綜采工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

張 飛

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)四侯煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

煤礦開采過(guò)程中準(zhǔn)確計(jì)算出回采煤層上覆導(dǎo)水裂隙帶高度，對(duì)合理確定回采上限，以及水體下安全回采起著重要作用。傳統(tǒng)主要采用理論公式計(jì)算以及地面打鉆兩種方法確定導(dǎo)水裂隙帶高度。采用公式推導(dǎo)水裂隙高度時(shí)，受煤層厚度變化以及巖層物理性質(zhì)變化影響，巖層參數(shù)求取難度大，使得公式計(jì)算出的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)際高度有很大的誤差；而采用地面鉆探方法不僅施工工程量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低，而且該方法受開采條件影響大，如水體下、采空區(qū)下很難實(shí)測(cè)。所以，采用合理有效的實(shí)測(cè)方法準(zhǔn)確掌握導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)煤礦安全回采、提高煤礦防治水效率具有重要意義。本文以四侯煤礦3108 工作面為例，對(duì)工作面3#煤層采取了“雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度。

1 概述

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)四侯煤業(yè)有限公司3108 工作面位于礦井北部一采區(qū)，東側(cè)為3103 采空區(qū)，西側(cè)為3105 采空區(qū)，北側(cè)為礦井邊界保護(hù)煤柱，南為一采區(qū)三條大巷。

3108 工作面切眼長(zhǎng)度為160 m，可采走向長(zhǎng)度為650 m，工作面回采煤層為3#煤層，平均厚度為3.7 m。煤層偽頂主要以炭質(zhì)泥巖、灰色泥巖混合巖層為主，平均厚度為0.3 m；直接頂主要以粉砂巖、泥巖混合巖層為主，平均厚度為3.95 m；老頂主要以細(xì)粒砂巖為主，平均厚度為7.66 m。

根據(jù)工作面水文地質(zhì)資料顯示，3108 工作面水文地質(zhì)條件中等，在工作面回采期間會(huì)受到頂板K8砂巖裂隙含水層的砂巖裂隙水影響。裂隙含水層與3#層間為41 m，工作面回采前已進(jìn)行探放水施工，共計(jì)放水量為7840 m3。雖然回采前已對(duì)3#煤層上覆裂隙含水層積水進(jìn)行疏放，但是工作面在回采期間仍有殘余裂隙水沿裂隙通道導(dǎo)入工作面，正常涌水量為 3.7 m3/h，隨著工作面推采垮落，將通過(guò)裂隙導(dǎo)入采空區(qū)。為了防止工作面發(fā)生透水事故，為3#煤層裂隙帶注漿堵水提供準(zhǔn)確技術(shù)參數(shù)，地測(cè)防治水科決定對(duì)工作面回采煤層頂板采取“雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度。

2 “雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 “雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)原理

“雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)主要通過(guò)在頂板裂隙區(qū)域施工一定深度的鉆孔，對(duì)鉆孔內(nèi)安裝雙端堵水器，使之形成一個(gè)膠囊封堵空間，然后利用注水器對(duì)封堵空間內(nèi)注水，準(zhǔn)確記錄單位時(shí)間注水滲流量，并與對(duì)比孔進(jìn)行對(duì)比分析，判定此段范圍內(nèi)巖層透水性能以及裂隙發(fā)育程度，從而準(zhǔn)確計(jì)算出導(dǎo)水裂隙帶高度。

2.2 “雙端膠囊堵水”觀測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)

（1）3108 工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)設(shè)備主要由以下幾部分組成：QKX-DSQ-1500 型雙端膠囊堵水器、連接管路、控制臺(tái)以及為 ZYW-1200煤礦用全液壓鉆機(jī)、封孔器、封孔材料等。

（2）QKX-DSQ-1500 型雙端膠囊堵水器主要由兩端膠囊以及中部注水探管等部分組成。注水探管長(zhǎng)度為1.0 m，直徑為90 mm，注水探管為孔狀，主要便于注水后水流向鉆孔壁巖體滲透。

（3）雙端膠囊堵水器中兩端膠囊采用直徑為20 mm 管路與鉆孔下方起漲控制臺(tái)連接，注水探管通過(guò)直徑為30 mm 注水軟管與注水控制臺(tái)連接，如圖1。

圖1 “雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)施工示意圖

2.3 施工工藝

（1）首先在3108 運(yùn)輸順槽G21 導(dǎo)線點(diǎn)外采空區(qū)方向15 m 處（距工作面45 m） 用ZYW-1200 煤礦用全液壓鉆機(jī)施工兩個(gè)頂板探測(cè)鉆孔（1#孔、2#孔）。其中，1#孔為對(duì)比孔，對(duì)比孔深度為45 m，鉆孔直徑為95 mm，鉆孔向工作面煤壁側(cè)偏角為60°；2#鉆孔為觀測(cè)孔，孔深為50 m，鉆孔直徑為95 mm，鉆孔向工作面采空區(qū)側(cè)偏角為68°。3108運(yùn)輸順槽對(duì)比孔、觀察孔布置示意圖如圖2。

