余吾礦S5203回采工作面導水裂隙帶發育高度探測

李 敏

（山西潞安集團余吾煤業有限責任公司 ，山西 長治 046100）

1 采面地質概述

余吾礦為一年生產能力達到750萬t的大型現代化礦井，主采煤層有3號煤層厚度在5.02～7.23m，平均厚度在6.1m，該煤層全井田可采，屬穩定型煤層，煤質具有低硫、低灰發熱量等優點，是優質的動力煤。井下布置的S5203回采工作面位于礦井南5采區，開采3號煤層，采面設計走向長度為1330m，切眼斜長為250m，煤層開采儲量為589萬t，采用一次采全高開采工藝，全部垮落法管理頂板。煤層傾角在2～7°，埋藏深度在460～520m間。工作面的頂底巖層及巖性見表1。

2 分段注水探測

2.1 基本原理

在井下采用仰空分段注水法對煤層開采后頂板導水裂隙帶高度探測的基本原理是：煤層開采之后，頂板覆巖遭受破壞，會在豎向及平行方向上發育裂隙，破壞程度越嚴重，裂隙越為發育，根據鉆孔不同段注水量的漏失情況可以對頂板覆巖內裂隙發育程度進行判定，從而實現對導水裂隙帶高度的探測[1～3]。具體的探測系統結構組成如圖1所示。

表1 S5203采面頂底板巖性

在回采工作面的停采線或者切眼臨近巷道布置鉆場，向采面采空區上方施工仰斜鉆孔，在布置鉆孔時應盡量避開冒落帶，直接斜穿至裂隙帶頂部界限10m以上。使用雙端封堵裝置對鉆孔的兩端進行封堵，并分段注水，測量完成一段后，將封堵器卸壓，后向深部繼續推移，并再次進行注水探測漏水量、周而復始，完成對整個鉆孔的注水漏失量的觀測，根據鉆孔不同階段的漏失量來確定采面頂板導水裂隙帶發育高度上限[4～6]。

2.2 探測方案

煤層開采之后，頂板覆巖破壞發育需要一定時間。在達到最大發育高度以后，隨著回采工作面推進、上部覆巖壓力作用以及時間延長，采空區覆巖裂隙會出現一定程度閉合，導水裂隙帶的上部邊界會出現一定程度的下降，其中以采空區中部下降量大，邊界上下降低較小。根據有關研究資料，頂板覆巖穩定時間與頂板覆巖巖性、結構類型、采煤工藝、煤層厚度等有關，一般情況下硬巖在30～60d時頂板覆巖導水裂隙帶發育至最高位置。S5203采面覆巖為硬巖，為了更為準確的探測出3號煤層開采后頂板導水裂隙帶發育高度，待回采工作面停采60d后，在采面進風巷停采線外10m位置斜向采空區方向施工2個探測鉆孔。施工的探測鉆孔應避免通過冒落帶，因此，采用經驗公式先對冒落帶、裂隙帶發育高度進行預測，為后續的探測鉆孔參數設計提供參考。

當頂板為中硬巖時具體的冒落帶以及裂隙帶經驗計算公式為[7]：

其中：H冒，H裂分別為冒落帶、裂隙帶高度（m）;m為開采煤層厚度（m），文中取值為6.1m。計算得到冒落帶高度在10.6m～15.0m；裂隙帶高度在40.1 m～51.3m。

具體的鉆孔布置如圖1、圖2所示，鉆孔施工參數見表2。

圖2 1號探測鉆孔布置示意圖

圖3 2號探測鉆孔布置示意圖

表2 探測鉆孔參數

2.3 探測程序

1號及2號探測鉆孔施工完畢之后，首先應對探測系統的密封性進行檢查，將探測系統與供給系統連接。將探測裝置放入到鉆探鉆孔內，從孔深3.5m位置開始進行探測，每次探測深度為1.6m。具體的操作程序為：

1）打開供給系統的供水閥，將供水壓力調整為0.5MPa,通過密封系統向封堵裝置兩側的封堵膠囊內注氣，實現封孔，對探測系統的密封性進行檢查；

2）供給系統中通過鉆桿內部空間向兩端密封段的鉆孔內注水。在鉆桿的連接端用麻繩纏繞，確保連接端的密封掩飾，調節供水閥，將注水壓力保持在0.25MPa，并對每分鐘的注水量進行觀測記錄；

3）停止向鉆孔內注水，并打開進水閥，使得注水段兩端的密封膠囊卸壓收縮，并觀測壓力表顯示的壓力值，此時的讀數為探測高度的靜水壓力；

4）鉆孔每添加2根鉆桿（鉆桿長度為800mm），探測系統向深部推進1.6m，進行一次探測。注水壓力應在上一測試段高程靜水壓力基礎上增加0.25MPa，并對供給系統每分鐘的注水量進行記錄；

5）按照上述步驟，逐段的對鉆孔進行探測，探測到裂隙發育段時鉆孔注水的漏矢量數據較大，可以根據漏水量數值判斷導水裂隙帶發育高度。

3 探測數據分析

采用1號鉆孔作為探測鉆孔，2號鉆孔作為對比鉆孔，對鉆孔注水漏矢量進行比對分析。1號鉆孔探測以及2號鉆孔的探測點均超過50個，根據鉆孔的傾角，將不同探測點的高程轉換成距離3號煤層頂板垂直高度，具體的漏失量數據對比如圖4所示。

從圖4中可以看出，1號鉆孔在鉆孔施工時可以避開3號煤層開采引起的冒落帶，鉆孔在3號煤層上方20m以內時，注水的漏矢量數據較低，普遍小于6L/min；隨著與煤層距離增加，鉆孔漏失量值明顯提升，在距離3號煤層頂板20～63m范圍時，鉆孔的漏失量較大，普遍高于11L/min，最大漏矢量接近20L/min，表明該高程范圍內受到3號煤層開采影響較為明顯，采用裂隙發育；高度高于64m后，漏失量數值顯示減少，之后的漏失量值在2L～3L/min波動，表明鉆孔已經進入到彎曲下沉帶。

2號鉆孔由于在未采動的實體煤上方施工，整個探測過程中漏失量值均不高，絕大部分漏失量值均在4L/min以內，僅有部分位置漏失量值達到8L/min。綜合分析可以將漏失量值8L/min作為判定導水裂隙帶高度的指標。結合1號鉆孔漏失量數據，3號煤層開采后頂板導水裂隙帶探測的發育高度最大值為64m。

圖4 鉆孔漏失量探測數據

在S5203采面地表采用高密度法對裂隙帶發育高度進行探測，共進行2次。2探測出導水裂隙帶發育高度分別為58m、62m，該高度正好處于頂板主關鍵層（厚度35m的砂質泥巖，較密實）下部高度。高密度法探測結果與井下注水探測結果相近。

4 總 結

1）在余吾礦S5203采面采用分段注水法對3號煤層開采后的頂板導水裂隙帶高度進行探測，并以8L/min作為導水裂隙帶上限邊界判定條件，探測出導水裂隙帶的最大發育高度在64m，裂采比（H/m）為10.5:1。井下分段注水法探測出的導水裂隙帶發育高度與地表采用高密度法探測出的導水裂隙帶高度接近，避免探測結果可靠。

2）S5203采面開采后的導水裂隙帶發育上界面為距離3號煤層頂板約63m的厚度在35m的砂質泥巖，從該層下界面向上為彎曲下沉帶。