麻家梁礦煤層頂板“兩帶”高度發(fā)育特征研究

張 超

0 引言

麻家梁煤礦是大同煤礦集團(tuán)公司7 個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)礦井之一，目前礦井主采4 號(hào)煤層。4 號(hào)煤層埋藏較深，頂板上覆基巖及松散層整體較厚。但由于麻家梁井田部分地段分布數(shù)條較大斷層，煤層回采后不能完全排除導(dǎo)水裂縫帶與之溝通，從而存在潰水潰沙等災(zāi)害的可能性；其次，4 號(hào)煤層直接充水水源為煤層頂?shù)装錕5、K4砂巖裂隙水，這些含水層一般富水性相對(duì)較弱，但在向斜軸部和裂隙發(fā)育區(qū)含水層富水性相對(duì)較強(qiáng)，水量比較集中，對(duì)礦井安全生產(chǎn)存在一定威脅。

1 水文地質(zhì)條件

井田位于朔縣平原東南部，為神頭巖溶泉域水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)的一部分，總體特征為：覆蓋厚層新生界松散沉積物，碎屑巖裂隙含水層較發(fā)育，巖溶裂隙含水群埋藏深度大、水頭壓力高。

1.1 井田發(fā)育的主要含水層（自上而下）

（1）新生界孔隙含水層，全區(qū)分布，富水性強(qiáng)～中等，構(gòu)成基巖直接蓋層。

（2）二疊系上下石盒子組砂巖含水層組，平均厚度272.8 m，泥巖、砂巖組成。

（3）早二疊系下部裂隙含水層（P1s），平均72.39 m，分布比較穩(wěn)定，厚度較大。

（4）上石炭系裂隙含水層（C3t），平均80.43 m。

（5）奧陶系巖溶裂隙含水層，揭露中奧陶系灰?guī)r（O2m）70 m 左右，巖溶裂隙發(fā)育；區(qū)內(nèi)無(wú)鉆孔揭露下奧陶系巖溶裂隙含水層（O1）。

1.2 井田主要隔水層

（1）中石炭系碎屑巖隔水組（C2b），本溪組地層，厚 度26.72 m～63.71 m，埋 深227.36 m～793.91 m，隔水性能較好。

（2）二疊系中下部碎屑巖隔水層（P2s+P1x），厚度0 m～414.88 m，裂隙不甚發(fā)育，隔水性能良好。

2 頂板“兩帶”發(fā)育高度實(shí)測(cè)

麻家梁礦井4 號(hào)煤層充水水源主要來(lái)自于二疊系山西組砂巖裂隙含水層、二疊系上下石盒子組含水層直接充水含水層。煤層采動(dòng)后導(dǎo)水裂縫帶波及上覆含水層，成為礦井的主要充水水源，形成礦井安全開(kāi)采的主要威脅。因此，頂板導(dǎo)水裂縫帶[1-2]發(fā)育規(guī)律為本研究的重點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法是確定導(dǎo)水裂縫帶高度的主要途徑。本研究選用地面水位觀測(cè)法、地面鉆孔鉆液漏失量觀測(cè)法[3]及工作面涌水觀測(cè)法進(jìn)行導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的綜合確定。觀測(cè)內(nèi)容見(jiàn)第52 頁(yè)表1。

2.1 頂板“兩帶”探查

共布設(shè)3 個(gè)探查鉆孔，均為地面鉆孔：D1、D2、D3，總進(jìn)尺1 697.68 m。測(cè)井1 174.95 m，水樣9個(gè)，巖樣14 組，抽水試驗(yàn)3 次（3 個(gè)層位），并進(jìn)行了D1、D2 鉆孔漿液消耗量觀測(cè)。具體工程量見(jiàn)表2。

表1 頂板導(dǎo)水裂縫帶探查觀測(cè)內(nèi)容

表2 工程量統(tǒng)計(jì)

2.2 鉆液消耗量法探查

D3 鉆孔為采后探查鉆孔，用于探查覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。D3 鉆孔距首采面切眼約644 m，距D1 孔458 m，距巷道20 m。D3 孔處煤層頂板埋深635 m，煤層厚度10 m。要求鉆孔向下施工至煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍，在鉆液明顯增大無(wú)法施工時(shí)終孔。D3 鉆孔井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3，D3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

表3 D3 探查鉆孔井身結(jié)構(gòu)

D3 鉆孔施工中鉆液漏失量隨鉆探深度變化見(jiàn)圖2，鉆液消耗情況如下：

（1）進(jìn)入基巖用清水鉆進(jìn)時(shí)開(kāi)始有消耗?？咨?75 m～400 m 范圍內(nèi)，鉆液消耗量一直在每鉆進(jìn)0.5 m 漿池液面下降0.01 m～0.03 m 之間（消耗量約為0.000 03 L/（m·s）～0.000 07 L/（m·s）），鉆液消耗量總體保持穩(wěn)定，孔內(nèi)水位約保持在30 m 左右。

圖1 D3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意

圖2 D3 鉆孔鉆液漏失量隨深度變化曲線

（2）自421.69 m 深開(kāi)始，消耗量出現(xiàn)增大的跡象，最大增至0.000 15 L/（m·s）。在孔深428.35 m 時(shí)出現(xiàn)不返漿鉆液漏失情況，持續(xù)時(shí)間較短，起鉆后測(cè)孔內(nèi)水位31 m。該處距煤層頂板206.65 m，為煤層采厚的20.67 倍，經(jīng)注水后恢復(fù)正常，繼續(xù)鉆進(jìn)。在后續(xù)施工過(guò)程中，孔內(nèi)水位呈明顯加深變化趨勢(shì)，在460 m 深處孔內(nèi)水位達(dá)61 m。

