山西某礦15112工作面導水裂隙帶高度實測*

楊聘卿

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0 引言

據統計，近幾年在我國四川宜賓、山西大同等多處礦井發生的透水事故，皆由采動破壞覆巖裂隙帶，穿透含水層導致水源倒灌進入綜采面，形成的突水事故。對礦井水害的防治，除了必要的水文地質、開采條件綜合評估外，還需對采動過程中覆巖的破壞移動規律、導水裂隙帶高度進行測算[1-3]。為此，基于山西某煤礦15112工作面開采技術、地質及工藝條件，采用井下導高觀測儀導水裂隙地帶高度觀測技術，現場布設仰孔和仰斜導高觀測鉆孔，使用CXK7.2(A)礦用鉆孔成像儀對開采推進過程中覆巖的變形、位移等過程進行觀測。

1 工程概況

山西某礦15112工作面15號煤層為主采煤層，煤層水文地質條件中等。煤層平均厚度3.0 m，局部含2層夾矸，煤層頂板為K2灰巖、泥巖，底板為泥巖、鋁土質泥巖和砂質泥巖。煤層為東北走向，煤層傾角3°～8°，煤體容重1.5 t/m3，煤質較軟，賦存穩定。15112工作面距地表154～178 m，工作面對應地表無水體，對應3號煤層采空暫無積水，在雨季期間受地表水下滲會對3號采空區造成積水，使得15號煤層上部含水層會局部充水，預計15112綜采面正常涌水量為3 m3/h。頂底板巖性見表1。

表1 15號煤層頂底板巖性柱狀表

2 導水裂隙帶高度估算及實測

2.1 導水裂隙帶高度估測

導水裂隙帶高度理論估測公式見式(1)[4-6]

(1)

式中，Hli—導水裂隙帶發育高度，m；M—煤層采厚，m。15112回采工作面頂板以灰巖、細砂巖和砂質泥巖為主，巖性屬中等，導水裂隙帶高度觀測剖面處煤層厚度M=3.0 m。根據公式(1)，可得導水裂隙帶最大高度分別為41.32 m、44.65 m。

2.2 觀測方法

根據15112工作面的開采條件、采煤方式、巷道因素及觀測時間的時效性，導水裂隙帶高度觀測鉆孔設計在15113工作面的回風順槽中。設計施工3個觀測鉆孔，包括2個導水裂隙帶高度觀測孔和1個對比孔。導水裂隙帶高度觀測孔由15113工作面回風順槽向15112工作面方向施工，鉆孔方位與工作面順槽垂直；對比孔沿著煤體方向施工，鉆孔方位與工作面垂直，鉆孔間距為1.5 m，開孔位置位于巷道與鉆場的交叉線處。觀測鉆孔布置平面圖如圖1所示。

圖1 導水裂隙帶高度觀測鉆孔布置

2.3 觀測孔布置與施工

15112工作面煤層開采平均厚度為3.0 m，在觀測斷面內施工2個導水裂隙帶高度觀測孔，通過控制觀測程序及精度，2個觀測孔實測的數據便能確定倒水裂隙帶高度。為了增加觀測孔施工的可靠性，施工過程中在觀測斷面內向實體煤未采動區域內再施工1個對比孔[7-9]，通過對比孔與觀測孔內的注水漏失量的比較，來確定15112工作面的導水裂隙帶高度。根據計算設計，各鉆孔的要素見表2。

表2 15112工作面導水裂隙帶高度觀測孔數據

3 導水裂隙帶現場觀測成果

3.1 實測鉆孔與原設計鉆孔對比

根據導水裂隙帶鉆孔布置情況，按照1#、2#、3#的順序進行施工，在15113工作面回風順槽施工1#鉆孔。采用CXK7.2(A)礦用鉆孔成像儀對2個導水裂隙帶的鉆孔測斜和鉆孔軌跡進行分析，不斷設計鉆孔參數以使兩者傾角基本一致，高度為實際高度，其水平位移差見鉆孔實測結果如圖2所示。從圖2可以看出，2#鉆孔和對比孔與設計鉆孔相差較大，但實測鉆孔與設計鉆孔誤差均在2°范圍內，且1#～2#孔成孔參數也在導高范圍內。因此，成孔參數能滿足導水裂隙帶觀測要求[10-12]。

