導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)系統(tǒng)及工程應(yīng)用

武 磊

（陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

引言

在煤礦開采過程中，由于采動(dòng)作用，開采空間周圍的煤巖體將會(huì)受到不同程度的采動(dòng)影響，在導(dǎo)水裂隙帶高度研究方面，學(xué)者們[1-6]做了大量相關(guān)工作，主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式、相似材料模擬、相似地質(zhì)條件對(duì)比和數(shù)值分析等。目前常用的實(shí)測(cè)方法有鉆孔雙端堵水法、鉆孔超聲成像探測(cè)法、巖層移動(dòng)鉆孔探測(cè)法、電視成像探測(cè)技術(shù)、孔間無線電波透測(cè)法等。其中，后幾種方法要求設(shè)備防爆，并且操作復(fù)雜，因此鉆孔雙端堵水法由于其施工簡(jiǎn)單、安全可靠和觀測(cè)結(jié)果直觀易懂等優(yōu)點(diǎn)得到普遍應(yīng)用。

1 導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)系統(tǒng)

如圖1所示為改進(jìn)的分段封堵注水導(dǎo)高觀測(cè)系統(tǒng)，主要包括前端探測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、水源供給系統(tǒng)和封堵系統(tǒng)4部分。

圖1 鉆孔多段封堵注水導(dǎo)高觀測(cè)系統(tǒng)

多段封堵注水導(dǎo)高觀測(cè)系統(tǒng)不僅具有測(cè)試方式的高效性和測(cè)試結(jié)果的精確性，而且具有探測(cè)過程的同步性，包括探測(cè)的同步性和供給的同步性。探測(cè)的同步性是指探測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)多個(gè)探測(cè)單元同步測(cè)量，并且隨著探測(cè)系統(tǒng)的不斷推進(jìn)可保持探測(cè)結(jié)果的連續(xù)性。供給的同步性是指在探測(cè)單元進(jìn)行探測(cè)過程中，水源供給系統(tǒng)可以按照預(yù)先設(shè)定的水壓差，通過壓力調(diào)節(jié)閥給探測(cè)單元進(jìn)行水源的自動(dòng)補(bǔ)給。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)條件

寺家莊礦15101工作面西南側(cè)煤層埋深在500 m左右，煤層平均傾角為6°，煤層厚度在1.4～6.7 m之間，平均厚度為5.5 m；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬較穩(wěn)定煤層（見表1）。上覆頂板以灰白色的中粒石英砂巖為主，屬于中硬巖層；下部直接底板為細(xì)、粉砂巖；采用隨采隨垮的全部垮落法頂板管理方式。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

由于煤層上覆巖層為中砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、屬于中等穩(wěn)定巖層。根據(jù)本井田勘探資料和實(shí)際開采情況，按頂板為中硬巖層考慮，對(duì)工作面開采后的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)計(jì)。

表1 煤層和頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖及巖層屬性

1）預(yù)計(jì)垮落帶最大高度：

式中：H跨為垮落帶最大高度，m；∑m為累計(jì)采厚，2.78 m。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：H跨=8.7 m±2.2 m，即垮落帶最大高度預(yù)計(jì)為6.5～10.9 m。

2）預(yù)計(jì)裂隙帶最大發(fā)育高度：

式中：H裂為裂隙帶最大發(fā)育高度，m；

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：H裂=34.7 m±5.6 m，即裂隙帶最大發(fā)育高度預(yù)計(jì)為29.1～40.3 m。

對(duì)采場(chǎng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，為防止出現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶高度過大等異常情況，鉆孔在實(shí)際施工過程中應(yīng)適當(dāng)加大鉆孔深度，至少延長(zhǎng)10 m孔段的深度，以便測(cè)出一定長(zhǎng)度的不漏水孔段，作為確定導(dǎo)水裂隙帶頂界的依據(jù)。

3 導(dǎo)水裂隙帶實(shí)際觀測(cè)

