綜放工作面“兩帶”高度鉆探實(shí)測(cè)分析

焦 昊

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

大平煤業(yè)2018年核定生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a，主采下二疊系山西組3號(hào)厚煤層。根據(jù)礦井生產(chǎn)銜接規(guī)劃，將于近期開采一采區(qū)北翼3112工作面。該工作面上方地表有濁漳河流過(guò)（最大流量為12.46 m3/s，最小流量為0.08 m3/s），屬地表水體下采煤［1-2］，涉及礦井的安全生產(chǎn)。為保證3112工作面在地表河流下正常安全開采，需對(duì)工作面“兩帶”高度［3-4］進(jìn)行實(shí)測(cè)，防止回采期間與地表河流導(dǎo)通，致使地面河水灌入井下。為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)詳實(shí)可靠，將測(cè)點(diǎn)布置在鄰近條件相近的3108工作面，工作面布置見圖1。

3108工作面位于大平煤礦一采區(qū)北翼，工作面寬度約194 m（含兩巷），推進(jìn)長(zhǎng)度300 m。工作面上方地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高約為+886 m，煤層底板標(biāo)高為+535～+575 m，蓋層厚度平均350 m，煤層平均厚度6 m，煤層傾角8°～10°，傾向正西。工作面基本上沿煤層南北走向推進(jìn)，沿傾向布置。工作面采用綜采放頂煤開采，采高為2.4 m，放煤高度3.6 m。

2 鉆探方案

2.1 鉆孔布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，結(jié)合3108工作面布置情況，在靠近東部標(biāo)高較高一側(cè)順槽可觀測(cè)到導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育標(biāo)高。為此在3108工作面運(yùn)輸巷內(nèi)側(cè)20 m布置2個(gè)觀測(cè)孔，鉆孔分別命名為D1、D2，兩孔南北平面間距約40 m，可以起到相互驗(yàn)證的作用，避免單一鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偶然性。觀測(cè)孔口實(shí)測(cè)地表標(biāo)高約+886 m，3#煤層底板標(biāo)高約+570～+575 m，頂板埋深約305～310 m。鉆孔位置見表1。

圖1 工作面布置（見圖中標(biāo)識(shí)）

表1 鉆孔相對(duì)位置參數(shù)

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

地質(zhì)資料顯示，此處第四系厚約10～20 m。鉆孔開孔直徑178 mm，鉆孔穿過(guò)基巖面5～10 m，下套管對(duì)第四系嚴(yán)格止水（防止第四系水進(jìn)入鉆孔，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性），套管直徑146 mm；進(jìn)入基巖向下鉆進(jìn)采用清水作為沖洗液，基巖段鉆孔直徑為Ф89 mm鉆進(jìn)。

2.3 鉆孔取芯

為了掌握工作面開采導(dǎo)水裂縫帶頂界及上方彎曲下沉帶巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)和巖層裂縫發(fā)展規(guī)律，為裂隙帶高度判定提供依據(jù)，并為以后工作面水體下采煤提供參考，對(duì)兩個(gè)鉆孔3號(hào)煤層頂板采取巖石力學(xué)試樣，取芯段均位于孔深約100（距煤層頂板約205 m）～220 m（距煤層頂板約85 m）。

3 鉆探觀測(cè)成果分析

3.1 工作過(guò)程描述

（1）D1號(hào)鉆孔

①D1號(hào)下套管深度19 m，實(shí)測(cè)風(fēng)化帶含水層水位標(biāo)高為+2.4 m。在鉆進(jìn)深度160 m（40～100 m無(wú)芯鉆進(jìn)，100～160 m取芯鉆進(jìn)），鉆進(jìn)過(guò)程孔內(nèi)沖洗液消循環(huán)正常，消耗量約為0.01～0.03 m3/m，觀測(cè)提鉆后水位深度為2.4～3.6 m。

②160～190 m區(qū)間，取芯鉆進(jìn)沖洗液消耗量有所增大，約為0.03～0.26 m3/m，但沖洗液循環(huán)正常；提鉆后孔內(nèi)水位深度3.6～5.3 m，有下降趨勢(shì)，注水試驗(yàn)顯示漏失量不大。將孔內(nèi)水位灌注至孔口位置，維持注水漏失平衡量為0.08～2.0 m3/h。

③190～220 m層段，沖洗液消耗量明顯增加，孔內(nèi)返漿量明顯減小。特別在孔深194 m處，沖洗液消耗量從0.3 m3/h突增至1.7 m3/h；向下消耗量大幅度增加，至208 m孔內(nèi)沖洗液循環(huán)中斷。提鉆后水位下降較快，由6.4 m陡降至24 m，下降幅度逐漸加大，至孔深208 m以下水位已下降至86 m；至212 m孔內(nèi)水完全漏失，測(cè)不到水位。注水試驗(yàn)顯示漏失量加大，加大泵量孔內(nèi)水位亦不能返至孔口，漏失量已達(dá)到最大額定泵量25 m3/h，即停止注水試驗(yàn)。種種現(xiàn)象顯示鉆孔已聯(lián)通下部開采導(dǎo)水裂縫帶。

④220～304 m3#煤層頂板，采用無(wú)芯鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液不循環(huán)，能感覺(jué)到明顯卡鉆現(xiàn)象，孔內(nèi)吸風(fēng)現(xiàn)象較為明顯，局部有掉鉆情況發(fā)生（3～5 cm）；鉆進(jìn)至孔深272 m，發(fā)生一次大幅度掉鉆情況，掉幅度約30 cm，預(yù)測(cè)進(jìn)入垮落帶范圍。

