石泉煤礦厚煤層綜放開采導水裂縫帶高度實測研究

王龍龍

(山西石泉煤業有限責任公司，山西 長治 046200)

導水裂縫帶是頂板水害防治和水體下采煤安全與否的關鍵因素，其發育高度與開采工藝、煤層厚度、傾角、煤系地層覆巖結構類型等息息相關。經過多年的研究實踐，目前我國對各類型煤層及不同開采工藝條件下開采導水裂縫帶的發育規律都有了較為準確的掌握，取得了很多重要成果，涵蓋了薄煤層、厚煤層以及特厚煤層，開采工藝上包括普采、綜采、分層綜采以及綜放等，保障了煤礦水體下安全開采和頂板水害的綜合防治[1-5]。文獻[6-7]收集了導水裂縫帶高度實測值，并統計分析歸納了不同開采工藝和覆巖條件下頂板導水裂縫帶高度經驗公式。厚煤層綜放開采導水裂縫帶研究方面，朱偉[8]等通過實測研究了潞安礦區厚煤層綜放裂縫帶發育規律，并與分層開采裂縫帶進行了對比分析。文獻[9]采用實測和物理模擬研究了彬長礦區特厚煤層綜放開采裂縫帶發育規律。文獻[10-12]分別通過多種方法綜合研究了淮南、康平以及龍口礦區厚煤層綜放覆巖破壞規律。理論研究方面，許家林等[13]提出通過關鍵層位置來確定導水裂隙帶高度的方法；文獻[14-15]采用裂縫帶實測成果進行了水體下開采防治水工程實踐。

研究實踐表明，導水裂縫帶高度的現場原位探測是精度最可靠的一種方法，用來指導本井田頂板水害防控更具有針對性和指導意義。石泉煤礦近期規劃開采井田內濁漳河下壓煤資源，礦井缺乏本井田綜放開采導水裂縫帶實測資料。本文以該礦30105工作面為觀測試驗工作面，采用地面鉆探水文觀測和鉆孔電視方式探測了綜放工作面導水裂縫帶發育高度和鉆孔內裂隙直觀展布特征，為本工作面停采線區域濁漳河下安全開采提供科學依據。

1 開采技術條件

石泉煤礦位于沁水煤田東南部潞安礦區北緣，煤系地層為典型的石炭二疊系沉積，厚濕陷性黃土蓋層，部分區域剝蝕嚴重、基巖直接出露。主采下二疊系山西組3#厚煤層，厚度為5.75～6.05 m，平均厚6.0 m，傾角約8°～20°。采煤方法采用長壁后退式綜采放頂煤一次采全高開采工藝，頂板管理采用全部垮落法。試驗工作面30105位于301盤區南翼，四周均為實體煤，工作面寬度為236 m，推進長度為1 640 m，其中停采線上部為濁漳河。工作面上方地勢高低落差較大，地面標高約為+888～+960 m，煤層底板標高約為+470～+580 m，第四系厚約2～20 m。頂板覆巖主要以各類砂巖、泥巖和砂泥巖為主，交互沉積。

2 觀測方案

本次采用地面鉆探水文觀測和探孔內鉆孔電視相結合方式，通過在采空區代表性的位置施工鉆孔(常規地質勘探鉆機具可滿足施工要求)，觀測鉆進過程中水文參數，包括沖洗液消耗量、鉆孔水位、注水試驗以及異常鉆探現象，可以準確測定水文參數隨鉆探深度的變化規律，探測方法示意如圖1所示。地面布孔原則參考文獻[16]。為了保證測點導水裂縫帶高度發育最充分，在推進方向上，觀測鉆孔位置距離切眼超過200 m，在工作面寬度方向上在工作面膠帶順槽和軌道順槽內側約20 m布置2孔，觀測孔設計位置如圖2所示。

