔用φ127mm鉆頭鉆進(jìn)至距設(shè)計(jì)深度（設(shè)計(jì)鉆孔傾斜長度）1m（依據(jù)實(shí)際情況確定）時(shí)，停止鉆進(jìn)，測量實(shí)際長度和鉆孔傾角。

（2）下φ108mm套管至鉆進(jìn)深度，后孔底加壓注漿直至孔口管外壁冒漿為止。

（3）待漿液充分凝固后，再用φ75mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)深度，裸孔長度1m。

（4）將 φ75mm鋼管變徑后通過法蘭盤與φ50mm高壓注水管連接，孔口需嚴(yán)密封閉。

（5）鉆孔施工過程中準(zhǔn)確記錄實(shí)際鉆孔長度和傾角。

3.煤層底板破壞深度探測結(jié)果分析

為了監(jiān)測回采前底板原生裂隙的發(fā)育情況以及頂板可能對底板破壞深度的影響，觀測時(shí)間從回采開始前開始，直至回采結(jié)束。依據(jù)現(xiàn)場情況，采用連續(xù)注水和間斷觀測。

現(xiàn)場監(jiān)測要求：監(jiān)測設(shè)備安裝完成后，每兩天觀測一次；在工作面開始推進(jìn)以后，每天觀測1～2次，直至不能觀測為止。由于工作面停電造成15445下順槽被淹，造成第一組水表損壞，無法正常觀測。到工作面開采結(jié)束，僅獲取第二組4個(gè)孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測期間各試驗(yàn)孔水壓在0.1～1.4MPa之間變化。第二組4個(gè)鉆孔控制的煤層底板巖層最大垂直深度分別為34m、26.38m、22.5m、18.35m。

（1）5#鉆孔監(jiān)測結(jié)果分析（垂直深度34m）。在工作面推過鉆孔10m左右后，因煤層底板底鼓使注水孔受到破壞，無法進(jìn)行正常觀測。因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)為采線距鉆孔70m至工作面推過鉆孔9.8m的區(qū)間，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。圖中工作面采線與鉆孔的距離以鉆孔為0點(diǎn)，接近鉆孔的距離標(biāo)注為“+”號，遠(yuǎn)離鉆孔的距離為“-”號，其余鉆孔均采取相同的標(biāo)注方法。

圖3 5#孔單位注水量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

注水試驗(yàn)前期 （采線距鉆孔76.93～31.3m）：鉆孔單位注水量與工作面推進(jìn)無關(guān)，單位注水量為0，總體無變化。

注水試驗(yàn)中、后期（采線距鉆孔31.3～-9.8m）：在工作面推進(jìn)到距離鉆孔31.3m時(shí)，單位注水量開始有小幅增加，在距離采線22.3m達(dá)到最大注水量（0.038L/min）。以后隨著工作面推進(jìn)，單位注水量呈逐漸下降趨勢。

上述變化特征表明，5#鉆孔34m深度范圍內(nèi)原生裂隙不發(fā)育且連通性較差。在工作面采線與鉆孔距離大于31.3m時(shí)，工作面開采對該深度范圍內(nèi)的巖體基本無影響；在工作面采線與鉆孔距離小于31.3m后，工作面開采對該深度范圍內(nèi)的巖體有輕微破壞。

（2）6#鉆孔結(jié)果分析（垂直深度26.38m）。在注水試驗(yàn)過程中，隨著工作面的推進(jìn)，單位注水量前期的變化不大，后期逐漸上升。在注水試驗(yàn)的前期階段，當(dāng)鉆孔距離工作面的位置較遠(yuǎn)時(shí)，單位注水量基本為0。當(dāng)工作面推進(jìn)至距鉆孔39.2m時(shí)，鉆孔的單位注水量增大到0.035L/min，以后隨著工作面向鉆孔的推進(jìn)，單位注水量呈現(xiàn)跳躍上升趨勢。當(dāng)工作面推過鉆孔7.5m后，單位注水量達(dá)到最大的0.12L/min，如圖4所示。

