新疆侏羅系6煤層開采導水裂隙帶高度研究

文/費賢瑞

新疆侏羅系煤田是我國中生代煤層的主要賦存區，也是西北地區國家能源戰略轉移開發的重點。相較于陜北和內蒙古地區，新疆呼圖壁白楊河礦區煤炭資源開發大型礦井較少，開采歷史較短，積累的原地實測地質數據有限，特別是“兩帶”高度發育規律不清，給煤礦防治水精準施策帶來不利因素。

中煤能源新疆天山煤電有限責任公司為確定106煤礦導水裂隙帶的發育高度，采用理論計算與“雙端堵水”試驗方法，分析了侏羅系6號煤層開采后的導水裂隙帶高度發育規律，為煤礦精準制定防治水措施提供了科學依據。

一、概述

106煤礦位于新疆呼圖壁縣城南約83km，屬白楊河礦區新生界松散層下開采煤層的大型礦井，開采地質及水文地質條件復雜，之前未開展過導水裂隙帶發育規律的系統研究。本次實測的1602工作面位于呼圖壁河東岸，地勢陡峻，溝谷發育。所采煤層為中侏羅統西山窯組6號煤層，工作面走向長1079.5m，傾斜長185.6m，煤層傾角16°，采高平均為2.82m，直接頂為砂質泥巖，老頂為粉砂巖和細砂巖，致密，性脆。

工作面上方賦存的直接充水含水層為中侏羅統西山窯組砂巖，含水層厚50.93～75.66m，平均厚度62.86m，其中主要為裂隙、承壓孔隙水。含水層主要由粗顆粒砂巖組成，如薄層礫巖、中砂巖、粗砂巖等，含水層整體上為富水性，含水層內的水主要為原始裂隙水，不具備良好的水力導通能力。預計正常涌水量為2～5m3/h，最大涌水量為15m3/h左右。為掌握6號煤層開采后導水裂隙發育特征，并為煤層防治水注漿封堵工程提供相對準確的參數，采用“雙端堵水”法觀測工作面充分回采后的頂板裂隙發育高度。

二、頂板導水裂隙現場測試

1.“雙端堵水”法測試原理

“雙端堵水”法測試原理，是基于導水裂隙帶發育形態和工作面實際條件，在有利位置設計施工傾斜實驗鉆孔和對照鉆孔，實驗鉆孔設計在導水裂隙帶范圍內，對照鉆孔設計在未擾動的巖體內，利用鉆機將雙端堵水器推送至測試孔段，通過一個管路對囊袋進行充氣，封閉住鉆孔兩端，然后開啟另一注水管路，對封閉后的孔段進行注水，待水壓穩定后開始記錄水表初始讀數，1分鐘后讀取末端，得到一定時間內的鉆孔漏失量。將實驗鉆孔的數據與對照鉆孔的測試數據進行對比分析，同一層漏失量差值越大說明采動裂隙越發育，最終判斷得出導水裂隙發育高度。

2.“雙端堵水”試驗儀器設備

（1）1602工作面現場注水探測系統包括雙端堵水器、水管、氣管、鉆桿、水管和氣管供水操作臺以及井下高壓水源等。

（2）雙端堵水器包括兩個主要部件，即封堵囊袋和中部注水管。中部注水管孔壁上開設有注水孔，圓管直徑為60mm，長度為1000mm。

（3）雙端堵水器中分布有兩條管路，分別連接注水探管與雙端堵水膠囊。

3.觀測鉆孔設計

（1）理論計算“兩帶”高度。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，煤層覆巖為中硬巖層時，煤層采后覆巖導水裂隙帶高度的預計公式為：

式中： Hli—導水裂隙帶高度，m；

∑M—累計采厚，m。

冒落帶的發育高度經驗公式為：

式中： Hm—冒落帶高度，m；

∑M—累計采厚，m。

工作面煤厚1.80～3.35m，平均2.68m，按平均采高2.82m計算，由公式（1）預計采后覆巖裂隙帶高度約為29.16～40.36m；由公式（2）預計采后覆巖冒落帶高度約為10.36～15.36m。