（2）對(duì)比孔、觀測(cè)孔擴(kuò)孔深度為15 m，擴(kuò)孔直徑為134 mm。擴(kuò)孔到位后對(duì)擴(kuò)孔段安裝直徑為108 mm 無(wú)縫鋼管，每節(jié)鋼管長(zhǎng)度為1.5 m。鋼管安裝后采用3NBB3.1 型煤礦用變量泥漿泵對(duì)孔壁采用水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿。

（3）鉆孔施工到位后從孔口往里安裝一個(gè)QKX-DSQ-1500 型雙端膠囊堵水器，并將堵水器兩根連接管分別與起漲控制臺(tái)、注水控制臺(tái)連接。具體操作：①雙端膠囊堵水器安裝到位后通過(guò)操作起漲控制臺(tái)對(duì)兩端膠囊打壓使之膨脹并完全封堵鉆孔，兩個(gè)膠囊之間形成注水封堵空間，打壓壓力在0.5～1.0 MPa 范圍內(nèi)；② 通過(guò)操作注水控制臺(tái)，對(duì)注水封堵空間進(jìn)行注水，注水壓力為0.8 MPa，注水期間準(zhǔn)確記錄注水時(shí)間、注水量；③ 第一段注水完成后通過(guò)起漲控制臺(tái)對(duì)膠囊進(jìn)行卸壓，然后利用鉆機(jī)鉆桿將雙端堵水器探頭推移到下一個(gè)觀測(cè)段巖層位置。依次類推直至整個(gè)鉆孔全部完成注水試驗(yàn)。

圖2 3108 運(yùn)輸順槽對(duì)比孔、觀察孔布置示意圖

3 應(yīng)用效果分析

3.1 對(duì)比孔注水觀測(cè)

對(duì)比孔于2019 年3 月12 日施工，3 月13 日施工到位，3 月14 日—15 日開始注水觀測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)觀察分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)比孔在10～45 m，垂高在8.6～38.7 m范圍內(nèi)，頂板平均滲水量為3.7 L/m.min，巖體未受采動(dòng)影響，頂板巖體完整性較好。

3.2 觀察孔注水觀測(cè)

觀測(cè)孔于 2019 年 3 月 16 日施工，3 月 17 日—18 日進(jìn)行注水觀測(cè)，從鉆孔孔口至最頂端依次分段觀測(cè)，觀測(cè)到孔底停止。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)孔在注水試驗(yàn)過(guò)程中漏水量主要分為兩個(gè)區(qū)域：漏水量較大的Ⅰ區(qū)域和漏水量較小的Ⅱ區(qū)域。

在I 區(qū)域，鉆孔深度為10～29 m、垂直高度為9.3～27 m 范圍內(nèi)，巖層最小滲水量為9.6 L/m.mim，最大滲水量為18.7 L/m.mim。在該區(qū)域內(nèi)巖體漏水量大，說(shuō)明鉆孔已進(jìn)入裂隙帶，在此區(qū)域內(nèi)頂板巖體受采動(dòng)以及采空區(qū)垮落影響，次生裂隙發(fā)育，巖層具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性能。3108 運(yùn)輸順槽觀測(cè)孔孔深與巖層滲流量柱狀圖如圖3。

在Ⅱ區(qū)域，鉆孔深度為29～50 m、垂直高度為27～46.4 m 范圍內(nèi)，巖層平均漏水量為3.7 L/m.mim。通過(guò)與對(duì)比孔巖體對(duì)比分析得知，該區(qū)域巖體滲透率小，工作面回采期間或采空區(qū)垮落時(shí)對(duì)該區(qū)域巖體波動(dòng)影響小。由此可見(jiàn)3108 工作面回采的3#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為27 m。

圖3 3108 運(yùn)輸順槽觀測(cè)孔孔深與巖層滲流量柱狀圖

3.3 “雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

（1）施工工程量小。與傳統(tǒng)地面鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法相比，采用“雙端膠囊堵水”觀測(cè)法鉆孔施工數(shù)量少，針對(duì)性強(qiáng)，每個(gè)鉆孔深度小于100 m，鉆孔施工工程量小，勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工工程費(fèi)用投資少，可節(jié)約施工費(fèi)用達(dá)67%。

（2）觀測(cè)精度高。采用“雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度時(shí)，觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，測(cè)漏靈敏度為0.3 L/m.min，精度在95%以上，探測(cè)鉆孔深度達(dá)百米以上，深度誤差控制在1%以下。

（3）環(huán)境影響小。該技術(shù)施工方法簡(jiǎn)單，不受地面環(huán)境以及井下施工工藝影響，可用于大面積水體下探測(cè)采掘工作面頂板導(dǎo)水裂隙高度。

4 結(jié)束語(yǔ)

四侯煤礦地測(cè)防治水科對(duì)3108 工作面上覆裂隙頂板采取了“雙端膠囊堵水”觀測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確實(shí)測(cè)受采動(dòng)影響頂板導(dǎo)水裂隙高度為27 m，為工作面頂板裂隙帶采取注漿堵水施工提供了有力實(shí)踐依據(jù)，進(jìn)一步提高了煤礦防治水效率，防止了工作面透水事故發(fā)生，取得了顯著應(yīng)用成效。該技術(shù)得到了集團(tuán)公司一致認(rèn)可，并在蓋州煤礦、四明山煤礦等煤礦進(jìn)行推廣應(yīng)用。