圖4 6#孔單位注水量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

上述變化特征表明，此深度范圍內(nèi)原生裂隙不發(fā)育且連通性較差，但在煤層開采后，煤層底板應(yīng)力會重新分布，并且煤層底板經(jīng)歷了壓縮和膨脹的交替變化過程，使底板產(chǎn)生次生裂隙或發(fā)生裂隙擴(kuò)展，從而引起注水量的變化。隨著工作面與注水孔的距離不斷減少，煤層采動對底板的影響明顯增大，隨著工作面推進(jìn)與鉆孔的距離減少，單位注水量呈跳躍式增長，說明此深度范圍內(nèi)的煤層底板遭到了破壞。

（3）7#鉆孔結(jié)果分析（垂直深度22.5m）。在注水試驗(yàn)過程中，隨著工作面的推進(jìn)，單位注水量總體上呈現(xiàn)由前期的基本不變到后期的突然上升的變化趨勢。在注水試驗(yàn)的前期階段，當(dāng)注水鉆孔距離采線的位置較遠(yuǎn)時(shí)，單位注水量變化比較小，基本為0。當(dāng)采線推進(jìn)至距鉆孔12m時(shí)，鉆孔的單位注水量突然增大到0.23L/min，以后隨著采線面向鉆孔的推進(jìn)，單位注水量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，當(dāng)采線推進(jìn)至距鉆孔9m時(shí)最大單位注水量達(dá)到0.28L/min，此后單位注水量穩(wěn)步下降，如圖5所示。

圖5 7#孔單位注水量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

上述變化特征表明，前期注水量變化不大說明在此深度范圍內(nèi)原生裂隙發(fā)育較差且連通性較差。隨著工作面與注水孔的距離不斷減少，煤層采動對底板的影響明顯增大，使得底板產(chǎn)生新裂隙或原生裂隙連通，單位注水量增加。采線推至鉆孔附近，注水量的穩(wěn)步下降說明新的應(yīng)力場趨于穩(wěn)定。表明此深度范圍內(nèi)，底板受到采動影響明顯，煤層底板發(fā)生破壞。

（4）8#鉆孔結(jié)果分析（垂直深度18.35m）。采線推進(jìn)距8#鉆孔59.33m時(shí)，因8#鉆孔孔內(nèi)出水，水壓大于注水壓力，造成無法向孔內(nèi)注水，致孔口跑水，無法觀測8#鉆孔。

在注水試驗(yàn)過程中，隨著工作面的推進(jìn)，前期單位注水量變化不大，后期注水量突然上升。在注水試驗(yàn)的前期階段，當(dāng)鉆孔距離采線的位置較遠(yuǎn)時(shí)，單位注水量變化比較小，基本為0。當(dāng)采線推進(jìn)至距鉆孔67.13m時(shí)，鉆孔的單位注水量開始增大，當(dāng)采線鉆孔到59.33m時(shí)，最大單位注水量達(dá)到11L/min，如圖6所示。

圖6 8#孔單位注水量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

前期注水量變化不大說明在此深度范圍內(nèi)原生裂隙發(fā)育較差且連通性較差。但在工作面推進(jìn)過程中，煤層底板應(yīng)力重新分布，使底板擴(kuò)展原生裂隙或產(chǎn)生次生裂隙，從而引起注水量的變化，導(dǎo)致后期注水量的迅速上升。說明此深度范圍的底板明顯受到采動影響，煤層底板發(fā)生破壞。

三、結(jié)論

現(xiàn)場探測研究能夠直觀地反映不同深度的煤層底板的變形和破壞情況。綜合以上對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得出如下結(jié)論：

1.開采對監(jiān)測點(diǎn)開始產(chǎn)生影響的距離為66m左右，監(jiān)測點(diǎn)越淺影響距離越遠(yuǎn)；最大破壞位置位于工作面前方5m處，采動影響范圍為工作面前后20～55m范圍內(nèi)。

2.現(xiàn)狀條件下，15445N工作面監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測最大底板破壞深度為34m，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬底板破壞深度在34.25m左右。