導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及探放水技術研究

張永忠

(山西煤炭進出口集團 左權鑫順煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032699)

1 工程概況

山西煤炭進出口集團鑫順煤業(yè)井田位于沁水煤田的東緣，和順礦區(qū)的南部，井田屬海河流域南運河水系，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有斷裂構造，在局部地段奧陶系巖溶含水層與石炭系層間巖溶含水層溝通，奧陶系巖溶水補給礦井，為煤礦涌水的主要水源。井田主要開采4#與15#煤層，4#煤層與15#煤層的平均間距為85 m，4#煤層平均采厚1.32 m，現(xiàn)已全部回采完畢并封閉。15#煤層平均厚度6 m，設計為綜采放頂煤開采，開采直接充水水源為煤層頂板的砂巖裂隙水和層間巖溶裂隙水(K2、K3、K4). 通過現(xiàn)場鉆孔探水的涌水量可知，鉆孔的平均涌水量為15 m3/h，通過采用瞬變電磁物探技術探測到15101工作面上部4#煤層采空區(qū)積水量為10.27萬m3，嚴重影響該工作面的安全回采。15#煤層開采過程中在正常地質(zhì)構造區(qū)域受上部4#煤層采空積水的充水影響不大，但在地質(zhì)構造發(fā)育區(qū)域存在導通上部4#煤層采空區(qū)積水的可能；同時15#煤層位于K2含水層和O2含水層之間，且有局部帶壓開采地段，為保證15101首采工作面的安全回采，需對工作面開采過程中導水裂隙帶的發(fā)育高度進行研究，分析工作面發(fā)生突水的可能性，并針對分析結果制定具體方案，以此保證15101首采工作面的安全開采。

2 覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度

根據(jù)大量的實測資料和已有的研究成果進行分析發(fā)現(xiàn)：1) 采高與工作面參數(shù)是造成覆巖破壞的根本因素，影響導水裂隙帶高度最主要的因素即為采高。2) 工作面上覆巖層的巖性結構及物理力學性質(zhì)對導水裂隙帶高度發(fā)育起到控制作用。3) 煤層傾角對導水裂隙帶發(fā)育高度、分布形態(tài)、最大發(fā)育高度及破壞范圍等均存在著較大影響。4) 導水裂隙帶的發(fā)育高度還會受時間的影響，在工作面導水裂隙帶高度發(fā)育至最大后，隨著時間的延長導高逐漸穩(wěn)定，并可能存在降低的情況。5) 斷層等地質(zhì)構造對導水裂隙帶范圍的影響也較大，當斷層位于正常的導水裂隙帶范圍內(nèi)時，其對于導水裂隙帶內(nèi)巖層的破壞程度會加劇[1-2].

現(xiàn)根據(jù)15101工作面的地質(zhì)條件，并與影響導水裂隙帶的主要影響因素相結合，采用回歸分析的方法，將非線性問題處理為線性問題，通過對覆巖導水裂隙發(fā)展進行回歸分析，得到擬合預測公式。根據(jù)相關數(shù)值模擬及相似材料模擬的實驗結果[3-4]，繪制出6 m采高條件下覆巖導水裂隙帶高度規(guī)律，見圖1.

圖1 6 m采高導水裂隙高度散點圖

分析圖1可知，工作面在6 m采高下工作面推進距離與上覆巖層的導水裂隙發(fā)育高度之間不存在線性關系，故擬利用S型可視化曲線進行回歸分析，回歸方程假設為：

(1)

式中：a、b、k均為回歸待定系數(shù)，a、b可以根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法由下式確定：

(2)

式中：xi，yi(i=1,2,3…，N)表示實際數(shù)據(jù)點；N為數(shù)據(jù)點數(shù)。相關研究表明，在6 m采厚條件下，根據(jù)圖1中不同推進距離下導水裂隙帶發(fā)育高度的數(shù)據(jù)可知，回歸系數(shù)a=133，b=187，k=0.051 7，計算得到6 m采高導水裂隙帶的回歸方程可簡化為：

y=133/(1+187-0.051 7x)

(3)

得出回歸方程后，通過S型曲線函數(shù)得到的方程能夠顯現(xiàn)出工作面不同推進距離下覆巖導水裂隙帶之間是存在著線性密切相關的關系，根據(jù)回歸方程能夠得出不同推進距離下導水裂隙帶發(fā)育高度的曲線圖，見圖2.

