煤層采后導水裂隙帶探測方法探討

郭鵬舉，張澤新

(山西蘭花科技創業股份有限公司 望云煤礦分公司，山西 晉城 048400)

導水裂隙帶是指開采煤層上方一定范圍內的巖層發生垮落和斷裂，產生裂縫，且具有導水性的巖層范圍[1]。在下組煤開采中，導水裂隙帶是溝通上部老空水和頂板水的導水通道，是導致礦井水害的直接原因之一。準確探測導水裂隙帶的發育高度和規律對于防止煤礦水害事故的發生具有重要意義。

1 確定導水裂隙帶高度的常用方法

1.1 經驗公式法

經驗公式計算主要是依據采高、覆巖巖性、煤層傾角等因素，國內計算導水裂隙帶高度比較有權威性的公式是國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(以下簡稱“規范”)中提供的經驗公式[2]。但是規范給出公式和局限性有兩點：①對于厚煤層僅適用于分層開采方法下的導水裂隙帶高度計算，而目前國內很多煤礦對厚煤層已經采用綜合機械化一次采全高或綜采放頂煤采礦法；②對于多煤層重復采動導水裂隙帶高度計算精度還沒有得到生產實際的及時驗證。因此，經驗公式法并不適用于所有煤礦，且其計算的精度較低。

1.2 地面鉆孔探測法

在導水裂隙帶已經發育穩定的采空區上方進行地面鉆孔，通過觀察鉆進過程中的沖洗液漏失量、水位變化以及在鉆進過程中出現的掉鉆、異常進尺等各種異常現象判斷導水裂隙發育帶高度。該方法應用較多，有工作環境好、技術成熟的優點；但不足在于容易受到破碎帶、巖溶發育地層的干擾，對于上組煤開采完畢后，不易探測下組煤開采后形成的導水裂隙帶[3]。

1.3 鉆孔電視探測法

鉆孔電視法在地面鉆孔和井下仰斜鉆孔均可適用，它是使用監控攝像技術觀察鉆孔孔壁地質條件的一種測井方法。該方法通過監視器實時觀察拍攝畫面，確定孔壁巖性及孔壁的裂隙、巖溶、破碎帶的大小及分布情況，故可以利用鉆孔電視觀測孔壁的破壞情況，研究導水裂縫帶發育高度。但是鉆孔電視只能在孔內沒有積水或積水透明的裸孔中對孔壁進行觀察[4]。

1.4 井下仰斜鉆孔注水法

在導水裂隙帶已經發育穩定的工作面周邊，向采空區上方的覆巖導水裂隙帶內打仰斜鉆孔，采用雙端堵水器觀測導水裂縫帶發育高度。與傳統的地面打鉆孔，采用鉆孔沖洗液消耗量觀測法相比，該方法工程量小、成本低、精度高、簡單易行，是近年來國內新興的導水裂縫帶實測方法。整個觀測儀器由三部分組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺，如圖 1所示。起脹控制臺、起脹管路和雙端堵水器的兩個膠囊相連通，構成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統；注水控制臺、注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構成一個控制和觀測巖層導水性的注水觀測系統。試驗中通過對分隔出的一段鉆孔進行注水觀測，觀測出這段巖層單位時間的注水滲流量，從而測試出這段巖層的透水性能，進而確定導水裂縫帶發育層位和高度。

1.5 井下仰斜鉆孔電阻率動態監測法

在待回采工作面周邊，在面向工作面回采的方向上斜向上打仰斜鉆孔，然后在孔內埋設電阻率動態監測線纜和電極。該方法不僅可以對導水裂隙帶的發育高度進行確定，還可以得出導水裂隙帶的發育規律，也是近年來國內新興的導水裂縫帶探測方法。該方法根據巖石的電阻率差異，當煤層采動引起覆巖破壞導致巖石的孔隙度和孔隙結構發生變化時必然導致上覆巖層原有電場特征和電阻率發生改變，試驗中通過監測電阻率變化特征來分析導水裂縫帶的發育高度和變化規律[5]。

