河流下垮落法開采覆巖破壞范圍實測分析

2019-04-28 06:48:42王丙迎

煤 2019年4期

王丙迎

(西山煤電有限責任公司屯蘭煤礦，山西太原 030200)

地下開采中由于煤炭資源的回收，在工作面后方的采空區覆巖會向下垮落填補采空區的空間，當覆巖垮落有足夠的移動空間時會形成垮落帶，當覆巖下方的移動空間不足，而其破壞后又可以保持原有巖層排布，此時稱為導水裂隙帶，垮落帶和斷裂帶一起構成導水裂隙帶[1]。

對于導水裂隙帶的研究方法主要有理論計算法[2-3]、實驗室模擬法[4-6]和現場實測法[7-9]。其中理論計算法又包括經驗公式法、力學模型分析法和數學優化算法等，實驗室模擬法主要包括數值模擬法和物理模擬法兩種，現場實測方法很多，其中瞬變電磁法和井下壓水試驗法應用較為廣泛，而且技術相對成熟。本文主要采用井下壓水試驗法對扎旗盟煤礦河流下22021工作面采后的覆巖破壞范圍進行實測分析，為礦井安全生產提供具有參考價值的數據。

1 工程概況

扎旗盟煤礦所處區域四季分明，雨水充足，礦井地表有3條河流流經，一條四季常流河，兩條夏季河流。扎旗盟煤礦的22021工作面位于東一采區，工作面地表標高約31 m，埋深230 m左右，工作面采厚3.5～5.2 m，平均采厚約4.6 m，煤層傾角約3°，屬于近水平工作面，頂板屬于中硬偏硬頂板。工作面上方為常流河，河底有大約14 m厚的黏土層，起到了較好的隔水作用，但由于采厚較大，為保證開采過程的安全，必須在開采過程中對覆巖的導水裂隙帶高度進行實時監測。

2 實測方法

探測導水裂隙帶高度的方法很多，其中壓水試驗是確定導水裂隙帶諸多方法中精度較高的一種方法。壓水試驗又分為井下壓水試驗和地表壓水試驗。井下壓水試驗具有工程量小、施工方便、試驗周期短等優勢，且因為井下選擇的鉆孔位置具有更強的針對性，選擇打孔位置和方向的可控性和精度都明顯高很多，因此，應用更廣。

井下壓水試驗的工作原理是在巷道向頂板預計導水裂隙帶的范圍內打孔，鉆孔高度一定要高于導水裂隙的范圍，一般至少在導水裂隙帶上方10～20 m，目的是便于實現端頭堵漏。在壓水過程中鉆孔兩端施工堵漏，然后在壓水過程中采用分段加壓、分段注水的方法來對比分析不同階段的壓水量和壓水速度。顯而易見，漏水量大和壓水速度快的位置就是裂隙發育較高的位置，反之則為巖層完整性較好的位置，進而確定導水裂隙帶的發育高度。井下壓水試驗方法如圖1所示。在鉆孔過程中要特別注意，鉆孔時要高度監測和關注鉆孔的出水量，以及在打鉆過程中的圍巖變形和壓力，因為由于覆巖可能有含水層，鉆孔過程可能會因此洞穿隔水層，做好防護和監測工作。

圖1 井下仰孔壓水試驗法探測方法

3 實測方案

為觀測22021工作面的覆巖三帶分布特征，在工作面的運輸巷設計兩個壓水鉆孔，定義兩個鉆孔的編號分別為Z01和Z02，Z01鉆孔距離開切眼58 m，鉆孔深度102 m，Z02鉆孔距離開切眼為76 m，鉆孔深度106 m，兩個鉆孔都是斜向上偏向工作面煤體側打入，鉆孔傾角分別為47°和43°。

