河流下垮落法開采覆巖破壞范圍實(shí)測(cè)分析

王丙迎

(西山煤電有限責(zé)任公司 屯蘭煤礦，山西 太原 030200)

地下開采中由于煤炭資源的回收，在工作面后方的采空區(qū)覆巖會(huì)向下垮落填補(bǔ)采空區(qū)的空間，當(dāng)覆巖垮落有足夠的移動(dòng)空間時(shí)會(huì)形成垮落帶，當(dāng)覆巖下方的移動(dòng)空間不足，而其破壞后又可以保持原有巖層排布，此時(shí)稱為導(dǎo)水裂隙帶，垮落帶和斷裂帶一起構(gòu)成導(dǎo)水裂隙帶[1]。

對(duì)于導(dǎo)水裂隙帶的研究方法主要有理論計(jì)算法[2-3]、實(shí)驗(yàn)室模擬法[4-6]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法[7-9]。其中理論計(jì)算法又包括經(jīng)驗(yàn)公式法、力學(xué)模型分析法和數(shù)學(xué)優(yōu)化算法等，實(shí)驗(yàn)室模擬法主要包括數(shù)值模擬法和物理模擬法兩種，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法很多，其中瞬變電磁法和井下壓水試驗(yàn)法應(yīng)用較為廣泛，而且技術(shù)相對(duì)成熟。本文主要采用井下壓水試驗(yàn)法對(duì)扎旗盟煤礦河流下22021工作面采后的覆巖破壞范圍進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，為礦井安全生產(chǎn)提供具有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。

1 工程概況

扎旗盟煤礦所處區(qū)域四季分明，雨水充足，礦井地表有3條河流流經(jīng)，一條四季常流河，兩條夏季河流。扎旗盟煤礦的22021工作面位于東一采區(qū)，工作面地表標(biāo)高約31 m，埋深230 m左右，工作面采厚3.5～5.2 m，平均采厚約4.6 m，煤層傾角約3°，屬于近水平工作面，頂板屬于中硬偏硬頂板。工作面上方為常流河，河底有大約14 m厚的黏土層，起到了較好的隔水作用，但由于采厚較大，為保證開采過程的安全，必須在開采過程中對(duì)覆巖的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 實(shí)測(cè)方法

探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度的方法很多，其中壓水試驗(yàn)是確定導(dǎo)水裂隙帶諸多方法中精度較高的一種方法。壓水試驗(yàn)又分為井下壓水試驗(yàn)和地表壓水試驗(yàn)。井下壓水試驗(yàn)具有工程量小、施工方便、試驗(yàn)周期短等優(yōu)勢(shì)，且因?yàn)榫逻x擇的鉆孔位置具有更強(qiáng)的針對(duì)性，選擇打孔位置和方向的可控性和精度都明顯高很多，因此，應(yīng)用更廣。

井下壓水試驗(yàn)的工作原理是在巷道向頂板預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶的范圍內(nèi)打孔，鉆孔高度一定要高于導(dǎo)水裂隙的范圍，一般至少在導(dǎo)水裂隙帶上方10～20 m，目的是便于實(shí)現(xiàn)端頭堵漏。在壓水過程中鉆孔兩端施工堵漏，然后在壓水過程中采用分段加壓、分段注水的方法來對(duì)比分析不同階段的壓水量和壓水速度。顯而易見，漏水量大和壓水速度快的位置就是裂隙發(fā)育較高的位置，反之則為巖層完整性較好的位置，進(jìn)而確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。井下壓水試驗(yàn)方法如圖1所示。在鉆孔過程中要特別注意，鉆孔時(shí)要高度監(jiān)測(cè)和關(guān)注鉆孔的出水量，以及在打鉆過程中的圍巖變形和壓力，因?yàn)橛捎诟矌r可能有含水層，鉆孔過程可能會(huì)因此洞穿隔水層，做好防護(hù)和監(jiān)測(cè)工作。

圖1 井下仰孔壓水試驗(yàn)法探測(cè)方法

3 實(shí)測(cè)方案

為觀測(cè)22021工作面的覆巖三帶分布特征，在工作面的運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)兩個(gè)壓水鉆孔，定義兩個(gè)鉆孔的編號(hào)分別為Z01和Z02，Z01鉆孔距離開切眼58 m，鉆孔深度102 m，Z02鉆孔距離開切眼為76 m，鉆孔深度106 m，兩個(gè)鉆孔都是斜向上偏向工作面煤體側(cè)打入，鉆孔傾角分別為47°和43°。