圖2 裂縫帶觀測孔布設圖

在進行完鉆探進尺及相關水文觀測工作之后，采用高清鉆孔電視手段直觀觀察記錄孔內自地表向采空區孔內裂縫發育情況。

3 觀測成果分析

根據鉆探過程中的水文觀測資料，進行了總結分析，其中1#孔鉆進過程中實測水文觀測成果如表1所示。

表1 1#觀測孔簡易水文觀測成果表

根據鉆孔過程水文觀測分析成果，繪制了不同水文參數隨鉆孔深度的變化曲線，可以直觀掌握水文參數隨孔深不斷向煤層采空區接近變化情況，各孔水文參數隨孔深變化如圖3所示。

圖3 鉆孔水文參數與鉆進深度關系圖

導水裂縫帶高度主要是根據鉆進過程中簡易水文觀測結果確定的，包括上下鉆動水位、沖洗液消耗量及相關層段的注水試驗結果。以1#孔為例進行數據分析。

1#孔實探第四系松散層厚度2.6 m，下套管深度為34 m。在鉆進深度260 m以上，鉆進過程孔內沖洗液循環正常，消耗量非常小，約為0.01～0.25 m3/h(每鉆進1 m沖洗液消耗量)，觀測提鉆后水位為13.5～56.2 m。可以看出該段地層中原生裂隙不發育，巖層導水性較差。

260～300 m孔深區間內，沖洗液消耗量消耗較小，約為0.06～0.25 m3/h，正常返漿，提鉆后孔內水位有下降趨勢，下降幅度較小，注水試驗顯示漏失量不大，約為0.3～1.8 m3/h，常水位注水水位可抬至孔口。孔內視頻顯示局部層段原生裂隙極為發育，如圖4所示，但發育層位在縱向上連通性情況較少。

圖4 1#孔內不同深度地層裂隙

300 m以下進尺，沖洗液消耗量增加現象明顯，約為0.08～1.6 m3/h，雖然可以正常返漿，但泵壓較大，孔內返漿量明顯減小。提鉆后水位下降較快，達到24～86 m。注水漏失量較大，達到0.43～7.8 m3/h。提取巖芯顯示極為破碎,特別在304.3 m處孔內有氣體溢出現象，種種顯示鉆孔深度304.3 m處已聯通下方采空區裂縫帶。為保證觀測結果用于工程的可靠性，將上一鉆次299.49 m作為裂隙帶發育頂界面。

通過綜合分析各水文觀測數據成果以及鉆孔內電視裂隙發育情況和異常鉆探現象，按照變化的起點作為確定導水裂縫帶高度的依據，1#孔導水裂縫帶觀測成果如表2所示。裂縫帶發育空間形態如圖5所示。

表2 導水裂隙帶觀測成果表

圖5 30105工作面裂隙帶發育形態圖

4 綜放開采裂縫帶發育特征

石泉煤礦地理位置屬于山西沁水煤田潞安礦區，其開采地質采礦條件與相鄰潞安礦區其他煤礦相差無幾，開采煤層均為二疊系下統山西組3#厚煤層，工藝均為綜采放頂煤，全部陷落法管理頂板，可將類似地質采礦條件下厚煤層綜放開采導水裂縫帶觀測結果進行類比分析，如表3所示。

由表3可知，石泉煤礦所在沁水煤田潞安礦區綜放開采導水裂縫帶實測結果具有較好的集中性。在采厚5.2～6.0 m情況下，實測裂縫帶絕對高度達到頂板以上102.27～117.54 m，綜合各礦裂采比均值為19.5。采用回歸方法，獲取導水裂縫帶最大高度計算經驗公式如式(1)所示：

表3 潞安礦區綜放覆巖破壞實測結果

Hli=20M

(1)

式中，M為煤層綜放有效采厚，m。可以作為本井田內地表河流水體下采煤防水安全煤巖柱的留設依據。

5 結 論

(1)石泉煤礦3#厚煤層綜放開采導水裂縫帶實測高度為頂板以上114.51～117.54 m，裂采比為19.09～19.59，厚煤層綜放頂板裂隙帶高度發育劇烈。綜合潞安礦區綜放裂縫帶實測資料，綜放裂縫帶高度與采厚基本成正比。

(2)獲得了本礦井綜放裂隙帶計算經驗公式，為下一步礦井濁漳河下壓煤資源開采和頂板水害防治提供了科學依據和技術支撐。