在打鉆過程中嚴格按照操作規程執行，保證施工效果和安全。孔開口先用D120 mm鉆頭鉆進，鉆進至穿過破碎帶(垮落帶)，下D100 mm套管，套管外側焊接1個配套法蘭盤并配備閘閥，并用高標號水泥封套管外壁與鉆孔中間空隙。然后用D75 mm鉆頭鉆進，直至終孔，終孔后關閉套管閘閥，防止采空區中積水和瓦斯大量涌入工作面。并在打鉆過程中對水和瓦斯的含量進行實時監測，做好應急處置方案。

在整個實驗壓水過程中，首先要保證堵漏位置密封完好，目的是注水壓力穩定和不必要水流失量少。為保證統計流速的可對比性，保證水頭壓力都在0.5 MPa，注水時間都是30 min。為確保水頭壓力保持0.5 MPa，注水過程中根據水頭壓力調節注水壓力。

4 實測結果分析

整理壓水試驗過程中的實測數據，數據包括：鉆孔深度、注水壓力、壓水流速和壓水時間。

4.1 Z01試驗孔分析

Z01試驗孔記錄得到的數據如表1所示，根據表1數據繪制出22021工作面頂板Z01試驗孔漏失量曲線，如圖2所示。

從表1和圖2中可以看出：

1) 當鉆孔深度在25 m以下時注水壓力明顯小于30 m之后的注水壓力，而且在25 m以下時的注水流速明顯大于30 m之后的注水流速，25 m內的注水流速都大于等于10.2 L/min，30 m后的注水流速都小于等于6.7 L/min，可見在25～30 m范圍內有垮落帶和導水裂隙帶的分界處，根據鉆孔傾角為47°，可以得出垮落帶高度在18.3～21.9 m之間。

圖2 22021工作面Z01鉆孔流速曲線

2) 隨著注水深度由30 m增加到90 m過程中的注水壓力逐漸增大，注水壓力由0.68 MPa增加到1.02 MPa，說明在此過程中裂隙的發育程度逐漸減小，在此區間內的注水流速大都穩定在3.2～6.7 L/min；在95 m后的注水壓力明顯大于90 m之前的注水壓力，95 m后的注水壓力都大于等于在1.23 MPa，但95 m后的流速卻都小于等于1.6 L/min。相較于90 m之前的數據，95 m后的注水壓力大，但注水流速卻小很多，說明鉆孔深度在90～95 m范圍內有導水裂隙帶和彎曲下沉帶的分界線，根據鉆孔傾角為47°，可以得出導水裂隙帶的上限在65.8～69.5 m之間。

4.2 Z02試驗孔分析

Z02試驗孔記錄得到的數據如表2所示，根據表2數據繪制出22021工作面頂板Z02鉆孔流速曲線，如圖3所示。

從表2和圖3中可以看出：

1) 當鉆孔深度在25 m以下時注水壓力明顯小于30 m之后的注水壓力，而且在25 m以下時的注水流速明顯大于30 m之后的注水流速，25 m內的注水流速都大于等于8.2 L/min，30 m后的注水流速都小于等于5.4 L/min，可見在25～30 m范圍內有垮落帶和導水裂隙帶的分界處，根據鉆孔傾角為43°，可以得出垮落帶高度在17.0～20.5 m之間。

2) 隨著注水深度由30 m增加到90 m過程中的注水壓力逐漸增大，注水壓力由0.74 MPa增加到1.05 MPa，說明在此過程中裂隙的發育程度逐漸減小，在此區間內的注水流速大都穩定在2.7～5.4 L/min；在95 m后的注水壓力明顯大于90 m之前的注水壓力，95 m后的注水壓力都大于等于1.24 MPa，但95 m后的流速卻都在小于等于1.2 L/min。相較于90 m之前的數據，95 m后的注水壓力大，但注水流速卻小很多，說明鉆孔深度在90～95 m范圍內有導水裂隙帶和彎曲下沉帶的分界線，根據鉆孔傾角為43°，可以得出導水裂隙帶的上限在61.4～64.8 m之間。