伊田礦導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度觀測(cè)

李 華

(山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾041204)

1 礦井概況

伊田礦井田面積為10.4651 km2，服務(wù)年限為34.1 a，現(xiàn)開(kāi)采煤層為2#、9+10+11#煤，其中2#煤層厚度為0.45～2.52 m，平均1.31 m，9+10+11#煤層厚度為5.26～7.88 m，平均6.82 m，為低瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型中等，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層自燃傾向性等級(jí)為II級(jí)，屬于自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，礦井采用混合開(kāi)拓。

礦井含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，太原組含主要可采9+10+11#煤層，山西組含主要可采2#煤層。太原組整合覆于本溪組地層之上。

區(qū)域含水層依據(jù)含水介質(zhì)劃分為四個(gè)含水巖組類型，即：奧陶系石灰?guī)r溶裂隙含水層，石炭系上統(tǒng)石灰?guī)r溶裂隙含水層組，二疊系砂巖裂隙含水層及第四系沖積洪積含水層。

奧陶系石灰?guī)r溶裂隙含水層含水豐富，水質(zhì)好，為區(qū)域主要含水層；石炭系上統(tǒng)石灰?guī)r溶裂隙含水層組，其富水性隨埋藏深度和所處構(gòu)造位置不同而變化，為區(qū)域主要含水層之一；二疊系砂巖裂隙含水層在區(qū)域內(nèi)廣泛出露，多見(jiàn)有小泉水出露，具有一定富水性，但一般富水性較弱；第四系沖積洪積含水層多分布于較大溝谷及兩側(cè)一級(jí)階地，大多富水性較好，為村鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)用水的重要水源之一。

2 觀測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)及施工

2.1 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育預(yù)計(jì)

由于頂板巖性較為堅(jiān)硬，受到采動(dòng)過(guò)程的影響較小，較為穩(wěn)定，頂板隨著工作面推進(jìn)，垮落程度充分，所形成的導(dǎo)水裂縫最大，通常情況下為采厚的18～28倍。巖性較軟的頂板，受采動(dòng)影響大，頂板的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)水裂縫的高度最小，僅為采厚的9～12倍。

煤層賦存條件的差異，及煤層上覆巖層巖性和強(qiáng)度的差異，受到采動(dòng)所造成的巖層破壞帶的最高點(diǎn)在工作面后方形成的采空區(qū)位置也存在差異。所以在預(yù)測(cè)工作面推進(jìn)中所形成的破壞帶的起點(diǎn)應(yīng)為工作面前方煤體的內(nèi)部，并且形成的采空區(qū)邊界是向煤體內(nèi)部靠攏、轉(zhuǎn)移，最后采空區(qū)的最高點(diǎn)是在開(kāi)采邊界內(nèi)的采空區(qū)內(nèi)側(cè)，最終采空區(qū)形成“馬鞍型”的形狀。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)及施工

本次布置兩個(gè)鉆孔，采用垂直孔方式。鉆孔沿采空區(qū)走向布置，孔距約50 m。D1鉆孔位于南距2103工作面切眼186 m，東距2103運(yùn)輸順槽40 m，鉆進(jìn)至煤層底板以下；D2鉆孔位于D1鉆孔正北50 m，鉆進(jìn)至煤層底板以下。

兩個(gè)鉆孔穿過(guò)松散層或抵達(dá)基巖內(nèi)的穩(wěn)定隔水層高度不少于5 m，為鉆孔的止水段，對(duì)以上的部位下套管止水。鉆孔基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔基本參數(shù)

2 D1孔覆巖破壞“兩帶”高度觀測(cè)

2.1 鉆進(jìn)過(guò)程得到觀測(cè)結(jié)果

在鉆進(jìn)過(guò)程中，孔深從361.3 m開(kāi)始，沖洗液不再返水；而孔深在361.8 m處時(shí)，進(jìn)行提鉆發(fā)現(xiàn)干燥沒(méi)有水；從382.0 m開(kāi)始，鉆頭開(kāi)始不時(shí)出現(xiàn)壓力；繼續(xù)鉆探到389.0 m時(shí)，在20～30 cm開(kāi)始出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。當(dāng)鉆到396.0～398.0 m時(shí)，鉆頭開(kāi)始頻繁發(fā)生掉鉆，且有卡鉆的現(xiàn)象出現(xiàn)，所取巖芯少且極為破碎，鉆孔有明顯的吸風(fēng)現(xiàn)象。

