煤礦井下水流裂縫帶發(fā)育擴(kuò)展情況探測

馬國逢

（陜西中能煤田有限公司）

袁大灘煤礦地處榆橫礦區(qū)，是黃河流域典型沙漠灘地地區(qū)的煤礦，煤礦回采對第四系、白堊系含水層的擾動(dòng)強(qiáng)度，直接關(guān)系到黃河流域環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展。為此，范立民等［1-3］提出了保水采煤問題及實(shí)現(xiàn)途徑，經(jīng)過長期研發(fā)與工程實(shí)踐，大致形成了保水采煤的理論與技術(shù)體系；夏玉成等［4］研究了高強(qiáng)度采煤條件下地下水流場的演化規(guī)律。在保水采煤研究與實(shí)踐中，水流裂縫帶是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，以往的經(jīng)驗(yàn)公式適合于采煤強(qiáng)度較小的區(qū)域，對于高強(qiáng)度回采的工作面，表現(xiàn)出不適用的特性［5］。為此，毗鄰的神府南區(qū)采用鉆孔探測的方法，準(zhǔn)確確定了水流裂縫帶發(fā)育長度［6-7］，為其他礦區(qū)鉆孔探測提供了技術(shù)方法。

依據(jù)礦井相關(guān)地質(zhì)條件對袁大灘煤礦主采煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育長度進(jìn)行分析，觀察上覆巖層地質(zhì)、沖洗液消耗速率、水文等情況，分析研究煤層采動(dòng)垮落帶、水流裂縫帶的發(fā)育特征，為后期保水開采提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 探查方案

1.1 探查工作面概況

11201工作面作為112盤區(qū)的首采工作面，主采煤層2煤，位于112盤區(qū)北翼西部（下文所說工作面均為11201工作面）。工作面走向長度為5 186 m，傾向長度為300 m，回采煤層厚度在1.95～3.60 m，平均厚度為2.75 m，2020年1月開始回采，2021年4月回采結(jié)束。

工作面煤底板高度在+835.9～+882.3 m，埋深在319.95～344.69 m，平均埋深為332.27 m，最淺部位于工作面東南部，最深部位于工作面西北部，地層整體形態(tài)為東南高西北低的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育幾個(gè)起伏較小的次級褶曲。

1.2 探查方法

設(shè)計(jì)施工3個(gè)探查鉆孔，鉆孔水平位置距離工作面切眼300 m，該區(qū)域已超過回采時(shí)間近6個(gè)月，依據(jù)地面沉降觀察結(jié)果，探測時(shí)工作面頂板覆巖已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

鉆孔沖洗流體消耗速率觀察方法（簡稱為鉆孔沖洗流體法）是一種傳統(tǒng)、可靠的確定上覆巖層受采動(dòng)后水流裂縫帶與垮落帶發(fā)育長度的方法，此方法是通過直接觀察鉆進(jìn)過程中的鉆孔沖洗流體沖洗液消耗速率、鉆孔水位、鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)異常情況（卡鉆、掉鉆、鉆孔吸風(fēng)）、鉆探取心與地質(zhì)描述等資料來綜合判定垮落帶與水流裂縫帶長度及其破壞特征。

2 探測鉆孔布置

2煤回采“兩帶”長度探測的3個(gè)鉆孔（T1、T2、T3孔）所處的勘探線地點(diǎn)位于工作面開切眼南方300 m處，為頂板充分垮落的位置。T1孔施工方位在工作面東側(cè)，距離采空區(qū)邊界150 m，當(dāng)基巖段巖移角為70°時(shí)，采空區(qū)作用范圍是120 m，不會(huì)對T1孔產(chǎn)生影響；T2孔與T3孔均位于采空區(qū)上部，T2孔位于采空區(qū)西部，T3孔位于采空區(qū)中間部分（圖1）。

