11101工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律實(shí)測(cè)分析

崔 磊

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 蒲縣昊興塬煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200)

工作面回采后上覆巖層遭到破壞,下沉形成導(dǎo)水裂隙,導(dǎo)水裂隙帶是覆巖裂隙帶和冒落帶的總稱，研究覆巖中導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，掌握覆巖的移動(dòng)破壞規(guī)律和導(dǎo)水裂隙帶與上覆水體之間的關(guān)系，對(duì)于頂板水害的防治具有重要意義。目前，確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的方法主要有理論分析法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、類比法、數(shù)值模擬法[1-3].其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法得出的值最為準(zhǔn)確，該法中主要以鉆孔沖洗漏失量的大小來進(jìn)行評(píng)價(jià)。為充分掌握昊興塬煤業(yè)有限公司11101工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，采用理論分析+現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行分析，為工作面安全生產(chǎn)提供保障。

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)蒲縣昊興塬煤業(yè)有限公司11101工作面位于礦井東北部，工作面北部為礦井邊界，南部為二水平西主運(yùn)巷，東部為實(shí)體煤，11101工作面開采11#煤層，煤層厚度3.55 m，平均傾角為2°～9°，屬穩(wěn)定可采煤層，工作面煤層直接頂巖層為中粒砂巖，均厚8.05 m，基本頂巖層為K2石灰?guī)r，均厚7.5 m，直接底巖層為鋁質(zhì)泥巖，均厚1.56 m，有滑感。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，11#煤層上覆有K2石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，此含水層為11#煤層頂板直接充水含水層，厚5.30～9.42 m，平均7.47 m，巖性為深灰色，致密，堅(jiān)硬，含燧石結(jié)核，中夾薄層灰黑色泥巖，粉砂巖。

2 導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測(cè)方案

1)理論分析?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)定》中關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式的選擇主要取決于頂板地層結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)和工作面的開采方法。根據(jù)工作面的地質(zhì)條件可知，覆巖結(jié)構(gòu)為硬-硬，頂板巖層的平均抗壓強(qiáng)度為59 MPa，工作面開采煤層厚度為3.55 m.覆巖導(dǎo)水裂隙帶的計(jì)算公式[4]為：

(1)

式中，Hf為導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，m；M為煤層的開采厚度，m,根據(jù)11101工作面地質(zhì)條件，取3.55，現(xiàn)根據(jù)礦井工程經(jīng)驗(yàn)取1.4倍的安全系數(shù)，計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為45.7～59.2 m.

2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。該次導(dǎo)水裂隙帶現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法，該種觀測(cè)方法主要通過在工作面采空區(qū)的正上方區(qū)域向下打設(shè)鉆孔，將鉆孔終孔穿過彎曲下沉帶和導(dǎo)水裂隙帶，確保鉆孔終孔位置位于垮落帶內(nèi)，鉆孔打設(shè)過程中設(shè)置鉆孔沖洗液循環(huán)系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)[5-7].鉆孔打設(shè)過程中對(duì)鉆孔沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量進(jìn)行分析，進(jìn)而分析得出該段區(qū)域的圍巖裂隙是否發(fā)育。鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法系統(tǒng)圖見圖1.

圖1 沖洗漏失量觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

11101工作面煤層埋深H=260 m，導(dǎo)水裂隙帶的上限距離=煤層埋深H-導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度Hf,計(jì)算得，導(dǎo)水裂隙帶的上限距離為214.3～200.8 m.在進(jìn)行觀測(cè)鉆孔設(shè)置時(shí)，須保障鉆孔終孔位置位于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，據(jù)此設(shè)計(jì)觀測(cè)鉆孔深度應(yīng)大于200.8 m，結(jié)合工作面頂板各巖層的賦存特征，最終確定觀測(cè)鉆孔的垂深為230 m，鉆孔0～120 m深度鉆孔孔徑為108 mm，120～230 m深度鉆孔的孔徑為89 mm，在鉆孔0～120 m深度內(nèi)下設(shè)套管。工作面內(nèi)布置2個(gè)觀測(cè)鉆孔，編號(hào)為3301和102，工作面導(dǎo)水裂隙帶觀測(cè)孔的布置見圖2.

圖2 導(dǎo)水裂隙帶觀測(cè)鉆孔圖

在11101工作面附近布置的3301鉆孔地表標(biāo)高為1 250.22 m，鉆孔采用d108 mm的鉆頭，鉆孔鉆進(jìn)120 m時(shí)，下設(shè)d108 mm的套管進(jìn)行封孔，封孔結(jié)束后繼續(xù)使用d89 mm的取芯鉆頭繼續(xù)進(jìn)行打鉆作業(yè)，鉆孔終孔深度為236 m.根據(jù)鉆孔鉆進(jìn)過程中的監(jiān)測(cè)，可得出鉆孔沖洗液漏失量的數(shù)據(jù)，鉆孔148.5～152.5 m段的鉆孔沖洗液漏失量數(shù)據(jù)見表1.

