導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及探放水技術(shù)研究

張永忠

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032699)

1 工程概況

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)鑫順煤業(yè)井田位于沁水煤田的東緣，和順礦區(qū)的南部，井田屬海河流域南運(yùn)河水系，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有斷裂構(gòu)造，在局部地段奧陶系巖溶含水層與石炭系層間巖溶含水層溝通，奧陶系巖溶水補(bǔ)給礦井，為煤礦涌水的主要水源。井田主要開采4#與15#煤層，4#煤層與15#煤層的平均間距為85 m，4#煤層平均采厚1.32 m，現(xiàn)已全部回采完畢并封閉。15#煤層平均厚度6 m，設(shè)計為綜采放頂煤開采，開采直接充水水源為煤層頂板的砂巖裂隙水和層間巖溶裂隙水(K2、K3、K4). 通過現(xiàn)場鉆孔探水的涌水量可知，鉆孔的平均涌水量為15 m3/h，通過采用瞬變電磁物探技術(shù)探測到15101工作面上部4#煤層采空區(qū)積水量為10.27萬m3，嚴(yán)重影響該工作面的安全回采。15#煤層開采過程中在正常地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域受上部4#煤層采空積水的充水影響不大，但在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域存在導(dǎo)通上部4#煤層采空區(qū)積水的可能；同時15#煤層位于K2含水層和O2含水層之間，且有局部帶壓開采地段，為保證15101首采工作面的安全回采，需對工作面開采過程中導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行研究，分析工作面發(fā)生突水的可能性，并針對分析結(jié)果制定具體方案，以此保證15101首采工作面的安全開采。

2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度

根據(jù)大量的實(shí)測資料和已有的研究成果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：1) 采高與工作面參數(shù)是造成覆巖破壞的根本因素，影響導(dǎo)水裂隙帶高度最主要的因素即為采高。2) 工作面上覆巖層的巖性結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)對導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育起到控制作用。3) 煤層傾角對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、分布形態(tài)、最大發(fā)育高度及破壞范圍等均存在著較大影響。4) 導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度還會受時間的影響，在工作面導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至最大后，隨著時間的延長導(dǎo)高逐漸穩(wěn)定，并可能存在降低的情況。5) 斷層等地質(zhì)構(gòu)造對導(dǎo)水裂隙帶范圍的影響也較大，當(dāng)斷層位于正常的導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)時，其對于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)巖層的破壞程度會加劇[1-2].

現(xiàn)根據(jù)15101工作面的地質(zhì)條件，并與影響導(dǎo)水裂隙帶的主要影響因素相結(jié)合，采用回歸分析的方法，將非線性問題處理為線性問題，通過對覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)展進(jìn)行回歸分析，得到擬合預(yù)測公式。根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬及相似材料模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3-4]，繪制出6 m采高條件下覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度規(guī)律，見圖1.

圖1 6 m采高導(dǎo)水裂隙高度散點(diǎn)圖

分析圖1可知，工作面在6 m采高下工作面推進(jìn)距離與上覆巖層的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度之間不存在線性關(guān)系，故擬利用S型可視化曲線進(jìn)行回歸分析，回歸方程假設(shè)為：

(1)

式中：a、b、k均為回歸待定系數(shù)，a、b可以根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法由下式確定：

(2)

式中：xi，yi(i=1,2,3…，N)表示實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)；N為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。相關(guān)研究表明，在6 m采厚條件下，根據(jù)圖1中不同推進(jìn)距離下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的數(shù)據(jù)可知，回歸系數(shù)a=133，b=187，k=0.051 7，計算得到6 m采高導(dǎo)水裂隙帶的回歸方程可簡化為：

y=133/(1+187-0.051 7x)

(3)

得出回歸方程后，通過S型曲線函數(shù)得到的方程能夠顯現(xiàn)出工作面不同推進(jìn)距離下覆巖導(dǎo)水裂隙帶之間是存在著線性密切相關(guān)的關(guān)系，根據(jù)回歸方程能夠得出不同推進(jìn)距離下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的曲線圖，見圖2.