依據(jù)地面測量結(jié)果，T1孔孔口為+1 233 m水平，終孔孔深為381.82 m，終孔位置在2煤頂板位置處，為采前鉆孔。T2、T3孔為水流裂縫帶觀察鉆孔，其中T2孔孔口為+1 232.40 m水平，終孔孔深為351.62 m，終孔位置在2煤采后頂板垮落帶處。T3孔孔口為+1 232.40 m水平，終孔孔深為361 m，終孔位置在2煤采后頂板垮落帶。

3 水流裂縫帶發(fā)育擴(kuò)展探測結(jié)果

3.1 T1孔（采前孔）鉆井沖洗液消耗速率觀察

T1孔為背景值孔，在施工過程中，施工人員對孔內(nèi)進(jìn)行了取心、抽水等相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為后續(xù)孔的參考背景值。T1孔采前鉆井沖洗液消耗速率見圖2。

沖洗液消耗速率不僅與時(shí)間有關(guān)，還與進(jìn)尺有關(guān)。由圖2分析可知，孔深范圍在120～231.33 m時(shí)，沖洗液消耗速率較小，并且鉆井液返水正常，最小沖洗液消耗量為0.031 m3/h，最大為0.278 m3/h，平均為0.086 4 m3/h；單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺最小沖洗液消耗速率為0.001 8 L/（s·m），最大為0.007 4 L/（s·m），平均為0.002 3 L/（s·m）。鉆井沖洗液消耗速率在該時(shí)段較小，鉆井液損耗量正常。代表地層完整，未發(fā)生原生裂縫帶。

鉆孔處于231.33～381.82 m時(shí)，出現(xiàn)2次沖洗液消耗速率突增現(xiàn)象。其中孔深242.99 m時(shí)，沖洗液消耗量為0.631 m3/h，單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率高于0.014 1 L/（s·m）；孔深311.93 m時(shí)，沖洗液消耗量為1.261 m3/h，單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率為0.0362 L/（s·m）；這2個(gè)沖洗液消耗速率突增點(diǎn)說明原始地層中存在局部裂縫帶，且該裂縫帶較弱。

3.2 T2孔（采后孔）鉆井沖洗液消耗速率觀察

T2孔在采后6個(gè)月后，開始使用該鉆孔進(jìn)行“兩帶”發(fā)育長度測試。位置在T1孔西74 m左右。在施工的同時(shí)進(jìn)行取心及沖洗液消耗速率觀察等實(shí)驗(yàn)。該孔終孔處于2煤內(nèi)，終孔深度為351.73 m。

圖3是沖洗液消耗速率觀察曲線圖，從120 m開始進(jìn)行本次漏液量觀察，T2孔采后整個(gè)鉆孔沖洗液消耗速率變化可以分為3個(gè)時(shí)段：

（1）時(shí)段1?？咨罘秶?20～155.41 m，沖洗液消耗速率較小，鉆井液返水正常，孔深至124.39 m時(shí)，沖洗液消耗速率產(chǎn)生突變，最大沖洗液消耗量達(dá)到1.137 m3/h，單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺最大沖洗液消耗速率為0.051 4 L/（s·m）。此時(shí)段相比于T1孔采前孔，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率與鉆孔液沖洗液消耗速率均上升了1個(gè)數(shù)量級。

（2）時(shí)段2。孔深范圍在155.41～282.43 m，沖洗液消耗速率不斷變化，返水量顯著降低。最小沖洗液消耗量為1.131 m3/h，最大為1.693 m3/h，平均為1.378 m3/h；單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺最小沖洗液消耗速率為0.029 5 L/（s·m），最大為0.057 1 L/s·m，平均為0.037 2 L/s·m。

（3）時(shí)段3?？咨罘秶?82.43～351.71 m，沖洗液消耗速率抵達(dá)最大值，鉆井液未返水。沖洗液消耗量超過8 m3/h，單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率為0.086 5～1.453 L/（s·m）。在這個(gè)時(shí)段，沖洗液消耗速率達(dá)到最大值。單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率是原來的2倍。隨著鉆探向前推進(jìn)，單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率持續(xù)震蕩。