（2）D2號(hào)鉆孔

①D2下套管深度18 m，實(shí)測(cè)風(fēng)化帶含水層水位標(biāo)高為+2.40 m?？咨?8～40 m層段為基巖風(fēng)化帶取芯鉆進(jìn)。孔深40～170 m層段，其中40～105 m為無(wú)芯鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程孔內(nèi)沖洗液循環(huán)正常，約為0.01～0.03 m3/m，消耗量非常小，觀測(cè)提鉆后水位為2.4～5.3 m；105～170 m取芯鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液循環(huán)正常，消耗量有所增加，達(dá)到0.1～0.5 m3/m，變化幅度較大，提鉆后水位下降較大，孔內(nèi)水位在6.5～8 m之間波動(dòng)。該層段下部注水試驗(yàn)顯示漏失量較小，約為0.1～1.8 m3/h。

②170～200 m 進(jìn)尺區(qū)間，取芯鉆進(jìn)，沖洗液消耗量有所增大，一般為0.3～0.6 m3/m，且沖洗液循環(huán)正常，孔內(nèi)正常返漿；提鉆后孔內(nèi)水位下降趨勢(shì)較為明顯，一般集中在10～15 m，來(lái)回波動(dòng)；注水試驗(yàn)顯示漏失量不大，將孔內(nèi)水位灌注至孔口位置，維持注水漏失平衡量為0.6～2.5 m3/h。

③200～220 m層段，沖洗液消耗量明顯增加，達(dá)到1.5 m3/m，孔內(nèi)返漿量明顯減小。在孔深202.4 m時(shí)，沖洗液漏失量達(dá)到4.6 m3/m，沖洗液循環(huán)時(shí)斷時(shí)續(xù)；至205 m孔內(nèi)沖洗液循環(huán)中斷，孔內(nèi)不再返漿?？咨?02 m處提鉆后水位下降較快，由14.8 m陡降至42.5 m，下降幅度非常大；至孔深205 m，水位已下降至106 m；至213.6 m孔內(nèi)水完全漏失，測(cè)不到水位。注水試驗(yàn)顯示漏失量加大，由1.9 m3/h 陡增至8 m3/h，加大泵量孔內(nèi)水位尚不能返至孔口；216 m處注水漏失量已達(dá)到最大額定泵量25 m3/h，測(cè)不到孔內(nèi)留存水位，即停止注水試驗(yàn)。

④220～304.8 m3#煤層頂板，采用無(wú)芯鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液一直不循環(huán)，存在明顯卡鉆現(xiàn)象，且孔內(nèi)有吸風(fēng)現(xiàn)象。至孔深281 m發(fā)生一次大幅度掉鉆現(xiàn)象，圍巖冒落嚴(yán)重。

3.2 水文觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)D1和D2兩個(gè)鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中簡(jiǎn)易水文觀測(cè)結(jié)果，繪制得到D1和D2兩個(gè)鉆孔的鉆孔深度與沖洗液消耗量、水位和注水量等水文參數(shù)的變化曲線圖（見圖2、圖3），以掌握水文參數(shù)隨孔深不斷向煤層采空區(qū)接近變化情況，以此確定不同層位巖層破壞和裂隙發(fā)育情況。

圖2 D1號(hào)鉆孔深度與水文參數(shù)變化曲線

圖3 D2號(hào)鉆孔深度與水文參數(shù)變化曲線

3.3 兩帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)兩個(gè)鉆孔的沖洗液消耗量，水位和注水量等水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得：

（1）D1號(hào)孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂點(diǎn)孔深為192.38 m，垮落帶頂點(diǎn)孔深為272 m；結(jié)合D1鉆孔及其所在位置煤巖層相關(guān)參數(shù)，考慮孔口地表下沉影響，得到裂縫帶和冒落帶高度分別為111.62 m和32 m，見圖4（a）。

（2）D2號(hào)孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂點(diǎn)孔深為199.27 m，垮落帶頂點(diǎn)孔深為281 m；結(jié)合D1鉆孔及其所在位置煤巖層相關(guān)參數(shù)，考慮孔口地表下沉影響，得到裂縫帶和冒落帶高度分別為105.53 m和23.8 m，見圖4（b）。

表2 回采工作面“兩帶”高度觀測(cè)綜合成果

圖4 覆巖破壞形態(tài)

通過(guò)對(duì)D1和D2兩個(gè)綜放覆巖破壞觀測(cè)孔水文觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，得到特定開采技術(shù)條件下兩帶發(fā)育規(guī)律。3108綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為頂板以上105.53～111.62 m，垮落帶高度為頂板以上23.8～32 m，裂采比為19.18～19.42，冒采比為4.33～5.52，見表1。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)3112回采工作面地質(zhì)情況，選擇鄰近條件相近的3108工作面，采用鉆探法對(duì)綜放工作面裂隙帶和冒落帶高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)。通過(guò)上下鉆動(dòng)水位、沖洗液消耗量及相關(guān)層段的注水試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，得到大平煤業(yè)3108綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為頂板以上105.53～111.62 m，垮落帶高度為頂板以上23.8～32 m，裂采比為19.18～19.42，冒采比為4.33～5.52。為大平煤業(yè)3112工作面在濁漳河下采煤提供了數(shù)據(jù)參考。