2.2 鉆孔沖洗液漏水量觀測(cè)

（1）沖洗液漏失量觀測(cè)結(jié)果分析

D1鉆孔分別下兩層套管護(hù)壁止水，第一層為松散層：孔徑Φ113 mm，下Φ108 mm護(hù)管，套管長(zhǎng)度30.0 m；第二層基巖段：孔徑Φ98 mm，下Φ89 mm護(hù)管，套管長(zhǎng)度350.5 m，管外止水。通過(guò)停水檢查，采用Φ85 mm鉆頭從孔深350.0 m處繼續(xù)對(duì)基巖內(nèi)進(jìn)行鉆進(jìn)，為便于觀測(cè)漏失量，選用清水作為鉆孔的清洗液，并從該深度開(kāi)始測(cè)沖洗液漏失量。由此，計(jì)算得到的D1鉆孔沖洗液漏失量隨孔深變化曲線見(jiàn)圖1。從表2及圖1可知，孔內(nèi)水位隨著鉆孔深度的增加呈下降趨勢(shì)。

（2）鉆孔水位觀測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)施工現(xiàn)狀和技術(shù)要求，每次的水位測(cè)量應(yīng)在每次鉆進(jìn)前和鉆進(jìn)后，以獲得鉆孔內(nèi)的水位隨深度變化的曲線，鉆孔的水位觀測(cè)表見(jiàn)表2。

圖1 D1鉆孔沖洗液漏失量隨孔深變化曲線

圖2 D1鉆孔水位隨孔深變化曲線

表2 鉆孔水位觀測(cè)記錄

（3）D1鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度的判定

將所測(cè)得的沖洗液漏失量、鉆孔水位變化情況及所取巖芯進(jìn)行綜合分析得出，在356.6 m處鉆孔內(nèi)的沖洗液漏失量嚴(yán)重，到深度361.3 m處的沖洗液完全丟失；通過(guò)在362.0 m提鉆，該處孔內(nèi)不返水，且所取巖芯破碎，伴有縱向斷裂的痕跡。因此判定在361.3 m為鉆孔D1的導(dǎo)水裂縫帶的頂點(diǎn)。因此，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供的導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式：

式中：Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；H為煤層頂板距離孔口垂深 （取該區(qū)域的垂深平均值427.45 m）；h為裂縫帶頂點(diǎn)距離孔口垂深，m；W為鉆進(jìn)觀測(cè)時(shí)裂縫帶巖層的壓縮值，m。在鉆孔處煤層采厚M為4.75m，取W=0.2 m，m即W=0.95m，經(jīng)公式（1）計(jì)算，該孔導(dǎo)水裂縫帶高度67.1 m，為采厚的14.12倍。

（4）D1鉆孔垮落帶高度的判定

在繼續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆到387.1 m處，有20～30 cm不時(shí)伴有掉鉆現(xiàn)象；持續(xù)向下鉆到396.0～398.0 m，掉鉆的情況變得更加頻繁，并且鉆具振動(dòng)加劇，不時(shí)發(fā)生卡鉆的現(xiàn)象，同時(shí)孔內(nèi)發(fā)生吸風(fēng)現(xiàn)象，所提取的巖芯很少，且極其破碎，據(jù)上判定390.0為D1鉆孔的垮落帶頂點(diǎn)。垮落帶高度為：

經(jīng)公式（2）計(jì)算該孔垮落帶高度為21.81 m，為采厚的4.59倍。

3 D2鉆孔覆巖破壞“兩帶”高度觀測(cè)

3.1 鉆進(jìn)過(guò)程得到觀測(cè)結(jié)果

鉆孔深度在311.2 m處時(shí)，沖洗液不再返水，提鉆后發(fā)現(xiàn)在311.2 m處鉆孔內(nèi)干燥無(wú)水；取出巖芯有縱向斷裂跡象。孔深347.0 m處，鉆進(jìn)中可明顯感到鉆頭受阻；在352.0 m處，發(fā)生20～30 cm的掉鉆現(xiàn)象；當(dāng)鉆進(jìn)到352.0～354.0 m時(shí)，鉆頭掉鉆現(xiàn)象明顯，同時(shí)還發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。取出巖芯少且非常破碎，孔內(nèi)有明顯吸風(fēng)。