（3）鉆進(jìn)至506.97 m 時(shí)，隨著鉆進(jìn)深度的增加，消耗量逐步增大現(xiàn)象明顯，在孔深506.97 m～510.97 m 孔段內(nèi)最為明顯，其消耗量從0.000 03 L/（m·s）逐步增大至0.000 5l L/（m·s），同時(shí)孔內(nèi)水位保持在60 m 深。

（4）鉆進(jìn)至516.48 m 發(fā)生大漏，孔內(nèi)水位降至162.10 m。該處距煤層頂板118.52 m，為煤層采厚11.85 倍；

（5）經(jīng)過(guò)堵漏后，鉆進(jìn)到517.68 m 深時(shí)發(fā)生大漏，孔壁坍塌，水位無(wú)法觀測(cè)到。坍塌孔段為290 m起至390 m 處，并有卡鉆情況出現(xiàn)。該處距煤層頂板117.32 m，為煤層采厚11.73 倍。

（6）采前采后鉆孔漏失量對(duì)比。根據(jù)D1、D2 和D3 鉆孔單位時(shí)間單位進(jìn)尺鉆液漏失量變化曲線對(duì)比分析，D1、D2 采前鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆液的消耗量變化比較平穩(wěn)，無(wú)明顯的鉆液漏失集中段。而從采后D3 鉆孔可以看出，鉆孔鉆進(jìn)至421 m 深以后，鉆孔漏失量明顯加大，且相對(duì)集中，這也說(shuō)明了4 號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度已發(fā)育至該層段。

通過(guò)D3 鉆孔鉆液漏失量觀測(cè)，經(jīng)與D1、D2 孔觀測(cè)資料對(duì)比，可得出覆巖導(dǎo)水裂縫帶可波及至頂板206.65 m，裂高采厚比可達(dá)20.67 倍。

2.3 首采面涌水及水位觀測(cè)資料綜合分析

在地面探查鉆孔終孔后，安裝了地面水文遙測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地面D1、D2 鉆孔水位進(jìn)行了長(zhǎng)觀。其中D1鉆孔監(jiān)測(cè)松散含水層水位變化，D2 鉆孔觀測(cè)上石盒子組含水層水位變化。

2.3.1 D1 鉆孔松散含水層水位變化

在首采面回采期間，松散含水層水位基本保持穩(wěn)定，井下水量無(wú)突增情況，煤層采動(dòng)頂板導(dǎo)水裂縫帶未波及到松散含水層，松散含水層未成為首采面直接充水水源。

2.3.2 D2 鉆孔松散含水層水位變化

D2 孔孔底距離煤層頂板203.32 m，上石盒子組139.65 m 為裸孔段，上部松散含水層已采用套管水泥永久固結(jié)。D2 鉆孔水位監(jiān)測(cè)資料顯示，在首采面推采過(guò)D2 鉆孔前后，鉆孔水位呈緩慢下降趨勢(shì)，至10 月初，鉆孔水位持續(xù)下降約20 m，表明煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶已波及上石盒子組含水層。D2 鉆孔水位的異常變化為判別頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度提供了最直接的有力證據(jù)。D2 鉆孔水位變化歷時(shí)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 D2 孔上石盒子組含水層水位變化歷時(shí)曲線

通過(guò)D2 鉆孔含水層水位變化資料可以判定覆巖導(dǎo)水裂縫帶可波及影響到上石盒子組含水層，裂高采厚比可達(dá)22.59 倍以上，上石盒子組含水層地下水部分參與礦井涌水。

2.3.3 首采面涌水動(dòng)態(tài)觀測(cè)分析

在首采面回采期間，涌水量總體穩(wěn)定，無(wú)大的波動(dòng)，基本穩(wěn)定在30 m3/h（見(jiàn)圖4），泄水巷涌水量基本穩(wěn)定在15 m3/h（見(jiàn)圖5）。

圖4 首采面涌水量變化歷時(shí)曲線

圖5 首采面泄水巷水量變化歷時(shí)曲線

工作面涌水量大小及變化趨勢(shì)表明，煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶未波及到上覆富水較強(qiáng)松散含水層，覆巖含水層總體富水性有限，對(duì)礦井生產(chǎn)影響較小。同時(shí)，通過(guò)對(duì)首采面涌水水質(zhì)分析，表明首采面涌水水源為上覆基巖含水層水。

2.4 頂板“兩帶”發(fā)育高度綜合確定

頂板“兩帶”現(xiàn)場(chǎng)探查分別采用鉆液漏失量、鉆孔水位長(zhǎng)觀、工作面涌水等方法進(jìn)行綜合分析確定，判定頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，判定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶判定結(jié)果統(tǒng)計(jì)

自表4 中可看出，位于首采工作面的D2、D3 鉆孔探查結(jié)果相差不大，導(dǎo)水裂縫帶均可波及上石盒子組含水層，麻家梁礦井4 號(hào)煤綜放條件下裂高采厚比20.67～22.59 倍。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)地面鉆液漏失量觀測(cè)、鉆孔水位長(zhǎng)觀及工作面涌水及地面水位動(dòng)態(tài)變化等資料綜合分析，礦井4 號(hào)煤層在綜放開(kāi)采條件下裂高采厚比為21.75 倍，頂板導(dǎo)水裂縫帶高度最大可發(fā)育至石盒子組下部層位；首采面出現(xiàn)涌水水源為煤層頂?shù)装宓纳皫r裂隙水，而不是松散層水。

[1]聶建偉.臥龍湖煤礦108 工作面兩帶高度實(shí)測(cè)與分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013：74-76.

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