在打鉆過程中嚴(yán)格按照操作規(guī)程執(zhí)行，保證施工效果和安全。孔開口先用D120 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至穿過破碎帶(垮落帶)，下D100 mm套管，套管外側(cè)焊接1個(gè)配套法蘭盤并配備閘閥，并用高標(biāo)號(hào)水泥封套管外壁與鉆孔中間空隙。然后用D75 mm鉆頭鉆進(jìn)，直至終孔，終孔后關(guān)閉套管閘閥，防止采空區(qū)中積水和瓦斯大量涌入工作面。并在打鉆過程中對(duì)水和瓦斯的含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，做好應(yīng)急處置方案。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)壓水過程中，首先要保證堵漏位置密封完好，目的是注水壓力穩(wěn)定和不必要水流失量少。為保證統(tǒng)計(jì)流速的可對(duì)比性，保證水頭壓力都在0.5 MPa，注水時(shí)間都是30 min。為確保水頭壓力保持0.5 MPa，注水過程中根據(jù)水頭壓力調(diào)節(jié)注水壓力。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

整理壓水試驗(yàn)過程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括：鉆孔深度、注水壓力、壓水流速和壓水時(shí)間。

4.1 Z01試驗(yàn)孔分析

Z01試驗(yàn)孔記錄得到的數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制出22021工作面頂板Z01試驗(yàn)孔漏失量曲線，如圖2所示。

從表1和圖2中可以看出：

1) 當(dāng)鉆孔深度在25 m以下時(shí)注水壓力明顯小于30 m之后的注水壓力，而且在25 m以下時(shí)的注水流速明顯大于30 m之后的注水流速，25 m內(nèi)的注水流速都大于等于10.2 L/min，30 m后的注水流速都小于等于6.7 L/min，可見在25～30 m范圍內(nèi)有垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的分界處，根據(jù)鉆孔傾角為47°，可以得出垮落帶高度在18.3～21.9 m之間。

圖2 22021工作面Z01鉆孔流速曲線

2) 隨著注水深度由30 m增加到90 m過程中的注水壓力逐漸增大，注水壓力由0.68 MPa增加到1.02 MPa，說明在此過程中裂隙的發(fā)育程度逐漸減小，在此區(qū)間內(nèi)的注水流速大都穩(wěn)定在3.2～6.7 L/min；在95 m后的注水壓力明顯大于90 m之前的注水壓力，95 m后的注水壓力都大于等于在1.23 MPa，但95 m后的流速卻都小于等于1.6 L/min。相較于90 m之前的數(shù)據(jù)，95 m后的注水壓力大，但注水流速卻小很多，說明鉆孔深度在90～95 m范圍內(nèi)有導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶的分界線，根據(jù)鉆孔傾角為47°，可以得出導(dǎo)水裂隙帶的上限在65.8～69.5 m之間。

4.2 Z02試驗(yàn)孔分析

Z02試驗(yàn)孔記錄得到的數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制出22021工作面頂板Z02鉆孔流速曲線，如圖3所示。

從表2和圖3中可以看出：

1) 當(dāng)鉆孔深度在25 m以下時(shí)注水壓力明顯小于30 m之后的注水壓力，而且在25 m以下時(shí)的注水流速明顯大于30 m之后的注水流速，25 m內(nèi)的注水流速都大于等于8.2 L/min，30 m后的注水流速都小于等于5.4 L/min，可見在25～30 m范圍內(nèi)有垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的分界處，根據(jù)鉆孔傾角為43°，可以得出垮落帶高度在17.0～20.5 m之間。

2) 隨著注水深度由30 m增加到90 m過程中的注水壓力逐漸增大，注水壓力由0.74 MPa增加到1.05 MPa，說明在此過程中裂隙的發(fā)育程度逐漸減小，在此區(qū)間內(nèi)的注水流速大都穩(wěn)定在2.7～5.4 L/min；在95 m后的注水壓力明顯大于90 m之前的注水壓力，95 m后的注水壓力都大于等于1.24 MPa，但95 m后的流速卻都在小于等于1.2 L/min。相較于90 m之前的數(shù)據(jù)，95 m后的注水壓力大，但注水流速卻小很多，說明鉆孔深度在90～95 m范圍內(nèi)有導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶的分界線，根據(jù)鉆孔傾角為43°，可以得出導(dǎo)水裂隙帶的上限在61.4～64.8 m之間。

表2 22021工作面Z02鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 22021工作面Z02鉆孔流速曲線

5 結(jié) 語

1) 通過Z01鉆孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，22021工作面的垮落帶范圍在18.3～21.9 m之間，導(dǎo)水裂隙帶范圍在65.8～69.5 m之間。

2) 通過Z02鉆孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，22021工作面的垮落帶范圍在17.0～20.5 m之間，導(dǎo)水裂隙帶范圍在61.4～64.8 m之間。

綜合兩個(gè)鉆孔的數(shù)據(jù)，可得出垮落帶大約在20 m左右，導(dǎo)水裂隙帶大約在65 m左右。