煤1上行開采導(dǎo)水裂縫帶觀測(cè)研究

張凱華

（山西省霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

辛置煤礦煤1的回采是在煤2、煤4回采后進(jìn)行的，煤2回采后的導(dǎo)水裂隙帶已波及煤1，對(duì)煤1上下巖層已造成破壞，同時(shí)煤4的回采對(duì)其也造成了一定的影響。為了進(jìn)一步掌握煤2、煤4回采后煤1反采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度，促進(jìn)礦井防治水工作，必須對(duì)煤1上行開采導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)行觀測(cè)研究。

1 開采技術(shù)條件

與辛置煤礦1111工作面導(dǎo)水裂縫帶探測(cè)關(guān)系密切的煤1油2頂板巖層自上而下主要為：（1）泥灰?guī)r，層厚15m。1111工作面泥灰?guī)r層與煤層頂板間距約40m。（2）煤上2，層位較穩(wěn)定，層厚6.90m。（3）泥巖泥灰?guī)r互層。層厚8.0m，與煤1頂間距約24.87m。（4）煤上1，層位較穩(wěn)定，層厚11.6m。（5）粉砂巖，層厚8.4m。（6）含油泥巖，層厚4.87m。

2 煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)研究

2.1 煤1油2開采覆巖裂縫帶高度預(yù)計(jì)

辛置煤礦煤1油2屬于典型的軟弱巖層。根據(jù)相應(yīng)規(guī)程覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的預(yù)計(jì)公式為：

式中：

HLi-導(dǎo)水裂縫帶高度，m；

∑M-累計(jì)采厚，m。

按開采厚度4m計(jì)算，HLi為27m。為了確保能夠觀測(cè)到煤1油2開采導(dǎo)水裂縫帶的最大高度，觀測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)的終孔位置距離煤1油2頂板的垂直高度應(yīng)控制在36～40m之間，根據(jù)1111工作面頂板實(shí)際地層情況，終孔位置應(yīng)設(shè)計(jì)在煤上2或泥灰?guī)r中。

2.2 1111工作面導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)設(shè)計(jì)方案

為了有效地觀測(cè)1111工作面開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最大高度，根據(jù)1111工作面的實(shí)況，決定在1111工作面下順停采線附近設(shè)計(jì)觀測(cè)鉆窩。在1111工作面下順施工觀測(cè)鉆窩A，設(shè)計(jì)一組鉆孔，用于觀測(cè)煤1油2反采覆巖導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度及其發(fā)育形態(tài)。

3 煤1上行開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度探測(cè)研究

3.1 觀測(cè)方法

本次觀測(cè)主要是采用仰孔分段注水觀測(cè)的方法進(jìn)行，采用鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置進(jìn)行。布置在觀測(cè)煤層上方已掘進(jìn)的專用巷道內(nèi)，觀測(cè)原理示意圖如圖1。

圖1 井下仰孔分段注水觀測(cè)原理圖

主要的觀測(cè)儀器包括：兩端封堵測(cè)漏裝置、供水限壓控制系統(tǒng)、供氣限壓控制系統(tǒng)。

（1）專項(xiàng)結(jié)余資金將被收回。財(cái)政專項(xiàng)當(dāng)年未執(zhí)行完畢，剩余的資金形成結(jié)轉(zhuǎn)資金，一般可以繼續(xù)使用，但是如果到了財(cái)政規(guī)定的年限，例如廈門市財(cái)政專項(xiàng)允許年終結(jié)轉(zhuǎn)后繼續(xù)使用一個(gè)季度，仍有余額的，就形成結(jié)余資金，結(jié)余資金一般都會(huì)被財(cái)政部門收回。

觀測(cè)程序：（1）鉆孔。采用130鉆頭施工10m左右，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)注漿加固，植入120套管，再采用107鉆頭向深部施工，最后拆卸鉆桿。（2）觀測(cè)裝置安裝。在鉆桿頂部加好兩端封堵測(cè)漏裝置，向深部送進(jìn)，同時(shí)以卡帶連接固定好送氣管。（3）連接觀測(cè)裝置。當(dāng)觀測(cè)裝置到達(dá)觀測(cè)孔底部位置后，連接供水限壓控制系統(tǒng)和供氣限壓控制系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)試，正常后再加壓測(cè)試。（4）進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2 井下鉆孔法觀測(cè)示意圖

