工作面導水裂隙帶高度觀測分析

張 陸

（西山煤電馬蘭礦 ，山西 古交 030200）

以上覆巖層的破壞程度為例，根據巖層的變形破壞特征可分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中，垮落帶隨著工作面的推進不斷垮塌，裂隙帶巖層的完整性也遭到破壞，導水裂紋大量生成，因此，在礦井頂板水災害防治中，將垮落帶和裂隙帶并稱為導水裂隙帶。眾多學者開展了廣泛研究[1～5]，取得了豐碩成果。在進行水下煤層開采或者具有頂板突水可能性的煤層開采過程中，導水裂隙帶高度的確定對于頂板水害的防治具有重要的意義。

1 導水裂隙帶高度觀測系統原理及系統組成

1.1 探測原理

雙端封堵的注水觀測方法在進行導水裂隙帶高度探測時，其工作原理可以概括為通過在頂板巖層中的鉆孔進行分段封堵注水，根據封堵區域水量的流失分析不同高度巖層的破壞、松動和裂隙規律，進而確定整個導水裂隙帶的高度和分布規律。

首先，在回采工作面或者順槽內選擇合適的設備布置和鉆孔施工的場所，然后利用鉆機在不同方位的頂板巖層鉆探不同角度和深部的鉆孔，將探測裝置安裝和調試完成后，即可進行頂板導水裂隙帶高度的測定。

1.2 觀測系統組成

圖1 鉆孔多段封堵注水導高觀測系統

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。通過封堵系統向鉆孔內注入空氣形成多段雙端封堵的探測單元，多個探測單元形成連續的探測系統，然后通過供給系統向探測單元注水，在一定范圍的頂板巖層測試完成后，利用推進系統將探測系統繼續向前推進，進行更遠范圍頂板巖層導水裂隙帶分布情況的探測。

2 工程概況

2.1 工程地質條件

山西某礦主采為8號煤層，煤層厚度為2.4～4.7m，平均厚度為3.08m，平均傾角為6°，煤層中間加有一層厚度為20cm泥巖夾肝，煤層結構較為簡單，屬于賦存較穩定煤層。煤層上有30cm煤質泥巖，直接頂板為中粒石英砂巖，屬中硬巖層；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。圖2為煤層綜合柱狀圖。

圖2 煤層綜合柱狀圖

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。

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，m。

H跨=±2.2=9.2±2.2，預計垮落帶最大高度范圍為7.0～11.4m。

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；

H裂=±5.6=36.12±5.6，即裂隙帶最大發育高度預計為30.52～41.72。

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，決定在回采工作面附近的巷道進行觀測鉆孔的施工布置。另外，根據計算得到導水裂隙帶最大高度為53.12m。因此，為了保證觀測結果的準確性，觀測鉆孔在該高度的基礎上還要再延伸7～10m。如圖3為鉆孔布置示意圖，為更準確的探測導水裂隙帶的高度，布置1個采前鉆孔和2個采后鉆孔，其中1#鉆孔為采前鉆孔，即該鉆孔位置的巖層未受到工作面回采的影響，鉆孔指向下區段，與水平方向成65°傾角；2#、3#為兩個采后鉆孔，指向首采面的采空區，與水平方向分別成45°和60°夾角。施工過程中沒有出現夾鉆、卡鉆及鉆空等現象，說明鉆孔沒有直接進入采空區。具體如圖3所示，施工過程中沒有出現夾鉆、卡鉆及鉆空等現象，說明鉆孔沒有直接進入采空區。

圖3 鉆孔施工布置剖面示意圖

3.2 觀測結果

采前鉆孔可觀測未受到采動影響的頂板巖層的原始裂隙分布狀態，因此可作為采后鉆孔導水裂隙帶觀測數據的對比。

1）采前鉆孔觀測數據分析。

圖4 采前鉆孔漏水量變化曲線

圖5采后鉆孔漏水量變化曲線

圖4 可以看出1號、2號兩個鉆孔注水漏失量隨著鉆孔深度的變化情況及變化趨勢相仿。

從1號鉆孔漏水量隨孔深變化情況可以看出，1號鉆孔孔口（1～5m）范圍內漏水量突然增加，主要是因為巷道圍巖收到巷道自身掘進及鉆孔施工擾動，巖層破壞，圍巖由于受到應力集中影響裂隙發育，造成此范圍內水漏失量較其它范圍內大；22～26m和30～39m孔深范圍內，孔內鉆孔同樣漏水嚴重，測量出漏水量最大值達到了4.2L/min和3.8L/min，該段范圍受到巷道掘進及鉆孔施工影響較小，出現漏水量較大的原因是該層巖層是砂巖，原有的節理及裂隙發育聯通；從圖4中可以看出2號鉆孔測量數據在40～47m孔深范圍內，與1號鉆孔測量數據相比，漏水了有了小幅度上升，數據變化不明顯，檢查數據并未出現錯誤，分析原因主要是該段范圍內裂隙發育，在注水壓力作用下，向裂隙中滲透；除去1～5m、22～26m、30～39m、40～47m幾個階段漏水量嚴重以外，采前鉆孔其他范圍內漏水量均小于1.5L/min，表明該段范圍內巖層結構完整，裂隙發育程度低。

2）采后鉆孔觀測數據分析。

圖5是采后鉆孔注水漏水量變化曲線，從圖中檢測數據變化可知，1號鉆孔漏水量數據較采前鉆孔漏水量增加明顯，數據變化劇烈，異常數據點較多。從監測數據分析可知，采后的1號及2號鉆孔漏水量均在0～22m、33～57m鉆孔深度范圍內明顯增加，平滲漏量的平均值約為19L?min-1，較采前1號及2號鉆孔漏水量值大的多，表明該段受到工作面回采影響大，巖層出現大的裂隙，破壞嚴重；在37～45m這個范圍，鉆孔漏水最為嚴重，漏失量處于20～30L/min范圍內，此段范圍內的巖層受采動影響最為嚴重。在59～66m孔深范圍內，鉆孔漏水量較為穩定，且漏水量處于0～4L/min范圍內，漏水量交底。因此，綜合判定，在工作面回采結束后，1號鉆孔孔深54m處為實測裂縫帶的上界，按照鉆孔傾角45°計算，從煤層頂界到此處的垂高為41.72m。

采后2號鉆孔漏水量在13～20m范圍漏水量遠超鉆孔其他段內的漏水量，因此，可以推測該范圍在冒落帶，以孔深20m為冒落帶最大發育高度，按照鉆孔傾角75°計算，從煤層頂界到此處的垂高為19.2m。其它段漏水量變化趨勢與采后孔1#基本一致。在46m～58m范圍內鉆孔漏水量在6L/min～29L/min范圍內；58～66m范圍內鉆孔漏水量均處于低位，因此可以斷定采后2號鉆孔孔深58m處為實測裂縫帶的上界。

根據以上開采前后鉆孔漏失量變化分析，可以斷定最大裂隙帶發育高度為2#采后孔，導水裂隙帶發育高度為55.68m。

4 結 論

通過對回采工作面垮落帶和彎曲下沉帶理論計算得出，最大導水裂隙帶高度為53.12m；現場使用多段雙端堵水器進行測定導水裂隙帶，共布置4個測量鉆孔，總鉆孔布置深度為230m，可以有效的測定回采工作面導水裂隙帶高度。采后1號鉆孔實測出來的導水裂隙帶高度為41.72m、最大采裂比為13.55，采后1號鉆孔實測出來的導水裂隙帶高度為55.68m、最大采裂比為18.08。