帶壓開采工作面頂板“三帶”測試技術(shù)研究

楊彥群

（山西焦煤集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西省太原市，030053）

帶壓開采工作面頂板“三帶”測試技術(shù)研究

楊彥群

（山西焦煤集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西省太原市，030053）

以鎮(zhèn)城底煤礦8＃煤層為研究對象，依據(jù)8＃煤層頂板工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，分析綜采放頂帶壓開采條件下“三帶”特征，通過現(xiàn)場鉆探壓水試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了主采煤層“三帶”發(fā)育特征和覆巖破壞規(guī)律，為三水平大巷設(shè)計(jì)布置及未開采區(qū)工作面防水煤柱的留設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

綜放工作面 帶壓開采 三帶 測試技術(shù)

綜采放頂煤開采具有產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)，得到越來越廣泛地應(yīng)用。但此法開采引起的覆巖破壞嚴(yán)重，特別是在煤層與上覆采空區(qū)或者含水層（體）、下伏承壓含水層（奧灰含水層）相距不遠(yuǎn)時，由于開采引起的采動裂隙帶厚度大，導(dǎo)水裂隙帶波及含水層或者采空區(qū)，使井下巷道或工作面的淋水、涌水量增加，甚至發(fā)生潰砂、潰水事故，給井下生產(chǎn)和工人的生命安全帶來很大的威脅。

本文通過井下仰（俯）孔注水測漏法，研究了綜采放頂開采方式形成的頂板冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶、彎曲下沉帶高度及其發(fā)育規(guī)律以及底板導(dǎo)水破壞帶和完整巖層帶的高度及其發(fā)育規(guī)律。為煤礦安全生產(chǎn)及防治水提供可靠的水文地質(zhì)資料。

1 工作面概況

鎮(zhèn)城底礦28103工作面地表位于獨(dú)蘭村以南，黑豆山以東，歇馬村以北，赤泥巖以西，官長溝一帶，815鉆孔附近，覆蓋層厚度為243～338m。28103工作面井下位于南一采區(qū)，南接南一下組軌道巷、運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，其他相鄰區(qū)域?yàn)槲床蓞^(qū)，是南一采區(qū)下組煤首采工作面。工作面所采煤層為8＃煤層，煤層穩(wěn)定，煤層厚度為4.46m，煤層整體呈寬緩的背斜和向斜構(gòu)造，背斜軸向北82°西，向斜軸向南80°西，煤層傾角11°左右。8＃煤層頂板巖層主要是由泥巖和石灰?guī)r組成，老頂為石灰?guī)r，厚度3.84m，直接頂為石灰?guī)r，厚度2.58 m，偽頂為泥巖，厚度為0～0.2m；底板主要由砂質(zhì)泥巖組成，直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度5.8m，老底為砂質(zhì)泥巖，厚度5.7m。

28103工作面水文地質(zhì)情況較復(fù)雜，屬帶壓開采，工作面標(biāo)高低于奧灰靜止水位標(biāo)高62～108m，底板最大突水系數(shù)為0.037MPa／m。頂板L1、K2、L4 3層灰?guī)r水是該工作面充水的主要水源，正常情況下，工作面僅有滴水、淋水現(xiàn)象，工作面正常涌水量為5.0m3／h，最大涌水量為30m3／h。

2 壓水試驗(yàn)實(shí)施方案

2.1 實(shí)施方案

2.1.1 井下仰（俯）孔注水測漏法

井下仰（俯）孔注水測漏法是在井下工作面的外圍巷道或硐室中，向工作面內(nèi)斜上方打小口徑仰斜鉆孔，鉆孔穿過預(yù)計(jì)的覆巖破壞范圍并超過預(yù)計(jì)頂界一定高度，采用鉆孔雙端堵水器對鉆孔進(jìn)行逐段封隔注水，測定各孔段漏失量變化情況，以此確定覆巖破壞規(guī)律。井下仰（俯）孔注水測漏法示意圖見圖1。

圖1 井下仰（俯）孔注水測漏法示意圖

2.1.2 鉆孔技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)孔位于28103工作面南一下組上部車場副巷開口處，開孔處層位為8＃煤層底板，巖性為砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)工作面煤系地層特征及鉆孔技術(shù)要求，考慮鉆進(jìn)時8＃煤層頂板砂質(zhì)泥巖較破碎，施工時選擇ZDY－1200S（MK－4）型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)。

頂板試驗(yàn)鉆孔沿方位37°方向施工，鉆孔仰角48°，設(shè)計(jì)孔深94.53m，實(shí)際終孔深度為96.89m。

底板試驗(yàn)鉆孔沿方位37°方向施工，鉆孔俯角－39°，設(shè)計(jì)孔深28.28m，實(shí)際終孔深度為24m。

2.1.3 觀測鉆孔施工

試驗(yàn)孔開口先用?127mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至3.5m，下?108mm套管3m，套管外側(cè)焊接一個配套法蘭盤并配備閘閥，并用高標(biāo)號水泥封套管外壁與鉆孔中間空隙。然后用?75mm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。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 頂板“兩帶”高度的判斷

（1）冒落帶判斷。由于冒落帶巖石破碎，所以當(dāng)鉆進(jìn)至冒落帶時孔內(nèi)反水會突然減小或無反水，并有明顯的卡鉆現(xiàn)象，而鉆頭穿過冒落帶后孔內(nèi)反水會突然增大，卡鉆現(xiàn)象消失，并且通過壓水試驗(yàn)水量變化特征（冒落帶水量大于裂隙帶水量），據(jù)此可以正確判斷冒落帶頂點(diǎn)位置。

