采區(qū)首采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)研究

丁 杰

(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

水害是制約礦井生產(chǎn)安全的不利因素之一。隨著煤炭資源開采的不斷深入，采煤工作面受水害影響更為顯著[1-3]。當(dāng)煤層開采引起的導(dǎo)水裂隙與含水層、地面水體等連通后，不僅能增加井下涌水量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成淹井事故[4-6]。因此，掌握采煤工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，可顯著提高礦井煤炭生產(chǎn)安全保障能力。山西某礦2采區(qū)對(duì)應(yīng)地表有水體，文中以2采區(qū)首采的2501綜采工作面回采為研究對(duì)象，對(duì)開采引起的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，以期能在一定程度上提升采面安全保障能力。

1 工程概況

山西某礦2采區(qū)2501首采工作面開采的5號(hào)煤埋深為390～433.8 m，厚度9.0 m，傾角4～10°，夾矸0～3層。采面采用綜放頂生產(chǎn)工藝，采放比為1∶1.87。2501工作面設(shè)計(jì)走向推進(jìn)距離2 680 m、切眼傾向長(zhǎng)度265 m。5號(hào)煤頂?shù)装鍘r性見圖1。

圖1 5號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

掌握覆巖力學(xué)參數(shù)是預(yù)測(cè)采面導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的基礎(chǔ)[7]。根據(jù)以往5號(hào)煤層頂板巖性測(cè)試結(jié)果(見表1)及其他相關(guān)的地質(zhì)成果，5號(hào)煤層覆巖單軸抗壓強(qiáng)度為10～20 MPa,巖性以泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖為主。依據(jù)表2劃分標(biāo)準(zhǔn)，將5號(hào)煤層頂板巖層劃分為軟弱類。

表1 5號(hào)煤頂板巖性

依據(jù)《煤礦防治水手冊(cè)》推薦的計(jì)算公式，計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度，具體垮落帶、裂隙帶高度Hm、Hli公式分別為：

(1)

(2)

5號(hào)煤層采高M(jìn)=9.0 m，計(jì)算得到垮落帶Hm=45.6～55.2 m、裂隙帶Hli=107.8～121.8 m，因此，導(dǎo)水裂隙帶高度為153.4～177.0 m，約為5號(hào)煤層厚度的19.67倍。

表2 劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 探測(cè)鉆孔施工及分析

3.1 探測(cè)鉆孔施工

3.1.1 探測(cè)鉆孔布置

導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度采用在地面布置豎向鉆孔方式實(shí)測(cè)，在采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表布置2個(gè)探測(cè)鉆孔，鉆孔均位于采空區(qū)內(nèi)，且走向、傾向與采空區(qū)邊緣距離均大于50 m。其中D1與回風(fēng)巷相距78 m、D2鉆孔與回風(fēng)巷相距85 m，具體位置見圖2。

圖2 D1、D2探測(cè)孔位置示意

當(dāng)鉆孔穿越松散層時(shí)，應(yīng)下方套管止水，套管應(yīng)下放至穩(wěn)定基巖含水層內(nèi)且高度在5 m以上。具體D1、D2探測(cè)孔施工參數(shù)見表3。

表3 探測(cè)孔施工參數(shù)

3.1.2 探測(cè)鉆孔施工

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，探測(cè)鉆孔施工采用型號(hào)XY-5鉆機(jī)，動(dòng)力由功率70 kW的柴油機(jī)提供；泥漿泵為NBB260/7型，流量、壓力分別為150 L/min、6 MPa。鉆孔在表面松散層鉆進(jìn)時(shí)，先采用D113 mm麻花鉆鉆進(jìn)至松散層下基巖，待用D311 mm擴(kuò)孔器擴(kuò)孔后，下放D219 mm套管護(hù)壁，用水泥漿固管。待固管施工完畢后，采用D113 mm鉆孔鉆進(jìn)。鉆孔鉆進(jìn)時(shí)，選用低固相沖洗液，主要設(shè)備為沉淀池、循環(huán)槽以及水源箱，具體水源箱、沉淀池規(guī)格分別為3.0 m×3.0 m×1.5 m、1.0 m×1.0 m×0.5 m，具體沖洗液漏失量觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 沖洗液漏失量觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)分析

3.2.1 D1探測(cè)鉆孔分析

D1鉆孔從開孔到鉆進(jìn)至8.5 m位置時(shí)，鉆孔內(nèi)沖洗液漏失量在0.9～1.5 L/s，判斷沖洗液漏失量較大的主要原因是受地表裂縫影響；在8.5～176.0 m鉆進(jìn)時(shí),鉆孔內(nèi)沖洗液漏失量較小，平均在0.21 L/s，沖洗液循環(huán)穩(wěn)定，鉆孔內(nèi)水位穩(wěn)定，水位與孔口間距離約在38 m；鉆孔鉆進(jìn)至168 m時(shí)，鉆孔內(nèi)沖洗液漏失量突然增加至1.3 L/s，鉆進(jìn)至168.9 m后，沖洗液漏失量又降低至0.35 L/s、處于穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)，分析在孔深168 m位置巖層中發(fā)育有原生裂隙。

鉆孔鉆進(jìn)至228.18 m時(shí)，此位置沖洗液快速漏失且循環(huán)終止，分析此位置為導(dǎo)水裂隙帶頂部，因此開始加密觀測(cè)；探測(cè)孔鉆進(jìn)至228.50 m位置時(shí)，沖洗液漏失速度為4.24 L/s；鉆進(jìn)至229.0 m時(shí)，停鉆并探測(cè)到鉆孔內(nèi)水位深度為180.59 m，但是隔20 h后鉆孔內(nèi)無(wú)水位；后繼續(xù)鉆進(jìn)鉆井液漏失嚴(yán)重且漏失無(wú)規(guī)律。