3.1 觀測(cè)方案和鉆孔布置

根據(jù)開采現(xiàn)場(chǎng)巷道及工作面的布置情況，在首采面附近巷道施工觀測(cè)鉆孔。根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算結(jié)果可知導(dǎo)水裂隙帶最大高度為40.3 m。因此，為保證觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，觀測(cè)孔在裂隙帶最大高度基礎(chǔ)上再延伸7～10 m，本次觀測(cè)布置布置采前、采后各布置2個(gè)觀測(cè)鉆孔。

15101工作面采后覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采用頂板導(dǎo)水裂縫帶多段封堵同步測(cè)漏系統(tǒng)完成。探測(cè)系統(tǒng)分為2段式同步測(cè)量，每段探測(cè)長(zhǎng)度2.0 m，即每次推進(jìn)可觀測(cè)長(zhǎng)度為4.0 m。

3.2 觀測(cè)結(jié)果

對(duì)寺家莊礦首采面采前、采后鉆孔隨深度變化的注水漏失量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.2.1 采前鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1～5 m段漏水量突增，由于鉆孔施工擾動(dòng)的影響，使巖層受到一定程度的破壞，造成水源漏失量較其他穩(wěn)定巖層大；21～25 m和33～37 m孔深段，漏水明顯，最大漏水量分別為4 L/min和3.8 L/min，該孔深范圍內(nèi)受前期施工擾動(dòng)和圍巖松動(dòng)圈的影響較小，主要原因該范圍內(nèi)的砂巖層局部原生裂隙發(fā)育；采前孔2號(hào)鉆孔在40～45 m孔深段，與1號(hào)鉆孔相比，數(shù)據(jù)又有小范圍的起伏，可能是由于鉆孔注水推進(jìn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集誤差造成的，可以忽略；其他鉆孔深度的注水漏失量基本小于1.5 L/min，說明該范圍內(nèi)的頂板巖層的完整性較好，原生裂隙基本不發(fā)育。

3.2.2 采后鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

采后鉆孔1號(hào)的漏水量較采前孔明顯增多，并且數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，突增變化段增加。在0～20 m、31～55 m孔深范圍內(nèi)，漏水量明顯突增，平均值在15 L/min以上，說明該段巖層已遭到破壞，其中，在孔深37～45 m段，漏水量最大，漏失量約為20～27 L/min，說明巖層破壞最為嚴(yán)重，尤其39 m孔深處，漏水量達(dá)到最大值27 L·min-1。在孔深57～65 m段，鉆孔漏水量明顯減少，大致為0～4 L/min。因此，在采后1號(hào)孔觀測(cè)結(jié)果表明，孔深55 m為實(shí)測(cè)裂縫帶的上界，按照鉆孔傾角75°計(jì)算，從煤層頂界到此處的垂高為38.5 m。

采后孔2號(hào)的注水漏失量在13～19 m范圍內(nèi)呈連續(xù)漏水狀態(tài)，并且漏水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他鉆孔的最大漏水量，因此，以理論計(jì)算結(jié)果作為參考，可以推測(cè)該范圍在冒落帶，以孔深19 m為冒落帶最大發(fā)育高度，按照鉆孔傾角45°計(jì)算，從煤層頂界到此處的垂高為9.3 m。其他段漏水量變化趨勢(shì)與采后孔1號(hào)基本一致。

根據(jù)以上開采前后鉆孔漏失量變化，最大裂隙帶發(fā)育高度為2號(hào)采后孔，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為45.9 m。

4 結(jié)論

1）理論計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶最大高度要略大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，而最小預(yù)測(cè)值偏小。因此，在確定導(dǎo)水裂隙帶高度時(shí)，可在理論預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，以進(jìn)一步驗(yàn)證和確定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）通過對(duì)首采面垮落帶和彎曲下沉帶理論計(jì)算和使用多段雙端堵水器進(jìn)行測(cè)定導(dǎo)水裂隙帶的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，合理確定了導(dǎo)水裂隙帶的高度為45.9 m，對(duì)指導(dǎo)該煤層開采的合理設(shè)計(jì)和施工、防治頂板突水具有重要的參考意義。