9 號(hào)煤層開(kāi)采兩帶發(fā)育高度井下觀測(cè)研究

呂興立

（冀中能源股份有限公司 葛泉礦，河北 邢臺(tái) 054102）

1 概 況

葛泉礦東井開(kāi)采9 號(hào)煤，該區(qū)9 號(hào)煤賦存較淺，基巖厚度小，煤層厚度大（4～6 m），工作面上覆松散層底部為礫石中等富水含水層，對(duì)工作面開(kāi)采安全威脅大。為保證9 號(hào)煤層安全回采，需要明確工作面“兩帶”發(fā)育高度，以留設(shè)相應(yīng)的防水安全煤巖柱。

11915 工作面位于葛泉礦東井一采區(qū)，平均埋深188 m，走向長(zhǎng)度平均950 m，傾向長(zhǎng)度平均63 m。工作面9 號(hào)煤層厚度平均5.0 m。煤層傾角10°～22°，平均16°。9 號(hào)煤直接頂為粉砂巖，厚度平均0.8 m，煤層底板為鋁土質(zhì)粉砂巖，區(qū)內(nèi)表現(xiàn)較穩(wěn)定，厚度平均6 m，通過(guò)在井下對(duì)11915工作面上覆巖層采后破壞程度進(jìn)行觀測(cè)，分析得到9 號(hào)煤的兩帶發(fā)育高度。

2 “兩帶”高度觀測(cè)方法

2.1 “兩帶”高度觀測(cè)方法

采用井下鉆孔觀測(cè)法，在井下巷道選取合適位置向采空區(qū)頂板施工一定數(shù)量的鉆孔，通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)定鉆孔注水漏失量并分析確定“兩帶”最大高度。該方法鉆孔工程量小，成本低，每米逐段觀測(cè)，觀測(cè)精度高，成果可靠。

2.2 觀測(cè)方案

此次井下觀測(cè)施工鉆孔數(shù)目共3 個(gè)，其中1個(gè)為對(duì)比鉆孔，即在工作面回采前首先施工一個(gè)鉆孔來(lái)觀測(cè)9 號(hào)煤層覆巖原始裂隙的發(fā)育情況，2個(gè)為煤層采后兩帶發(fā)育高度觀測(cè)鉆孔，即在工作面回采結(jié)束后再施工2 個(gè)鉆孔，觀測(cè)采動(dòng)裂隙的發(fā)育情況。

觀測(cè)鉆孔設(shè)在9 號(hào)煤層11915 工作面停采線以外的運(yùn)料巷內(nèi)。根據(jù)理論計(jì)算，9 號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計(jì)高度范圍為48.3～60 m，平均54.2 m 左右，因此主要對(duì)該工作面頂板上方50 m 左右的覆巖受采動(dòng)影響情況進(jìn)行探測(cè)。

為防止因特殊地質(zhì)構(gòu)造（如斷層） 引起的覆巖破壞高度過(guò)大，應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)鉆孔長(zhǎng)度，因此，觀測(cè)鉆孔必須有一定長(zhǎng)度的不漏水孔段，以此作為確定煤層開(kāi)采兩帶發(fā)育高度頂界的依據(jù)。

鉆場(chǎng)和鉆孔（1、2、3） 布置平面布置如圖1所示，鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 鉆場(chǎng)和鉆孔（1、2、3） 布置平面布置Fig.1 Plane layout of drilling site and borehole(1,2,3)

表1 鉆孔施工要素Table 1 Drilling parameters

2.3 “兩帶”高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

采用雙端堵水器對(duì)回采前后鉆孔的注水漏失量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定回采后各覆巖裂隙發(fā)育情況。該系統(tǒng)主要由雙端堵水器、耐壓軟管、觀測(cè)臺(tái)等構(gòu)成。井下各觀測(cè)鉆孔的有效漏失量見(jiàn)表2。

2.3.1 1 號(hào)對(duì)比鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

從觀測(cè)數(shù)據(jù)表可以看出，在煤層覆巖原始狀態(tài)條件下，1 號(hào)對(duì)比鉆孔注水流量有一定變化，變化量為4.75 L/min 左右。煤層頂板巖層原始狀態(tài)下未受采動(dòng)破壞影響，從井下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況看，對(duì)比孔試驗(yàn)段均有一定的漏失量，特別是在孔深51～61.5 m 及 69～73.5 m 段，漏失量分別為 3.99 ～7.13 L/min 和3.73～7.15 L/min。注水漏失量分布如圖2所示。

1 號(hào)對(duì)比鉆孔注水漏失量主要原因：①巖層發(fā)育原生裂隙；②觀測(cè)系統(tǒng)本身封閉不嚴(yán)有一定漏失；③巖層自身具有一定透水和吸水性，加壓后會(huì)引起漏失；④觀測(cè)過(guò)程中讀數(shù)誤差；⑤試驗(yàn)段具有一定的空間。

