新疆侏羅系6煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度研究

文/費賢瑞

新疆侏羅系煤田是我國中生代煤層的主要賦存區(qū)，也是西北地區(qū)國家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移開發(fā)的重點。相較于陜北和內(nèi)蒙古地區(qū)，新疆呼圖壁白楊河礦區(qū)煤炭資源開發(fā)大型礦井較少，開采歷史較短，積累的原地實測地質(zhì)數(shù)據(jù)有限，特別是“兩帶”高度發(fā)育規(guī)律不清，給煤礦防治水精準(zhǔn)施策帶來不利因素。

中煤能源新疆天山煤電有限責(zé)任公司為確定106煤礦導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，采用理論計算與“雙端堵水”試驗方法，分析了侏羅系6號煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律，為煤礦精準(zhǔn)制定防治水措施提供了科學(xué)依據(jù)。

一、概述

106煤礦位于新疆呼圖壁縣城南約83km，屬白楊河礦區(qū)新生界松散層下開采煤層的大型礦井，開采地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，之前未開展過導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的系統(tǒng)研究。本次實測的1602工作面位于呼圖壁河?xùn)|岸，地勢陡峻，溝谷發(fā)育。所采煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組6號煤層，工作面走向長1079.5m，傾斜長185.6m，煤層傾角16°，采高平均為2.82m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為粉砂巖和細(xì)砂巖，致密，性脆。

工作面上方賦存的直接充水含水層為中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖，含水層厚50.93～75.66m，平均厚度62.86m，其中主要為裂隙、承壓孔隙水。含水層主要由粗顆粒砂巖組成，如薄層礫巖、中砂巖、粗砂巖等，含水層整體上為富水性，含水層內(nèi)的水主要為原始裂隙水，不具備良好的水力導(dǎo)通能力。預(yù)計正常涌水量為2～5m3/h，最大涌水量為15m3/h左右。為掌握6號煤層開采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，并為煤層防治水注漿封堵工程提供相對準(zhǔn)確的參數(shù)，采用“雙端堵水”法觀測工作面充分回采后的頂板裂隙發(fā)育高度。

二、頂板導(dǎo)水裂隙現(xiàn)場測試

1.“雙端堵水”法測試原理

“雙端堵水”法測試原理，是基于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)和工作面實際條件，在有利位置設(shè)計施工傾斜實驗鉆孔和對照鉆孔，實驗鉆孔設(shè)計在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，對照鉆孔設(shè)計在未擾動的巖體內(nèi)，利用鉆機將雙端堵水器推送至測試孔段，通過一個管路對囊袋進(jìn)行充氣，封閉住鉆孔兩端，然后開啟另一注水管路，對封閉后的孔段進(jìn)行注水，待水壓穩(wěn)定后開始記錄水表初始讀數(shù)，1分鐘后讀取末端，得到一定時間內(nèi)的鉆孔漏失量。將實驗鉆孔的數(shù)據(jù)與對照鉆孔的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，同一層漏失量差值越大說明采動裂隙越發(fā)育，最終判斷得出導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度。

2.“雙端堵水”試驗儀器設(shè)備

（1）1602工作面現(xiàn)場注水探測系統(tǒng)包括雙端堵水器、水管、氣管、鉆桿、水管和氣管供水操作臺以及井下高壓水源等。

（2）雙端堵水器包括兩個主要部件，即封堵囊袋和中部注水管。中部注水管孔壁上開設(shè)有注水孔，圓管直徑為60mm，長度為1000mm。

（3）雙端堵水器中分布有兩條管路，分別連接注水探管與雙端堵水膠囊。

3.觀測鉆孔設(shè)計

（1）理論計算“兩帶”高度。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，煤層覆巖為中硬巖層時，煤層采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計公式為：

式中： Hli—導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

∑M—累計采厚，m。

冒落帶的發(fā)育高度經(jīng)驗公式為：

式中： Hm—冒落帶高度，m；

∑M—累計采厚，m。

工作面煤厚1.80～3.35m，平均2.68m，按平均采高2.82m計算，由公式（1）預(yù)計采后覆巖裂隙帶高度約為29.16～40.36m；由公式（2）預(yù)計采后覆巖冒落帶高度約為10.36～15.36m。

（2）探測鉆孔設(shè)計。鑒于1602工作面已回采結(jié)束，巷道損害無法施工，本次探測在下部7號煤層1702工作面的運輸巷設(shè)置鉆場及觀測站，在1702工作面運輸巷距1602工作面停采線30m，施工3個觀測孔和1個對比孔，鉆孔終孔垂高要求施工至預(yù)計導(dǎo)水裂隙帶高度之上20m。對比孔設(shè)計在1602工作面未采區(qū)，觀測孔設(shè)計在1602工作面已采區(qū)。其中對比孔觀測回采前上覆巖層的原始裂隙發(fā)育情況；觀測孔用于觀測采空區(qū)采動裂隙發(fā)育情況，均為仰角鉆孔。共設(shè)計4個鉆孔，孔深分別為：1#孔102.5m，2#孔98m，3#孔103m，4#孔102.5m，總設(shè)計工程量為406m。