由于鉆孔塌孔、出水等非人力所能控制的諸多因素，致使采后只完成了A-9一個(gè)鉆孔的分段注水觀測(cè)。為了能夠比較準(zhǔn)確地界定煤1上行開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，根據(jù)采前2個(gè)鉆孔和采后1個(gè)鉆孔的分段注水觀測(cè)結(jié)果，充分利用在采后觀測(cè)鉆孔施工過程中鉆孔和工作面出水情況。

3.2 1111工作面回采過程中出水情況

瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，泥巖與泥灰?guī)r互層共圈定較強(qiáng)富水異常區(qū)10個(gè)，5#和10#異常區(qū)富水性相對(duì)最強(qiáng)；泥灰?guī)r圈定較強(qiáng)富水異常區(qū)4個(gè)，靠近停采線位置4#異常區(qū)富水性相對(duì)最強(qiáng)。

工作面下順距開切眼240m揭露一小斷層，落差1.1m，傾角80°，工作面在240～310m開采范圍涌水量不斷減小，表明這一小斷層對(duì)工作面涌水沒有產(chǎn)生明顯的作用。

1111工作面于2012年9月1日采至680.8m停采，停采后一段時(shí)間工作面涌水量基本穩(wěn)定在5m3/h左右；9月27日16時(shí)（停采26d），工作面回撤到最后一架支架時(shí)，頂板開始大面積淋水，工作面涌水量約15m3/h，同時(shí)，A-9孔銳減至1m3/h；9月28日（停采27d）工作面涌水量增至30m3/h，9月29日（停采28d）逐漸減小，9月30日（停采29d）涌水量減至10m3/h，10月5日（停采34d）以后涌水量基本穩(wěn)定在5m3/h。圖3為停采后工作面涌水量與時(shí)間關(guān)系圖，由此推斷1111工作面導(dǎo)水裂縫帶在采后26～27d發(fā)育最充分或達(dá)到最大發(fā)育高度。

圖3 停采后工作面涌水量與時(shí)間關(guān)系圖

工作面回采過程中的出水情況，涌水量峰值與泥巖與泥灰?guī)r互層的相對(duì)富水區(qū)有比較明顯的相關(guān)性，而與泥灰?guī)r相對(duì)富水異常區(qū)相關(guān)性較差。由以上工作面出水特征，推斷煤1油2反采導(dǎo)水裂縫帶最大高度主要波及泥巖與泥灰?guī)r互層含水層，而未波及泥灰?guī)r含水層。

3.3 觀測(cè)成果

（1）采前A-1號(hào)鉆孔觀測(cè)結(jié)果

A-1孔所處位置離下部煤2、煤4開采區(qū)比較遠(yuǎn)，巖層狀態(tài)基本不受煤2和煤4開采的影響，所測(cè)注水漏失量反映地層的原生裂隙及裂縫的發(fā)育狀態(tài)。

（2）采前A-7號(hào)鉆孔觀測(cè)結(jié)果

A-7孔所處位置靠近下部煤2、煤4開采區(qū)，巖層狀態(tài)受煤2、煤4開采的影響，所測(cè)注水漏失量反映地層的煤1油2開采前、煤2和煤4開采后的裂隙及裂縫發(fā)育狀態(tài)。

（3）采后A-9號(hào)孔觀測(cè)結(jié)果

在施工A-9孔時(shí)，分兩段施工。第一段用Φ50鉆具鉆進(jìn)至42m，再用Φ89鉆具擴(kuò)孔至42m，完成第一段鉆孔分段注水觀測(cè)，所觀測(cè)地層為粉砂巖和煤上1，鉆孔還未揭露互層，故此段觀測(cè)時(shí)孔內(nèi)出水量相對(duì)較??；第二段從42m處繼續(xù)施工至62.45m。42.5m見互層，鉆至43m時(shí)出水量25～35m3/h，水壓0.8MPa，由于鉆孔出水，且水壓大于膠囊封堵壓力和注水壓力，此時(shí)所測(cè)漏失量為零，觀測(cè)失效。當(dāng)探管推至56m時(shí)，觀測(cè)讀數(shù)不為零，觀測(cè)工作正常。