2.3.2 2 號(hào)采后觀測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)分析

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)及有效漏失量繪制采后觀測(cè)鉆孔（2 號(hào)鉆孔） 分段注水漏失量分布，如圖3 所示。

表2 井下各孔觀測(cè)數(shù)據(jù)及有效漏失量Table 2 Observation data and effective leakage of each hole in the mine

圖2 對(duì)比鉆孔（1 號(hào)鉆孔） 分段注水漏失量分布Fig.2 Distribution of water loss by subsection injection of borehole(No.1 borehole)

圖3 采后觀測(cè)鉆孔（2 號(hào)鉆孔） 分段注水漏失量分布Fig.3 Distribution of water loss by subsection injection after mining observation borehole(No.2 borehole)

從采后觀測(cè)2 號(hào)鉆孔注水漏失量分布圖中可以看出，孔深 75 ～87 m 段漏失量為 6.06 ～7.98 L/min，通過(guò)與1 號(hào)對(duì)比鉆孔對(duì)比說(shuō)明此區(qū)段巖層處于原始狀態(tài)；在孔深57～72 m 段鉆孔注水漏失量增大，最高達(dá)到25.85 L/min，表明這一段孔深是導(dǎo)水裂隙帶的頂部。因此，2 號(hào)觀測(cè)孔確定的覆巖導(dǎo)水裂隙帶的位置在鉆孔中的75 m 處，對(duì)應(yīng)9 號(hào)煤層頂板垂直高度為47.2 m。

2.3.3 3 號(hào)采后對(duì)比鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)井下各孔觀測(cè)數(shù)據(jù)及有效漏失量繪制采后井下仰孔（3 號(hào)鉆孔） 分段注水漏失量分布，如圖4 所示。

圖4 采后井下仰孔（3 號(hào)鉆孔） 分段注水漏失量分布Fig.4 Distribution of subsection water injection loss in the underground inverted hole(No.3 borehole)after mining

從圖4 中的采后觀測(cè)3 號(hào)孔注水漏失量分布可以看出，孔深81～91.5 m 段注水漏失量為4.97～9.92 L/min，與1 號(hào)采前對(duì)比孔對(duì)應(yīng)比較說(shuō)明該段巖層未破壞；孔深69～79.5 m 段注水漏失量顯著增大，注水漏失量最大為16.40 L/min，表明這一段鉆孔位于導(dǎo)水裂隙帶的頂部。因此，11915 工作面9 號(hào)煤回采覆巖導(dǎo)水裂隙帶的位置在3 號(hào)孔中的81 m 處，對(duì)應(yīng)煤層頂板的垂直高度為46.4 m。

綜上可知，煤層回采前頂板巖層未受采動(dòng)影響，處于原始狀態(tài)，1 號(hào)采前對(duì)比鉆孔注水漏失量主要進(jìn)入覆巖原生裂隙中，變化幅度不大。工作面回采結(jié)束后，煤層覆巖受到采動(dòng)破壞的影響，產(chǎn)生了大量新生裂隙，2 號(hào)、3 號(hào)觀測(cè)鉆孔注水漏失量相比1 號(hào)對(duì)比孔增大。注水漏失量隨著注水位置的增高明顯減小并最終趨于穩(wěn)定。

另外，2 號(hào)采后鉆孔注水漏失量總體上大于3號(hào)采后注水漏失量，這是由于工作面回采后，上覆巖層垮落失穩(wěn)逐漸趨于穩(wěn)定，原有的裂隙會(huì)隨著時(shí)間的推移趨于閉合，因此最后觀測(cè)的3 號(hào)采后注水漏失量會(huì)小于工作面回采完第一次測(cè)量的2 號(hào)采后鉆孔注水漏失量。

經(jīng)過(guò)上述分析，葛泉礦11915 工作面觀測(cè)到的最大導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度見(jiàn)表3。

表3 11915 工作面觀測(cè)到的最大導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度Table 3 The maximum development height of water conducting crack observed in 11915 working face

3 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)1 號(hào)采前對(duì)比鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，在煤層頂板巖層原始狀態(tài)下，鉆孔注水漏失量4.75 L/min 左右。2 號(hào)采后鉆孔注水漏失量19.75 ～25.85 L/min，3 號(hào)采后鉆孔注水漏失量14.03～16.40 L/min。最后根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，確定11915 工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最大導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的范圍為46.4～47.2 m。

（2） 此次研究得到的導(dǎo)水裂隙帶高度為46.4～47.2 m，可供葛泉礦類似地質(zhì)采礦條件下地表水體及松散層含水層下工作面開(kāi)采時(shí)參考使用。

（3） 由于煤礦水文地質(zhì)的多樣復(fù)雜性，其它工作面留設(shè)防水安全煤巖柱時(shí)，在參考11915 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)值的基礎(chǔ)上，建議考慮1.2～1.5 的安全系數(shù)。