圖1 井下仰斜鉆孔注水法實測導水裂隙帶示意

2 望云礦導水裂隙帶探測方法探討

2.1 工程背景

望云礦井田東區3號煤層目前已經回采完畢，由15號煤層接續3號煤層生產迫在眉睫。但是15號煤層部分工作面上覆3號煤層局部采空區存在一定量的積水，且3號至15號煤層在井田部分區域層間距較小，根據經驗公式計算的15號煤層導水裂縫帶可能溝通局部3號煤層采空區，采空區積水可能成為15號煤層開采的水患因素。而望云礦現有的導水裂縫帶發育高度評價準確度不高，難以較為準確地對3號煤層采空區積水影響下15號煤層開采安全性進行評價。因此，需要對15號煤層工作面回采期間形成的導水裂縫帶發育高度進行專項研究和探測。根據望云礦實際情況，筆者設計出探測望云礦導水裂隙帶鉆孔布置方案和三種方法。

2.2 鉆孔布置方案

由于望云礦現開采的15號煤層上部已形成3號煤層采空區，因此地面鉆孔探測法并不適用，擬在井下施工4個仰斜鉆孔，采用不同方法對15號煤層導水裂隙帶進行探測。在15102工作面回風巷道內(切眼附近)設置觀測鉆場，向15101工作面施工鉆孔LD-1和LD-2，在15103工作面回風巷道南部450 m處，施工鉆孔LD-3和LD-4，觀測鉆場選擇及鉆孔布置平面圖如圖2、圖3所示，剖面如圖4、圖5所示。

2.3 導水裂隙帶探測方法

結合望云礦實際情況，經過比選和分析，確定在望云礦15號煤層井下采用鉆孔電視探測、井下仰斜鉆孔注水和井下仰斜鉆孔電阻率動態監測三種方法對導水裂隙帶進行綜合探測。

圖2 LD-1、LD-2布置平面

圖3 LD-3、LD-4布置平面

圖4 “導高”觀測鉆孔(LD-1、LD-2)布置剖面(A-A′)

圖5 “兩帶”觀測鉆孔(LD-3、LD-4)布置剖面(B-B′)

針對15101工作面導水裂隙帶探測孔LD-1、LD-2為采后孔，相距30 m，鉆孔各要素一致，兩孔互相對比和驗證，鉆孔形成后依次進行導高觀測儀進行井下仰斜鉆孔測量、鉆孔電視窺測工作。

針對15103工作面導水裂隙帶探測孔LD-3、LD-4為采前鉆孔，LD-3鉆孔專門探測垮落帶各個地質要素，鉆孔形成后埋設電阻率傳感器后封孔，在回采中、回采后進行電阻率動態監測；LD-4鉆孔探測垮落帶和導水裂隙帶，可以和15101工作面“導水裂隙帶”探測孔進行回采前后的對比，通過井下電視影像和導高觀測儀注水漏失量的對比，來確定15號煤層的導水裂隙帶高度。回采前使用導高觀測儀進行井下仰斜鉆孔測量導高和鉆孔電視窺測，然后埋設電阻率傳感器后封孔，在回采中、回采后進行電阻率動態監測。

3 結 語

導水裂隙帶發育特點受煤礦地質條件、開采方法影響很大，發育高度的規律具有區域性的特點，應具體區域具體分析、“因礦制宜”，經過試驗綜合研究，確定適合本地區、本礦的導水裂隙帶經驗公式。

以望云礦為例，通過鉆孔電視探測、井下仰斜鉆孔注水和井下仰斜鉆孔電阻率動態監測三種方法對導水裂隙帶進行綜合探測，確定15號煤層采后導水裂縫帶發育高度和發育規律，對望云礦防治水工作具有重要意義。