導水裂隙帶高度觀測系統及工程應用

武 磊

（陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 晉中 045300）

引言

在煤礦開采過程中，由于采動作用，開采空間周圍的煤巖體將會受到不同程度的采動影響，在導水裂隙帶高度研究方面，學者們[1-6]做了大量相關工作，主要包括現場實測、理論計算、經驗公式、相似材料模擬、相似地質條件對比和數值分析等。目前常用的實測方法有鉆孔雙端堵水法、鉆孔超聲成像探測法、巖層移動鉆孔探測法、電視成像探測技術、孔間無線電波透測法等。其中，后幾種方法要求設備防爆，并且操作復雜，因此鉆孔雙端堵水法由于其施工簡單、安全可靠和觀測結果直觀易懂等優點得到普遍應用。

1 導水裂隙帶高度觀測系統

如圖1所示為改進的分段封堵注水導高觀測系統，主要包括前端探測系統、動力推進系統、水源供給系統和封堵系統4部分。

圖1 鉆孔多段封堵注水導高觀測系統

多段封堵注水導高觀測系統不僅具有測試方式的高效性和測試結果的精確性，而且具有探測過程的同步性，包括探測的同步性和供給的同步性。探測的同步性是指探測系統可以對多個探測單元同步測量，并且隨著探測系統的不斷推進可保持探測結果的連續性。供給的同步性是指在探測單元進行探測過程中，水源供給系統可以按照預先設定的水壓差，通過壓力調節閥給探測單元進行水源的自動補給。

2 工程概況

2.1 地質條件

寺家莊礦15101工作面西南側煤層埋深在500 m左右，煤層平均傾角為6°，煤層厚度在1.4～6.7 m之間，平均厚度為5.5 m；煤層結構簡單，屬較穩定煤層（見表1）。上覆頂板以灰白色的中粒石英砂巖為主，屬于中硬巖層；下部直接底板為細、粉砂巖；采用隨采隨垮的全部垮落法頂板管理方式。

2.2 導水裂隙帶高度預計

由于煤層上覆巖層為中砂巖、泥巖、砂質泥巖、屬于中等穩定巖層。根據本井田勘探資料和實際開采情況，按頂板為中硬巖層考慮，對工作面開采后的垮落帶和導水裂隙帶最大發育高度進行預計。

表1 煤層和頂底板巖層綜合柱狀圖及巖層屬性

1）預計垮落帶最大高度：

式中：H跨為垮落帶最大高度，m；∑m為累計采厚，2.78 m。

代入數據計算得：H跨=8.7 m±2.2 m，即垮落帶最大高度預計為6.5～10.9 m。

2）預計裂隙帶最大發育高度：

式中：H裂為裂隙帶最大發育高度，m；

代入數據計算得：H裂=34.7 m±5.6 m，即裂隙帶最大發育高度預計為29.1～40.3 m。

對采場導水裂隙帶發育高度進行現場觀測，為防止出現導水裂隙帶高度過大等異常情況，鉆孔在實際施工過程中應適當加大鉆孔深度，至少延長10 m孔段的深度，以便測出一定長度的不漏水孔段，作為確定導水裂隙帶頂界的依據。

3 導水裂隙帶實際觀測

3.1 觀測方案和鉆孔布置

根據開采現場巷道及工作面的布置情況，在首采面附近巷道施工觀測鉆孔。根據導水裂隙帶發育高度計算結果可知導水裂隙帶最大高度為40.3 m。因此，為保證觀測結果準確，觀測孔在裂隙帶最大高度基礎上再延伸7～10 m，本次觀測布置布置采前、采后各布置2個觀測鉆孔。

15101工作面采后覆巖導水裂縫帶發育高度現場觀測采用頂板導水裂縫帶多段封堵同步測漏系統完成。探測系統分為2段式同步測量，每段探測長度2.0 m，即每次推進可觀測長度為4.0 m。

3.2 觀測結果

對寺家莊礦首采面采前、采后鉆孔隨深度變化的注水漏失量實測數據進行統計。

3.2.1 采前鉆孔實測數據分析

1～5 m段漏水量突增，由于鉆孔施工擾動的影響，使巖層受到一定程度的破壞，造成水源漏失量較其他穩定巖層大；21～25 m和33～37 m孔深段，漏水明顯，最大漏水量分別為4 L/min和3.8 L/min，該孔深范圍內受前期施工擾動和圍巖松動圈的影響較小，主要原因該范圍內的砂巖層局部原生裂隙發育；采前孔2號鉆孔在40～45 m孔深段，與1號鉆孔相比，數據又有小范圍的起伏，可能是由于鉆孔注水推進時，數據采集誤差造成的，可以忽略；其他鉆孔深度的注水漏失量基本小于1.5 L/min，說明該范圍內的頂板巖層的完整性較好，原生裂隙基本不發育。

3.2.2 采后鉆孔實測數據分析

采后鉆孔1號的漏水量較采前孔明顯增多，并且數據的波動性較大，突增變化段增加。在0～20 m、31～55 m孔深范圍內，漏水量明顯突增，平均值在15 L/min以上，說明該段巖層已遭到破壞，其中，在孔深37～45 m段，漏水量最大，漏失量約為20～27 L/min，說明巖層破壞最為嚴重，尤其39 m孔深處，漏水量達到最大值27 L·min-1。在孔深57～65 m段，鉆孔漏水量明顯減少，大致為0～4 L/min。因此，在采后1號孔觀測結果表明，孔深55 m為實測裂縫帶的上界，按照鉆孔傾角75°計算，從煤層頂界到此處的垂高為38.5 m。

采后孔2號的注水漏失量在13～19 m范圍內呈連續漏水狀態，并且漏水量遠遠超過其他鉆孔的最大漏水量，因此，以理論計算結果作為參考，可以推測該范圍在冒落帶，以孔深19 m為冒落帶最大發育高度，按照鉆孔傾角45°計算，從煤層頂界到此處的垂高為9.3 m。其他段漏水量變化趨勢與采后孔1號基本一致。

根據以上開采前后鉆孔漏失量變化，最大裂隙帶發育高度為2號采后孔，導水裂隙帶發育高度為45.9 m。

4 結論

1）理論計算的導水裂隙帶最大高度要略大于現場實測值，而最小預測值偏小。因此，在確定導水裂隙帶高度時，可在理論預測的基礎上進行現場實測，以進一步驗證和確定結果的準確性。

2）通過對首采面垮落帶和彎曲下沉帶理論計算和使用多段雙端堵水器進行測定導水裂隙帶的現場實踐，合理確定了導水裂隙帶的高度為45.9 m，對指導該煤層開采的合理設計和施工、防治頂板突水具有重要的參考意義。