鉆孔鉆進(jìn)至358.60 m位置時(shí)鉆孔內(nèi)不返漿、沖洗液全部漏失，提鉆后鉆孔內(nèi)無(wú)水位且伴隨有明顯吸風(fēng)現(xiàn)象；鉆進(jìn)至359.8 m時(shí)開始出現(xiàn)掉鉆，后續(xù)鉆進(jìn)時(shí)掉鉆現(xiàn)象更為頻繁，鉆孔鉆進(jìn)至361.5 m時(shí)停止鉆進(jìn)。具體D1鉆孔沖洗液漏失量及水位監(jiān)測(cè)情況見圖4。

結(jié)合鉆孔鉆進(jìn)、鉆孔水位以及漏失量變化情況，綜合判定5號(hào)煤層開采后，導(dǎo)水裂隙帶頂界位置為孔深228.18 m、垮落帶頂界為孔深358.60 m。

圖4 D1鉆孔沖洗液漏失量及水位監(jiān)測(cè)結(jié)果

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度可采用公式(3)計(jì)算：

HLi=Hi-hi+Wi

(3)

式中：Hi為5號(hào)煤層頂板與D1鉆孔孔口距離，取395.5 m；hi為導(dǎo)水裂隙帶頂端與D1鉆孔孔口距離，取228.18 m；Wi縫隙帶鉆進(jìn)時(shí)壓縮值，取0.95 m。

計(jì)算得到：D1鉆孔位置導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為168.27 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為5號(hào)煤厚度的18.7倍。

3.2.2 D2探測(cè)鉆孔分析

D2鉆孔在孔深0～125.0 m鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液漏失量較低且循環(huán)穩(wěn)定，單位漏失量平均為0.19 L/s，鉆孔內(nèi)水位距孔口距離平均在24.0 m；鉆孔鉆進(jìn)至125.0～132.0 m時(shí)，鉆孔漏失量有所增加，平均為0.25 L/s，鉆進(jìn)至132.0 m深度提鉆時(shí)，鉆孔水位距孔口距離平均為38 m；后續(xù)在132.0～251.0 m鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液漏失量0.22 L/s以及鉆孔水位25 m，變化穩(wěn)定。

鉆孔鉆進(jìn)至251.6 m時(shí)，沖洗液漏失量逐漸增加，隨著鉆進(jìn)深度增加沖洗液循環(huán)中斷，鉆孔鉆進(jìn)至252.0 m位置時(shí)，沖洗液漏失量達(dá)到3.75 L/s，提鉆后鉆孔內(nèi)水位與孔口距離增加至142.65 m，取樣得到的巖芯內(nèi)發(fā)育有縱向裂隙，提鉆后24 h鉆孔內(nèi)無(wú)水位，之后鉆進(jìn)時(shí)沖洗液嚴(yán)重漏失且無(wú)返水，鉆孔內(nèi)雖有水位但水位與孔口距離呈增加趨勢(shì)，判定孔深251.6 m位置為5號(hào)煤層頂板覆巖導(dǎo)水裂隙帶頂界。

鉆孔繼續(xù)鉆進(jìn)至382.9 m時(shí)，鉆孔內(nèi)沖洗液全部漏失；鉆進(jìn)至383.5 m時(shí)，鉆具掉鉆現(xiàn)象明顯，提鉆后鉆孔內(nèi)無(wú)水位且有一定的吸風(fēng)現(xiàn)象，取出的巖芯量較少且破碎。為此，判定垮落帶頂界為孔深382.9 m位置。具體D2鉆孔沖洗液漏失量及水位監(jiān)測(cè)情況見圖5。

結(jié)合公式(3)計(jì)算得到，5號(hào)煤層頂板裂隙帶發(fā)育高度為177.05 m，為煤層厚度的19.7倍。

圖5 D2鉆孔沖洗液漏失量及水位監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度確定

結(jié)合D1、D2探測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)，綜合判定2采區(qū)5號(hào)煤開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為168.27～177.05 m，為5號(hào)煤厚度的18.7～19.7倍，其中5號(hào)煤垮落帶、裂隙帶發(fā)育高度分別為36.9～44.8 m、131.57～132.25 m。現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)探測(cè)鉆孔周邊地表局部位置有地表裂縫，裂縫落差在200～2 400 mm、寬度在50～150 mm，具體見圖6，判定2采區(qū)開采后彎曲下沉帶頂界已達(dá)地表。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)地表拉伸裂縫

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 在2采區(qū)2501首采工作面對(duì)應(yīng)地表布置2個(gè)探測(cè)鉆孔(編號(hào)D1、D2)，對(duì)采面開采5號(hào)煤層后引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，2個(gè)探測(cè)鉆孔鉆進(jìn)深度共計(jì)749.20 m，通過(guò)分析探測(cè)鉆孔沖洗液漏失量、水位以及鉆進(jìn)過(guò)程來(lái)判定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

2) 探測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鉆孔鉆進(jìn)至導(dǎo)水裂隙帶后鉆孔內(nèi)沖洗液漏失量顯著增加、鉆孔內(nèi)水位高度顯著下降。通過(guò)綜合分析D1、D2探測(cè)鉆孔探測(cè)結(jié)果，判定2采區(qū)2501首采工作面開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為168.27～177.05 m、為5號(hào)煤厚度的18.7～19.7倍。

3) 對(duì)探測(cè)鉆孔周邊現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)地表由于不均勻沉陷出現(xiàn)有拉伸裂縫，裂縫發(fā)育寬度在50～150 mm，表明5號(hào)煤層開采后引起的彎曲下沉帶頂界位置已到達(dá)地表。