表1 鉆孔沖洗液漏失量數(shù)據(jù)表

在采用沖洗漏失量法時(shí)，需要注意以下事項(xiàng)：

a)鉆孔觀測(cè)段鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，在基巖觀測(cè)段沖洗液必須使用清水，確保每個(gè)回次的長(zhǎng)度不超過4 m，在裂隙帶的區(qū)域不超過2 m，并設(shè)置在觀測(cè)段進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，若在未到達(dá)導(dǎo)水裂隙帶前遇到含水帶或者原生裂隙帶，鉆孔過程中引起沖洗漏失量明顯變化的情況應(yīng)采取堵漏措施，在堵漏措施起到有效作用后再繼續(xù)進(jìn)行鉆孔的鉆進(jìn)作業(yè)[7].

b)鉆孔終孔的位置應(yīng)確保鉆孔孔底進(jìn)入到覆巖垮落帶內(nèi)或者達(dá)到開采煤層底板的位置。

c)在導(dǎo)水裂隙帶觀測(cè)鉆孔使用完畢后，應(yīng)拔出鉆孔內(nèi)的套管，對(duì)垮落帶頂點(diǎn)以上的孔段區(qū)域用水泥封堵嚴(yán)密。

d)鉆孔觀測(cè)段下套管進(jìn)行止水作業(yè)時(shí)，鉆孔的止水段要求布置在穩(wěn)定的隔水層中，并且要求其布置高度應(yīng)大于5 m.在鉆孔內(nèi)套管止水后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鉆孔的掃孔和洗孔作業(yè)，確保鉆孔洗孔至水清，及掃孔超過套管底口的深度大于200 mm，并且需對(duì)套管的止水效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢查合格標(biāo)準(zhǔn)為管內(nèi)水位經(jīng)過8 h，水位高度不大于400 mm.另外，鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)需對(duì)觀測(cè)段進(jìn)行取芯作業(yè)，確保取芯率大于75%，以準(zhǔn)確掌握巖層的巖性、傾角、層位、破碎狀況等參數(shù)。在鉆孔內(nèi)的沖洗液循序中斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)將鉆具提出孔外，再用泵機(jī)向孔內(nèi)注入清水，隨后在清水池內(nèi)測(cè)定水量，得到漏失情況。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

1)3301測(cè)試孔分析。

從鉆孔套管深度開始進(jìn)行鉆孔觀測(cè)作業(yè)，分析鉆孔漏失量數(shù)據(jù)及取芯情況，得出3301鉆孔沖洗液漏失量分析圖，見圖3.在鉆孔148.5～163 m，該段巖層為粉砂巖和泥巖，鉆孔清洗的漏失量較小，此時(shí)鉆孔平均每鉆進(jìn)0.5 m，消耗的清洗液的容量為60～70 L，該段消耗清洗液的數(shù)量總體趨于平緩，據(jù)此判斷該段為鉆孔孔壁及水循環(huán)系統(tǒng)的正常損耗；在鉆孔163～166 m深度和168.5～171.5 m深度，該段巖層為粉砂巖，鉆孔沖洗漏失量較大，且存在間斷性的返漿現(xiàn)象，但鉆進(jìn)過程中的返漿量相對(duì)較小，分析出現(xiàn)該種現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵搮^(qū)域原生裂隙相對(duì)較為發(fā)育，導(dǎo)致鉆孔的沖洗漏失量相對(duì)增大；在鉆孔173 m，該位置處為中粒砂巖，鉆孔沖洗液存在循環(huán)中斷的現(xiàn)象，且鉆孔內(nèi)無返漿現(xiàn)象出現(xiàn)，清洗液全部漏失，且孔內(nèi)的水位隨著鉆孔深度增大而逐漸下降；在鉆孔173.5 m處，系統(tǒng)清水池中無水位并且?guī)r芯內(nèi)存在著縱向斷裂的情況，據(jù)此判斷鉆孔173 m的位置處為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂點(diǎn)。

圖3 3301鉆孔沖洗液漏失量分析圖

基于上述分析，可推測(cè)3301鉆孔導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育距離地表的高度為173 m，裂隙帶頂部距離煤層頂板為52.2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為開采高度3.55 m的14.7倍。

2)102測(cè)試孔分析。

102鉆孔沖洗液的漏失量數(shù)據(jù)見圖4.通過分析圖4，結(jié)合鉆孔鉆進(jìn)過程中的取芯情況，判斷出102鉆孔導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度為178 m，導(dǎo)水裂隙帶距離11#煤層頂板53.7 m，為采高3.55 m的15.12倍。

圖4 102鉆孔沖洗液漏失量分析圖

基于上述兩個(gè)鉆孔沖洗液漏失量的分析結(jié)果，得出了工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的上限值，考慮到導(dǎo)水裂隙帶在不同位置處的發(fā)育高度存在著較大的差異，為保障工作面的安全生產(chǎn)，取觀測(cè)結(jié)果中的最大值作為工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為53.7 m，與理論分析結(jié)果相一致。取煤層厚度為3.55 m，可計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與煤層采厚之間的比值為15.13，工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至頂板53.7 m處的粉砂巖巖層內(nèi)。

4 結(jié) 論

根據(jù)11101工作面的地質(zhì)及水文條件，采用理論分析+現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行量化分析，理論分析得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為45.7～59.2 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析結(jié)果得出，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為53.7 m，發(fā)育高度與采高的比值為15.13，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的掌握為工作面安全生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。