根據(jù)以上開采前后鉆孔漏失量的變化可以確定A-9孔的導(dǎo)水裂縫帶上界在孔深59.0m處，即泥巖與泥灰?guī)r互層和煤上2的交界處。導(dǎo)水裂縫高度由下式計(jì)算：

式中：

H裂-導(dǎo)水裂縫帶高度，m；

a-鉆孔傾角，（°）；

β-沿鉆孔方向的煤層偽傾角，（°）；

l-導(dǎo)水裂縫帶上界孔深，m；

h-開采高度，m；

h'-孔口距煤層底板的高度，m；

h''-回采頂板到煤頂板的距離，m。

將l=59.0m，a=45°，β=7°，h=3.97m，h'=2.0m，h''=1.9m代入（2）式，得A-9孔實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度H裂=36.5m。

3.4 1111工作面煤1反采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度

辛置煤礦煤1油2采用綜采工作面，開采高度一般為3.97m。粉砂巖原生裂隙和裂縫發(fā)育相對(duì)較弱，采動(dòng)后有大量的新生裂隙和裂縫產(chǎn)生；煤上1地層原生裂隙和裂縫發(fā)育比較均勻，受煤1油2開采影響大，產(chǎn)生了大量的新生導(dǎo)水裂隙和裂縫；泥巖與泥灰?guī)r互層原生裂隙、裂縫和溶洞發(fā)育極不均勻，互層中泥灰?guī)r的原生裂隙、裂縫和溶洞發(fā)育較強(qiáng)，而互層中的泥巖原生裂隙和裂縫發(fā)育相對(duì)較弱，受煤2煤4開采影響大，產(chǎn)生了較為明顯的新生裂隙和裂縫，煤1油2開采產(chǎn)生了大量的新生裂隙和裂縫；煤上2地層受煤2、煤4及煤1油2開采影響小，基本上是整體下沉形式，沒有產(chǎn)生明顯的新生裂隙和裂縫，原生裂隙和裂縫發(fā)育相對(duì)較弱，具有阻隔水作用。

綜合工作面回采過程工作面涌水情況及采后A-9鉆孔的實(shí)測(cè)結(jié)果，最大導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育至泥巖與泥灰?guī)r互層和煤上2的交界面，A-9孔實(shí)測(cè)高度為36.5m，按正常情況下平均采高3.97m計(jì)算，裂高采厚比約9.2。導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育的最大高度與巖層的巖性有著密切的關(guān)系，煤上1地層采前與采后比較地層未產(chǎn)生明顯的導(dǎo)水裂縫通道，但其上的泥巖與泥灰?guī)r互層卻產(chǎn)生了明顯的新生裂縫，但由于煤上1的阻水作用，其導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度不會(huì)超過煤上1地層，這時(shí)裂高采厚比顯得意義不大。

4 結(jié)論

（1）辛置煤礦煤上1地層原生裂隙和裂縫發(fā)育比較均勻，受煤1油2開采影響大，有大量的導(dǎo)水裂隙和裂縫產(chǎn)生。煤1油2開采后重復(fù)移動(dòng)破壞，在縱橫兩個(gè)方向上都具有非常好的導(dǎo)水連通性；煤上2地層受煤2、煤4及煤1油2開采影響小，基本上是整體下沉形式，原生裂隙和裂縫發(fā)育相對(duì)較弱，具有阻隔水作用。

（2）辛置煤礦煤1油2開采高度3.97m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度泥巖與泥灰?guī)r互層和煤上2的交界面，最大裂高36.5m，裂高采厚比為9.2。

（3）由停采后工作面涌水量隨時(shí)間的變化關(guān)系分析，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育到最充分所需要的時(shí)間大約26d，這也可能是最大裂高形成的時(shí)間。

（4）雖然采后只完成了A-9鉆孔的分段注水觀測(cè)，但通過綜合分析獲得了比較符合實(shí)際的結(jié)論，基本達(dá)到了煤1反采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度探測(cè)的目的。