圖2 鉆孔實測曲線視圖

3.2 導水裂隙帶實測成果分析

1#孔導水裂隙帶實測結果及分析：①實測結果。根據鉆孔觀測的結果，從1#孔孔深40 m向底部依次分段觀測，觀測到導水裂隙帶高度時停止，觀測結果見表3。根據現場觀測數據，1#鉆孔各段巖層的注水漏失量示意圖如圖3所示。可見，鉆孔觀測范圍內各段巖層的注水漏失量可以明顯分為2個區域，即漏失量較大的Ⅰ區域與漏失量較小的Ⅱ區域；②實測分析。Ⅰ段鉆孔區域內，孔深40～57 m，垂高29.16～41.55 m，巖層滲水量9.0～15.0 L/min，在此區間內滲水量增大，從側面反映了鉆孔已進入裂隙帶，巖石開始裂變發育，導水性增強。在II段鉆孔區域內，孔深58～63 m，垂高42.28～45.93 m，巖層注水漏失量3.3～5.3 L/min，在此區間巖石的滲水量變弱并停止裂變，由此分析該區域裂隙帶尚未發育。在觀測過程中，鉆孔垂高從原來的41.55 m鉆至42.28 m時，巖層的滲水量從9.0 L/min下降至5.3 L/min，由此得出，在42.28 m時裂隙帶發育高度達到最大。

表3 1#鉆孔注水漏失量測量表

圖3 1#鉆孔觀測成果圖

2#孔導水裂隙帶實測結果：①實測結果。同理，2#孔的觀測由下往上進行，觀測結果見表4。根據現場觀測數據，2#鉆孔各段巖層的滲水量如圖4所示；②實測分析。由表4和圖4可知，漏失量同樣可分為Ⅰ、Ⅱ2段。I段鉆孔區域內，孔深35～50 m，垂高28.03～40.04 m，巖層注水漏失量8.8～14.8 L/min，在此區間內滲水量增大，從側面反映鉆孔已進入裂隙帶，巖石裂變開始發育，導水性增強。在II段鉆孔區域內，孔深51～56 m，垂高40.84～44.84 m，巖層注水漏失量為3.1～5.1 L/min。在此區間內巖石的滲水量變弱并停止裂變，受采動作用的影響減小。在觀測過程中，鉆孔垂高從原來的40.04 m鉆至40.84 m時，巖層的滲水量從14.8 L/min降至5.1 L/min，由此得出，2#鉆孔在40.84 m時裂隙帶發育高度達到最大。

表4 2#鉆孔注水漏失量測量表

圖4 2#鉆孔觀測成果圖

4 結果驗證分析

4.1 觀測鉆孔結果分析

1#孔導水裂隙帶驗證分析：根據CXK7.2(A)礦用鉆孔成像儀對1#鉆孔進行了現場觀測，實際觀測深度達到64.43 m，經反復觀測并獲得主要觀測成果如圖5所示。可看出，由于15112工作面與15113工作面有24 m寬的護巷煤柱，從開孔位置到孔深27.4 m位置，鉆孔內裂隙不發育；從孔深27.4～54.3 m，裂隙較為發育，以橫向離層裂隙為主，部分段呈現破碎狀態；從54.3 m往上至孔底，孔壁保持較完整，部分孔壁出現原生微小裂隙，巖層的滲透率較小，所觀察結果與漏失規律基本一致。

圖5 1#鉆孔現場觀測成像圖

2#孔導水裂隙帶驗證分析：同理，采用CXK7.2(A)礦用鉆孔成像儀對1#鉆孔進行了現場觀測，實際觀測深度達到64.51 m，經反復觀測并獲得主要觀測成果如圖6所示。可看出，2#鉆孔與1#鉆孔的裂隙發育規律基本一致，51.2 m以上巖層較為完整，與導水裂隙帶高度觀察一致。

圖6 2#鉆孔現場觀測成像圖

導水裂隙帶高度驗證分析：本次共實測2個頂板導高觀測孔，都能較準確的實測出導水裂隙帶最大值，2個觀測孔實測結果互為驗證，從而得到較精確的導水裂隙帶高度值。即，1#孔H(1)=42.28 m；2#孔H(2)=40.84 m。

由于觀測結果與原設計結果較為一致，為確保工作面的安全生產，取導高觀測的最大值42.28 m作為15112工作面覆巖導水裂隙帶的高度。

4.2 對比孔鉆孔結果分析

圖7是對比孔(3#孔)的鉆孔窺視情況，頂板巖層完整度較好，孔壁完好，基本無裂隙。

圖7 3#鉆孔(對比孔)現場觀測成像圖

綜上，得出山西某礦15112工作面覆巖導水裂隙帶高度最大值H=42.28 m，而觀測斷面處的工作面煤層平均采厚M=3.0 m。因而工作面的導高與采厚之比(裂采比)為H/M=42.28/3.0≈14.09倍。導水裂縫帶發育至距工作面頂板42.28 m的泥巖層，與理論計算基本相同。

5 結論

(1)采用井下導水裂隙帶高度觀測儀實測導水裂隙帶高度值，并通過對比孔驗證的方式，確定了沿走向模型的最大導水裂隙帶高度值為42.28 m，傾向模型的導水裂隙帶最大裂高40.84 m。

(2)井下導水裂隙帶高度觀測儀觀測法，通過往裂隙帶鉆孔注水，觀測鉆孔各段的漏失量來定位裂隙帶高度的方法。根據理論預測值與實際測算數據比較，兩者結果接近，是含水層下采煤裂隙帶高度觀測的有效方法。