圖2 6 m采高導水裂隙回歸方程曲線圖

通過分析圖2可知，回采工作面推進初期，工作面上覆巖層導水裂隙的發(fā)展較為平緩，當回采工作面推進至90 m時，上覆巖層導水裂隙帶的發(fā)育高度出現(xiàn)明顯的上升，導水裂隙帶的發(fā)展速度明顯加快；在回采工作面推進至155 m之后，上覆巖層導水裂隙帶的發(fā)育高度逐漸趨于平緩，隨著回采工作面的推進，導水裂隙帶最終基本不再發(fā)生變化，據(jù)此并具體結合預測方程曲線能夠得出，15101工作面6 m煤層開采后，工作面上覆巖層導水裂隙帶的發(fā)育高度基本在130 m左右，根據(jù)15101工作面覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度的分析結果可知，最大導水裂隙帶的發(fā)育高度為130 m，已超過4#煤層與15#煤層的層間距，在15101工作面回采前必須對上覆巖層進行探放水作業(yè)。

3 探放水方案與效果分析

3.1 方案設計

根據(jù)15101工作面前期探放頂板4#煤老空水鉆孔的涌水情況，結合15101工作面上部4#煤老空區(qū)可疑富水區(qū)域的具體位置，對15101工作面頂板含水層及老空水的探放方案進行設計，具體如下：設計施工探放水鉆場規(guī)格為：長4 m×寬4 m×高3.5 m，共布置2個鉆場，命名為1#和2#，鉆探放水鉆孔布置在1#鉆場與2#鉆場內(nèi)，鉆場內(nèi)采用錨網(wǎng)索支護，該次探水作業(yè)共施工9個探放水鉆孔，各組鉆孔具體參數(shù)如下：

1) 1#探放水鉆場內(nèi)施工鉆孔具體參數(shù)如下：1#鉆場位于原15#煤層集中軌道下山下端頭向上原第一個鉆場位置處，鉆場內(nèi)施工6個探放水鉆孔，鉆孔呈扇形布置。1#鉆場內(nèi)探放水鉆孔的各項參數(shù)見表1.

表1 1#鉆場內(nèi)探放水鉆孔的各項參數(shù)表

2) 2#探放水鉆場鉆孔設計參數(shù)如下：2#探放水鉆場內(nèi)設計施工3個探放水鉆孔，鉆孔呈扇形布置，控制15101工作面上方標高較高處的兩個4#煤可疑富水區(qū)域。2#鉆場內(nèi)探放水鉆孔的各項參數(shù)見表2.

表2 15101工作面2#鉆場探放水鉆孔設計參數(shù)表

3.2 效果分析

通過對該次探放水作業(yè)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，能夠得出具體探放日期與累計探放水總疏放水量的趨勢圖，見圖3.

圖3 探放4#煤老空水總疏放水量趨勢圖

通過分析圖3可知，該次探放水共計探放15101工作面安全回采的頂板水11.6萬m3，在探放水前期，由于排水鉆孔打設的較少，并且存在著較多探水鉆孔被堵等情況，造成前期探放水疏放水總量變化幅度較?。辉谔椒潘鳂I(yè)中期，對各出水鉆孔經(jīng)透孔、擴孔的作業(yè)，使得鉆孔中單孔水量出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象。隨著探放水作業(yè)的進行，鉆孔疏放水半徑范圍內(nèi)剩余的富水量明顯減少，且在疏水作業(yè)后期，鉆孔的累計放水量出現(xiàn)的變化逐漸趨于平緩，這表明影響15101工作面安全回采的頂板含水層及剩余4#煤老空水水量已大部分疏放完畢，待鉆孔水量降低至某一穩(wěn)定流量時，可對1#探放水鉆場內(nèi)探放上部4#煤老空水的鉆孔實施注漿封孔處理。

根據(jù)探放水數(shù)據(jù)可知，1#探放水鉆場累計疏放15#煤層頂板水11.6萬m3，1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#鉆孔探放水因后期出水量較小現(xiàn)均已全長注漿封孔；2-1#、2-2#、2-3#鉆孔因所揭露均為實體煤，現(xiàn)已注漿封孔；1-6#鉆孔尚未注漿封孔，其水量保持40 m3/h，關閉時鉆孔水壓1.37 MPa，現(xiàn)處關閉狀態(tài)，另外對比施工鉆孔出水量及其水壓變化、探放水水源水質(zhì)化驗特征，截止至2013年7月18日，探放區(qū)域的4#煤老空水已基本疏放完畢，后期鉆孔疏放水源主要為地表雨補給水及15#煤層頂板各含水層水，疏放水源中老空水特征已基本消失。

4 結 論

根據(jù)15#煤層頂板各含水層及4#煤層老空區(qū)積水的現(xiàn)狀，采用回歸分析的方法確定了15101工作面覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度在130 m左右。據(jù)此可知，必須在1101工作面回采前進行頂板的探放水作業(yè)，結合工作面地質(zhì)條件具體設計探放水方案，該次探放水實現(xiàn)探放水量11.6萬m3，根據(jù)鉆孔校驗孔水量水壓的校驗結果可知，15101工作面安全回采的頂板多含水層及4#煤層老空區(qū)積水已成功探放，為15101工作面安全回采提供了保障。