圖2 6 m采高導(dǎo)水裂隙回歸方程曲線圖

通過分析圖2可知，回采工作面推進(jìn)初期，工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙的發(fā)展較為平緩，當(dāng)回采工作面推進(jìn)至90 m時，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度出現(xiàn)明顯的上升，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展速度明顯加快；在回采工作面推進(jìn)至155 m之后，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度逐漸趨于平緩，隨著回采工作面的推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶最終基本不再發(fā)生變化，據(jù)此并具體結(jié)合預(yù)測方程曲線能夠得出，15101工作面6 m煤層開采后，工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度基本在130 m左右，根據(jù)15101工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的分析結(jié)果可知，最大導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為130 m，已超過4#煤層與15#煤層的層間距，在15101工作面回采前必須對上覆巖層進(jìn)行探放水作業(yè)。

3 探放水方案與效果分析

3.1 方案設(shè)計

根據(jù)15101工作面前期探放頂板4#煤老空水鉆孔的涌水情況，結(jié)合15101工作面上部4#煤老空區(qū)可疑富水區(qū)域的具體位置，對15101工作面頂板含水層及老空水的探放方案進(jìn)行設(shè)計，具體如下：設(shè)計施工探放水鉆場規(guī)格為：長4 m×寬4 m×高3.5 m，共布置2個鉆場，命名為1#和2#，鉆探放水鉆孔布置在1#鉆場與2#鉆場內(nèi)，鉆場內(nèi)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，該次探水作業(yè)共施工9個探放水鉆孔，各組鉆孔具體參數(shù)如下：

1) 1#探放水鉆場內(nèi)施工鉆孔具體參數(shù)如下：1#鉆場位于原15#煤層集中軌道下山下端頭向上原第一個鉆場位置處，鉆場內(nèi)施工6個探放水鉆孔，鉆孔呈扇形布置。1#鉆場內(nèi)探放水鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)見表1.

表1 1#鉆場內(nèi)探放水鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)表

2) 2#探放水鉆場鉆孔設(shè)計參數(shù)如下：2#探放水鉆場內(nèi)設(shè)計施工3個探放水鉆孔，鉆孔呈扇形布置，控制15101工作面上方標(biāo)高較高處的兩個4#煤可疑富水區(qū)域。2#鉆場內(nèi)探放水鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)見表2.

表2 15101工作面2#鉆場探放水鉆孔設(shè)計參數(shù)表

3.2 效果分析

通過對該次探放水作業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，能夠得出具體探放日期與累計探放水總疏放水量的趨勢圖，見圖3.

圖3 探放4#煤老空水總疏放水量趨勢圖

通過分析圖3可知，該次探放水共計探放15101工作面安全回采的頂板水11.6萬m3，在探放水前期，由于排水鉆孔打設(shè)的較少，并且存在著較多探水鉆孔被堵等情況，造成前期探放水疏放水總量變化幅度較小；在探放水作業(yè)中期，對各出水鉆孔經(jīng)透孔、擴(kuò)孔的作業(yè)，使得鉆孔中單孔水量出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象。隨著探放水作業(yè)的進(jìn)行，鉆孔疏放水半徑范圍內(nèi)剩余的富水量明顯減少，且在疏水作業(yè)后期，鉆孔的累計放水量出現(xiàn)的變化逐漸趨于平緩，這表明影響15101工作面安全回采的頂板含水層及剩余4#煤老空水水量已大部分疏放完畢，待鉆孔水量降低至某一穩(wěn)定流量時，可對1#探放水鉆場內(nèi)探放上部4#煤老空水的鉆孔實(shí)施注漿封孔處理。

根據(jù)探放水?dāng)?shù)據(jù)可知，1#探放水鉆場累計疏放15#煤層頂板水11.6萬m3，1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#鉆孔探放水因后期出水量較小現(xiàn)均已全長注漿封孔；2-1#、2-2#、2-3#鉆孔因所揭露均為實(shí)體煤，現(xiàn)已注漿封孔；1-6#鉆孔尚未注漿封孔，其水量保持40 m3/h，關(guān)閉時鉆孔水壓1.37 MPa，現(xiàn)處關(guān)閉狀態(tài)，另外對比施工鉆孔出水量及其水壓變化、探放水水源水質(zhì)化驗(yàn)特征，截止至2013年7月18日，探放區(qū)域的4#煤老空水已基本疏放完畢，后期鉆孔疏放水源主要為地表雨補(bǔ)給水及15#煤層頂板各含水層水，疏放水源中老空水特征已基本消失。

4 結(jié) 論

根據(jù)15#煤層頂板各含水層及4#煤層老空區(qū)積水的現(xiàn)狀，采用回歸分析的方法確定了15101工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在130 m左右。據(jù)此可知，必須在1101工作面回采前進(jìn)行頂板的探放水作業(yè)，結(jié)合工作面地質(zhì)條件具體設(shè)計探放水方案，該次探放水實(shí)現(xiàn)探放水量11.6萬m3，根據(jù)鉆孔校驗(yàn)孔水量水壓的校驗(yàn)結(jié)果可知，15101工作面安全回采的頂板多含水層及4#煤層老空區(qū)積水已成功探放，為15101工作面安全回采提供了保障。