金辛達(dá)煤業(yè)201 工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育研究

高剛剛

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 金辛達(dá)煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

1 概 況

水害是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，同時(shí)我國(guó)也是世界上煤礦水害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。近年來(lái)，隨著煤礦資源開(kāi)采規(guī)模的逐漸增大以及布置大采寬工作面的發(fā)展趨勢(shì)，造成了煤層頂?shù)装鍑鷰r裂隙帶規(guī)模的增大，致使礦井水害的危險(xiǎn)程度增大，煤礦水害事故日益增多。生產(chǎn)實(shí)踐表明，煤礦頂?shù)装逋凰c圍巖運(yùn)動(dòng)破壞和導(dǎo)水裂縫帶密切相關(guān)，如果導(dǎo)水裂縫帶連通上部老窯水、含水層等，往往會(huì)發(fā)生突水事故。

金辛達(dá)煤業(yè)位于呂梁山南段東側(cè)，山高溝深，地形復(fù)雜，森林、植被發(fā)育，最高點(diǎn)在井田北西部的山梁，標(biāo)高1 420.5 m，最低點(diǎn)位于西部西溝村河床，標(biāo)高1 182.0 m，相對(duì)高差238.50 m，屬中山區(qū)。井田內(nèi)交通便利，地處山西省西部，主采煤層為2 號(hào)煤和11 號(hào)煤。最近主要采掘區(qū)域?yàn)?01工作面，回采煤層為2 號(hào)煤層。采掘區(qū)域上方存在山谷地形，2 號(hào)煤層回采過(guò)程中存在溝通頂板局部富水區(qū)域和地表水體的危險(xiǎn)，下方11 號(hào)煤層回采過(guò)程中有可能溝通上部2 號(hào)煤層采空區(qū)積水并誘發(fā)2 號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育進(jìn)而溝通地表水體的危險(xiǎn)。因此，掌握煤層開(kāi)采上覆巖層導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律是金辛達(dá)煤業(yè)礦井水害防治和保水開(kāi)采的基礎(chǔ)；掌握含水層及隔水層空間賦存結(jié)構(gòu)、揭示導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律是保障金辛達(dá)煤礦安全高效及綠色開(kāi)采的重要基礎(chǔ)。

2 201 工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育

2.1 201 工作面回采現(xiàn)狀

金辛達(dá)煤業(yè)201 回采工作面位于井田北部，地面相對(duì)位置是山脈和溝壑，工作面回采1 886 m處地面為狼凹村。如圖1 所示，201 回采工作面走向長(zhǎng)2 403 m，傾向長(zhǎng)260 m，地面標(biāo)高為+1 279—+1 402 m。工作面對(duì)應(yīng)地面整體地勢(shì)中間高兩邊低。

圖1 201 工作面采掘工程平面示意Fig.1 The plane of mining and excavating engineering in No.201 face

201 回采工作面東部為井田邊界，與晉牛煤業(yè)毗鄰；西部為停采線，與2 號(hào)輔運(yùn)大巷毗鄰，南部為原鑫溝煤礦2108 進(jìn)風(fēng)順槽與原鑫溝煤礦2106 工作面采空區(qū)；北部為202 回采工作面（未采）。根據(jù)201 輔運(yùn)、膠帶順槽、切眼掘進(jìn)期間實(shí)際揭露情況可知，201 工作面煤層總厚0.9～1.2 m，平均厚度1.05 m，煤層傾角0～3°，起伏相對(duì)較緩。煤層頂?shù)装寰唧w情況見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 The situation of coal seam roof and floor

工作面回采到2 167 m 處（201 輔運(yùn)順槽）、回采到2 224 m 處（201 膠帶順槽） 遇S1 背斜軸，位于井田西北部，兩翼基本對(duì)稱，地層傾角7°～11°，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度約2.0 km，軸部出露地層為P2s1。工作面回采期間，會(huì)受褶曲構(gòu)造的影響，回采起伏較大。201 工作面斷層帶水是直接充水水源，對(duì)工作面回采有一定影響。

2.2 201 工作面采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律

水源、水量、導(dǎo)水通道是礦山突水問(wèn)題中的3個(gè)基本要素。金辛達(dá)煤業(yè)201 工作面的水源和水量通過(guò)物探、鉆探、地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)等水文地質(zhì)勘探手段獲??；對(duì)于工作面內(nèi)除斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造類導(dǎo)水通道外，采動(dòng)裂隙萌生、擴(kuò)展、匯集能否形成導(dǎo)水通道是該工作面水害防治的關(guān)鍵，因此有必要探討工作面采動(dòng)的裂隙演化規(guī)律。