實(shí)際施工時，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)到10.2m時孔內(nèi)反水突然減小，再往前鉆進(jìn)有明顯的卡鉆現(xiàn)象，可以判斷從孔深10.2m進(jìn)入冒落帶。鉆進(jìn)至16.2m時卡鉆嚴(yán)重，孔內(nèi)無反水，繼續(xù)鉆進(jìn)，到32.7m時鉆進(jìn)時反水正常，無卡鉆現(xiàn)象。在鉆進(jìn)的過程中分別在10.2m、16.2m、28.2m、32.7m的時候做壓水試驗(yàn)，頂板鉆孔施工壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，鉆孔深度與壓水流量關(guān)系見圖1。由表1和圖1看出，在相同的壓力下，鉆孔在10.2m、16.2m和28.2m深時，壓水流量分別為2.25m3／h、2.3 m3／h和2.12m3／h；在32.7m深時，壓水流量為0.75m3／h，壓水流量明顯小于前面的流量。據(jù)此判斷在孔深32.7m穿過冒落帶進(jìn)入裂隙帶。

（2）裂隙帶判斷。裂隙帶的判斷依據(jù)是壓水試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)鉆孔進(jìn)入裂縫帶后，在相同的壓力下，壓水水量基本保持一致。由于裂縫帶存在大量裂隙，所以只要沒有過裂隙帶，在一定的壓力下，新鉆進(jìn)的孔段就可以順利壓入大量的水。由表1和圖1看出，當(dāng)鉆進(jìn)至65.7m、76.2m、79.2m時分別做壓水試驗(yàn)，壓水流量在0.68～0.75m3／h的范圍變化，當(dāng)鉆進(jìn)至孔深88.2m處壓水時，壓水困難，壓水流量為0.21m3／h，說明鉆孔在88.2m已穿過裂隙帶。為了進(jìn)一步證實(shí)是否穿過裂隙帶，又繼續(xù)鉆進(jìn)到91.2m進(jìn)行壓水，水流量變化特征與88.2m處相似，所以判定88.2m處為裂隙帶的頂點(diǎn)。

根據(jù)鉆探和壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定28103工作面試驗(yàn)孔處8＃煤層的覆巖冒落帶大約在孔深10.2～32.7m之間，即冒落帶高度為16.72m，裂隙帶大約位于孔深32.7～88.2m之間，裂隙帶高度為41.26m，如圖3所示。

表1 頂板鉆孔施工壓水試驗(yàn)記錄

3.2 底板采動破壞帶的判斷

底板采動破壞帶的判斷依據(jù)是壓水試驗(yàn)結(jié)果，見表2。當(dāng)鉆孔進(jìn)入破壞帶后，在相同的壓力下，壓水水量基本保持一致。由于破壞帶存在大量裂隙，所以只要沒有穿過破壞帶，新鉆進(jìn)的孔段就可以順利壓入大量的水，且壓力不大。由表2可知，當(dāng)壓力為1.0MPa時，鉆孔深度分別為6.4m、15.1m、20m、24m做壓水試驗(yàn)，壓水流量分別為0.648m3／h、0.641m3／h、0m3／h、0m3／h；在壓力為2.5MPa時，鉆孔深度在20m、24m做壓水試驗(yàn)，壓水流量分別為0.013m3／h、0.015m3／h。由此看出，當(dāng)鉆孔深度低于20m時，壓水流量能保持一個較高的數(shù)值，而當(dāng)鉆孔深度大于20m時，壓水流量突然降低，即使增加壓水壓力，效果也不明顯，因此，可以判定，當(dāng)鉆孔深度小于20m時，底板處于導(dǎo)水破壞帶，而鉆孔深度大于20m時，底板進(jìn)入完整巖層帶。根據(jù)鉆探和壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定28103工作面8＃煤層試驗(yàn)孔處底板采動破壞帶大約在孔深20m左右，即底板采動破壞深度12.6m，如圖4所示。

表2 底板鉆孔施工壓水試驗(yàn)記錄

圖4 鉆孔揭穿底板破壞帶示意圖

4 結(jié)論

根據(jù)鉆探和壓水試驗(yàn)結(jié)果，28103工作面試驗(yàn)孔處8＃煤層覆巖冒落帶高度16.72m，裂縫帶高度41.26m，底板導(dǎo)水破壞深度12.6m。

通過壓水試驗(yàn)的結(jié)果為鎮(zhèn)城底礦擬建采區(qū)和工作面防水煤柱的留設(shè)、綜放開采留采比的確定、煤層氣抽采、帶壓開采提供了參考。

[1] 徐玉增.葛泉礦帶壓開采下組煤底板破壞深度探測研究[J].中國煤炭，2010（4）

Study on"three zones"testing technology on mining faces under water pressure

Yang Yanqun

（Technical Center，Shanxi Coking Coal Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030053，China）

Taking the No.8coal seam of Zhenchengdi Mine as an example，based on the engineering geological and hydrogeology conditions of No.8coal seam roof，the paper analyzed the fully－mechanized caving mining"three zones"characteristics under water pressure mining.Site drilling and water pressure tests were used to study on main seam"three zones"development characteristics and overburden failure law.The above study results could provide scientific basis for to No.3level tunnel layout and water proof coal pillar leaving to working face in non－mining area.

fully－mechanized top coal caving face，water pressure mining，three zones，testing technology

TD823.97

B