4.注水探測

（1）注氣堵孔和注水觀測。先打開氣管閥門，使得囊袋壓力值達(dá)到2.0MPa，封堵住測試孔段。然后打開注水閥門，注水壓力值應(yīng)當(dāng)通過測試段的高程確定，注水壓力為高程靜壓值加0.1MPa測試值。高程靜壓值可通過設(shè)計鉆孔角度和測試時使用的鉆桿長度確定。

（2）觀測孔段漏失量。觀測操作臺上的水管流量數(shù)值，流量穩(wěn)定后記錄60s內(nèi)的流量，并記錄數(shù)值。

（3）解除封孔。打開注氣管路泄壓閥，囊袋收縮，封孔失效，中部剩余儲水流出。

（4）推移探管。利用鉆機將雙端堵水器向內(nèi)推進(jìn)1m。

重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一孔段的測試，直至達(dá)到終孔位置。

三、探測成果分析

1.對比孔

對比鉆孔于2021年11月24日早班開孔，12月8日早班終孔，終孔深度為102.5m。鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為3.40L/min，平均值為1.26L/min，在未受采動影響的上覆巖層范圍內(nèi)，局部有零星的漏水點，現(xiàn)場觀測分析表明，這些漏水點的出現(xiàn)為原生裂隙導(dǎo)水原因所致。

2.觀測孔

1#鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為12.87L/min，平均值為4.90L/min；與6號煤垂高10.51～13.13m范圍內(nèi)，處于工作面采空區(qū)上覆層停采線外側(cè)，注水漏失量為6.86～7.00L/min，大于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，判斷該范圍受采空區(qū)影響，處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)；與6號煤垂高14.01～33.13m范圍內(nèi)，注水漏失量明顯增大，為6.86～12.87L/min，處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)；與6號煤垂高34.12～56.85m范圍內(nèi)，注水漏失量逐漸明顯減小，為0.40～2.50L/min，小于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范圍為原生裂隙發(fā)育區(qū)，未受采動影響。根據(jù)1#鉆孔注水漏失量數(shù)據(jù)判斷，6號煤導(dǎo)水裂隙帶高度為33.13m。

2#鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為14.87L/min，平均值為4.89L/min；與6號煤垂高10.63～16.81m范圍內(nèi)，處于工作面采空區(qū)上覆巖層停采線外側(cè)，注水漏失量為3.72～3.92L/min，大于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，判斷該范圍受采空區(qū)影響，處于導(dǎo)水裂隙帶邊界；與6號煤垂高17.69～38.00m范圍內(nèi)，注水漏失量明顯增大，為5.52～14.87L/min，處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)；與6號煤垂高38.88～57.42m范圍內(nèi)，注水漏失量明顯減小，為0.40～1.50L/min，小于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范圍為原生裂隙發(fā)育區(qū)，未受采動影響。根據(jù)2#鉆孔注水漏失量數(shù)據(jù)判斷，6號煤導(dǎo)水裂隙帶高度為38.00m。

3#鉆孔注水漏失量最小值為0.40L/min，最大值為11.95L/min，平均值為6.02L/min；與6號煤垂高10.23～34.94m范圍內(nèi)，注水漏失量明顯增大，為6.07～11.95L/min，處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)；與6號煤垂高35.79～51.12m范圍內(nèi)，注水漏失量明顯減小，為0.42～3.36L/min，小于對比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范圍為原生裂隙發(fā)育區(qū)，未受采動影響。根據(jù)3#鉆孔注水漏失量數(shù)據(jù)判斷，6號煤導(dǎo)水裂隙帶高度為34.94m。

3.6號煤導(dǎo)水裂隙帶高度

根據(jù)1#、2#、3#鉆孔注水漏失量數(shù)據(jù)，獲得6號煤導(dǎo)水裂隙帶高度分別為33.13m、38.00m和34.94m，三組數(shù)據(jù)均在理論計算范圍內(nèi)，證實了實測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。為安全起見，采用就高不就低原則，確定6號煤導(dǎo)水裂隙帶高度為38.00m。

四、結(jié)語

通過采用理論計算和現(xiàn)場測試兩種方法，對1602工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行研究，得到了最大導(dǎo)水裂隙帶高度為38.00m，該實測數(shù)據(jù)為工作面頂板裂隙水防治提供了科學(xué)依據(jù)，也為導(dǎo)水通道的注漿封堵或者疏放水提供了參數(shù)，提高了106煤礦頂板防治水的針對性和有效性。