3.3 T3孔鉆井沖洗液消耗速率觀察

T3孔為“兩帶”發(fā)育擴(kuò)展長度測試鉆孔，在回采經(jīng)過該孔所在位置6個(gè)月后開始施工。施工位置距離T1孔偏西225 m處。在施工過程中，進(jìn)行取心及沖洗液消耗速率觀察等相關(guān)試驗(yàn)。該孔終孔處于2煤回采后垮落帶內(nèi)，終孔深度達(dá)到361.00 m。

對圖4中T3孔鉆井沖洗液消耗速率觀察曲線圖分析可知，整個(gè)鉆孔沖洗液消耗速率變化可以分為3個(gè)時(shí)段：

（1）時(shí)段1?？咨罘秶?20～155.81 m，在120 m之前沖洗液消耗速率較小，返水正常，當(dāng)孔深為124.41 m時(shí)，沖洗液消耗速率突增，最大沖洗液消耗量達(dá)到0.482 m3/h，單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺最大沖洗液消耗速率達(dá)到0.032 8 L/（s·m）。相比于T1孔采前孔，該時(shí)段鉆井沖洗液消耗速率與單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率均增加了1個(gè)量級，說明附近巖層受到了回采的影響，原巖完整性降低。有裂隙貫通擴(kuò)展，然而連通性差。

（2）時(shí)段2?？咨罘秶?55.81～279.61 m，沖洗液消耗速率持續(xù)升高，返水量降低。最小沖洗液消耗量為0.482 m3/h，最大為1.791 m3/h，平均為0.991 m3/h；單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺最小沖洗液消耗速率為0.013 1 L/（s·m），最大為0.027 1 L/（s·m），平均為0.026 2 L/（s·m）。與1孔采前孔相同層段沖洗液消耗速率對比，鉆孔液沖洗液消耗速率與單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率均有顯著提高，說明該段巖層受到煤層回采影響，導(dǎo)致原巖完整性被破壞，裂隙發(fā)育擴(kuò)展。

（3）時(shí)段3?？咨罘秶?79.52～357.0 m，沖洗液消耗速率激增，沖洗液消耗量大于8 m3/h，平均沖洗液消耗量達(dá)到6.861 m3/h，單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺平均沖洗液消耗速率為0.189 L/（s·m）。沖洗液消耗速率與單位時(shí)間下，單位進(jìn)尺沖洗液消耗速率顯著提高。之后沖洗液消耗速率達(dá)到最大值。

3.4 鉆井沖洗液消耗速率對比分析

對比3個(gè)鉆孔鉆進(jìn)進(jìn)程中沖洗流體沖洗液消耗量（圖5），T1孔表示地層原生裂縫發(fā)育程度，T2孔與T3孔表示采動(dòng)影響下頂板巖層受到擾動(dòng)與破壞后裂縫的發(fā)育程度，能夠看出，當(dāng)垂深290 m以上時(shí)，T2孔與T3孔沖洗液消耗量與T1孔較為接近，代表巖層完整性較高，當(dāng)垂深280 m以下時(shí)，T2孔與T3孔沖洗液消耗量隨著孔深增加而注漿增大，直至沖洗流體全部漏失，未出現(xiàn)反水現(xiàn)象。此刻代表巖層受破壞程度提高，依據(jù)沖洗液消耗速率，可以大致判斷水流裂縫帶頂部處于垂深280 m以下，精確位置需要使用壓水試驗(yàn)進(jìn)一步確定。

4 結(jié) 論

工作面回采水流裂縫帶發(fā)育長度范圍在104.36～110.37 m，裂采比范圍在32.61～34.49 m。水流裂縫帶

頂部處于直羅組地層范圍中，距離安定組地層底部41～46 m，距離白堊系地層底部151～157 m，距離第三系離石組地層底部180～186 m，距離第四系薩拉烏蘇組地層底部189～195 m。煤層回采未對白堊系含水層、薩拉烏蘇組含水層造成擾動(dòng)與損害。應(yīng)加強(qiáng)對裂縫帶發(fā)育擴(kuò)展范圍內(nèi)的直羅組地層水防治工作。