（2）探測鉆孔設計。鑒于1602工作面已回采結束，巷道損害無法施工，本次探測在下部7號煤層1702工作面的運輸巷設置鉆場及觀測站，在1702工作面運輸巷距1602工作面停采線30m，施工3個觀測孔和1個對比孔，鉆孔終孔垂高要求施工至預計導水裂隙帶高度之上20m。對比孔設計在1602工作面未采區，觀測孔設計在1602工作面已采區。其中對比孔觀測回采前上覆巖層的原始裂隙發育情況；觀測孔用于觀測采空區采動裂隙發育情況，均為仰角鉆孔。共設計4個鉆孔，孔深分別為：1#孔102.5m，2#孔98m，3#孔103m，4#孔102.5m，總設計工程量為406m。

4.注水探測

（1）注氣堵孔和注水觀測。先打開氣管閥門，使得囊袋壓力值達到2.0MPa，封堵住測試孔段。然后打開注水閥門，注水壓力值應當通過測試段的高程確定，注水壓力為高程靜壓值加0.1MPa測試值。高程靜壓值可通過設計鉆孔角度和測試時使用的鉆桿長度確定。

（2）觀測孔段漏失量。觀測操作臺上的水管流量數值，流量穩定后記錄60s內的流量，并記錄數值。

（3）解除封孔。打開注氣管路泄壓閥，囊袋收縮，封孔失效，中部剩余儲水流出。

（4）推移探管。利用鉆機將雙端堵水器向內推進1m。

重復上述步驟，進行下一孔段的測試，直至達到終孔位置。

三、探測成果分析

1.對比孔

對比鉆孔于2021年11月24日早班開孔，12月8日早班終孔，終孔深度為102.5m。鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為3.40L/min，平均值為1.26L/min，在未受采動影響的上覆巖層范圍內，局部有零星的漏水點，現場觀測分析表明，這些漏水點的出現為原生裂隙導水原因所致。

2.觀測孔

1#鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為12.87L/min，平均值為4.90L/min；與6號煤垂高10.51～13.13m范圍內，處于工作面采空區上覆層停采線外側，注水漏失量為6.86～7.00L/min，大于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，判斷該范圍受采空區影響，處于導水裂隙帶范圍內；與6號煤垂高14.01～33.13m范圍內，注水漏失量明顯增大，為6.86～12.87L/min，處于導水裂隙帶范圍內；與6號煤垂高34.12～56.85m范圍內，注水漏失量逐漸明顯減小，為0.40～2.50L/min，小于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范圍為原生裂隙發育區，未受采動影響。根據1#鉆孔注水漏失量數據判斷，6號煤導水裂隙帶高度為33.13m。

2#鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為14.87L/min，平均值為4.89L/min；與6號煤垂高10.63～16.81m范圍內，處于工作面采空區上覆巖層停采線外側，注水漏失量為3.72～3.92L/min，大于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，判斷該范圍受采空區影響，處于導水裂隙帶邊界；與6號煤垂高17.69～38.00m范圍內，注水漏失量明顯增大，為5.52～14.87L/min，處于導水裂隙帶范圍內；與6號煤垂高38.88～57.42m范圍內，注水漏失量明顯減小，為0.40～1.50L/min，小于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范圍為原生裂隙發育區，未受采動影響。根據2#鉆孔注水漏失量數據判斷，6號煤導水裂隙帶高度為38.00m。

3#鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為11.95L/min，平均值為6.02L/min；與6號煤垂高10.23～34.94m范圍內，注水漏失量明顯增大，為6.07～11.95L/min，處于導水裂隙帶范圍內；與6號煤垂高35.79～51.12m范圍內，注水漏失量明顯減小，為0.42～3.36L/min，小于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范圍為原生裂隙發育區，未受采動影響。根據3#鉆孔注水漏失量數據判斷，6號煤導水裂隙帶高度為34.94m。

3.6號煤導水裂隙帶高度

根據1#、2#、3#鉆孔注水漏失量數據，獲得6號煤導水裂隙帶高度分別為33.13m、38.00m和34.94m，三組數據均在理論計算范圍內，證實了實測結果的準確性和有效性。為安全起見，采用就高不就低原則，確定6號煤導水裂隙帶高度為38.00m。

四、結語

通過采用理論計算和現場測試兩種方法，對1602工作面導水裂隙帶發育高度進行研究，得到了最大導水裂隙帶高度為38.00m，該實測數據為工作面頂板裂隙水防治提供了科學依據，也為導水通道的注漿封堵或者疏放水提供了參數，提高了106煤礦頂板防治水的針對性和有效性。