3.2 鉆孔沖洗液漏水量觀測(cè)

（1）沖洗液漏失量觀測(cè)結(jié)果分析

D2鉆孔分別下兩層套管護(hù)壁止水，第一層為松散層：孔徑Φ113 mm，下Φ108 mm護(hù)管，套管長(zhǎng)度18.1 m；第二層基巖段：孔徑 Φ95 mm，下Φ89 mm護(hù)管，套管長(zhǎng)度230.3 m，管外止水。此時(shí)停止使用沖洗液，改換清水清洗，并使用的Φ85 mm鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，發(fā)現(xiàn)從孔深230.3 m處開(kāi)始清水漏失。

（2）鉆孔水位觀測(cè)結(jié)果分析

按技術(shù)要求，在每次提鉆后和下鉆前都要測(cè)孔內(nèi)水位，以取得孔內(nèi)水位隨鉆孔深度變化的曲線，便于與沖洗液漏失量的觀測(cè)結(jié)果，綜合分析確定導(dǎo)水裂縫帶的高度。鉆孔水位觀測(cè)記錄見(jiàn)表3。

表3 鉆孔水位觀測(cè)記錄

圖3 D2鉆孔沖洗液漏失量隨孔深變化曲線

D2鉆孔水位隨孔深變化曲線見(jiàn)圖3。從表3及圖3可知，孔內(nèi)水位隨著鉆孔深度的增加呈下降趨勢(shì)。

圖4 D2鉆孔水位隨孔深變化曲線

（3）導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶高度確定

通過(guò)觀測(cè)，D2鉆孔所取巖樣原始裂隙分布多且漏失量無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，只能通過(guò)孔內(nèi)的水位、巖芯情況及鉆孔電視等，粗略判斷導(dǎo)水裂縫帶及垮落帶。通過(guò)鉆孔水位、鉆孔彩色電視觀測(cè)孔內(nèi)情況，圖5為D2鉆孔247.4 m處情況，圖4為D2鉆孔253.2 m處情況。

圖5 D2鉆孔311 m情況

圖6 D2鉆孔352 m情況

結(jié)合鉆進(jìn)記錄，導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)為311.2 m，該孔位置煤層開(kāi)采厚度為5.10 m。因此，D2鉆孔導(dǎo)水裂縫帶為：經(jīng)公式（1）計(jì)算D2號(hào)鉆孔導(dǎo)水裂縫帶高度為70.08 m，為采厚的13.15倍。根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程及鉆孔電視觀測(cè)，垮落帶頂點(diǎn)為352.6 m，垮落帶高度計(jì)算公式為：經(jīng)式（2）計(jì)算D2鉆孔垮落帶高度為25.55 m，為采厚的5.01倍。

4 鉆孔的封閉

目前常用的封孔方法有以下方式：①粘土封孔：由于粘土具有一定的抗剪切能力，粘土球從孔口進(jìn)入，搗實(shí)后密不透水，可使封孔位置較深，但易受到機(jī)械振動(dòng)的影響，容易失效；②泥漿封孔為本次勘探的封堵方式，全孔采用水泥：水灰比為2:1的水泥漿進(jìn)行封孔。

5 結(jié)語(yǔ)

1）單位時(shí)間單位年內(nèi)的進(jìn)尺漏失量與同單位同時(shí)間漏失量的變化趨勢(shì)一致。

2）D1鉆孔與D2鉆孔確定的導(dǎo)水裂縫帶高度及垮落帶高度的差異性，表明覆巖破壞高度及其發(fā)育形態(tài)的合理確定與否，將直接影響到探測(cè)的準(zhǔn)確性問(wèn)題。

3）合理、科學(xué)的勘探布置鉆孔是取得有效數(shù)據(jù)和分析成因的前提。