如圖2 所示，冒落帶隨著煤層的回采受力不均，會(huì)掉落下不定形狀的巖塊，冒落帶是煤層頂板最下方的巖層，貼合煤層工作面。隨著掉落的巖石被不斷壓實(shí)，將慢慢形成新的頂板。冒落帶的上方連接為裂隙帶，組成裂隙帶的巖石結(jié)構(gòu)差異較大。在裂隙帶的上層是彎曲下沉帶，這一層巖體在自身重力的作用下產(chǎn)生彎曲變形但不再破裂。

圖2 201 工作面覆巖裂隙區(qū)域劃分示意Fig.2 Overlying strata fracture area division of No.201 Face

3 201 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

目前，關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定主要通過(guò)工程地質(zhì)比擬、相似材料模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬、工程現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)等方法確定。

根據(jù)已知金辛達(dá)煤業(yè)地質(zhì)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)環(huán)境，201 工作面采用井下仰孔注水測(cè)漏法和鉆孔電視觀測(cè)法對(duì)其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行探測(cè)。

3.1 井下仰孔注水側(cè)漏法

3.1.1 方法介紹

井下仰孔注水測(cè)漏法是在工作面周?chē)南锏乐邢蚬ぷ髅鎯?nèi)部斜上方打孔，使鉆孔穿過(guò)裂隙帶的一種方法，這種方法在導(dǎo)水?dāng)嗔褞в^測(cè)中使用廣泛，如圖3 所示。

圖3 井下仰孔注水測(cè)漏法示意Fig.3 The schematic of underground upward hole water injection leak detection method

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方案設(shè)計(jì)

201 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)設(shè)計(jì)2 個(gè)鉆孔，鉆桿直徑63.5 mm，鉆孔直徑110 mm。由于鉆孔深度較大，為了防止鉆孔塌陷破壞，每完成1個(gè)鉆孔后，隨即進(jìn)行注水觀測(cè)，依次完成各鉆孔的觀測(cè)試驗(yàn)工作。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，201 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度處于煤層頂部43.47 m 處，再考慮一定的富余系數(shù)，設(shè)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶觀察孔與煤層垂距為55 m。如圖4 所示，設(shè)計(jì)2 個(gè)向工作面采空區(qū)方向的觀測(cè)孔，鉆孔仰角分別為58.4°和54.9°，測(cè)試導(dǎo)水裂隙帶的最大高度。

圖4 201 工作面觀測(cè)鉆孔布置剖面示意Fig.4 The profile of observation borehole layout in No.201 face

3.1.3 數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析

依照設(shè)計(jì)施工鉆孔，通過(guò)分析各測(cè)孔校正后的結(jié)果數(shù)據(jù)，可確定最大導(dǎo)水裂隙帶高度。

（1） 1 號(hào)鉆孔裂隙帶實(shí)測(cè)及分析。1 號(hào)孔的觀測(cè)由下往上進(jìn)行，即從鉆孔深度33 m 至53 m 依次分段觀測(cè)，觀測(cè)到孔深53 m 時(shí)停止，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2 和圖5。

表2 1 號(hào)孔注水觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of water injection observation in No.1 hole

圖5 1 號(hào)鉆孔注水漏失量示意Fig.5 The schematic diagram of No.1 borehole water injection leakage

依據(jù)表2 和圖5 可知，當(dāng)孔深由45 m 推進(jìn)到46 m 時(shí)，注水漏失量由11.5 L/min 突然下降到5.2 L/min，且孔深46 m 后的鉆孔注水漏失量無(wú)上升，由此將鉆孔觀測(cè)范圍內(nèi)的注水漏失量分為注水漏失量大的I 階段與漏失量小的II 階段。

I 階段孔深為33～45 m，垂高28.11～38.33 m，鉆孔注水漏失量8.9～14.8 L/min，巖層注水漏失量較大，說(shuō)明鉆孔穿過(guò)了裂隙帶，該范圍內(nèi)巖層裂隙較為發(fā)育，導(dǎo)水性較強(qiáng)；II 階段孔深為46～53 m，垂高39.18～45.14 m，鉆孔注水漏失量為2.9～5.2 L/min，注水漏失量較小，表明該范圍內(nèi)巖層裂隙不發(fā)育，導(dǎo)水性較弱，裂隙帶發(fā)育高度未到此處。

在觀測(cè)過(guò)程中，鉆孔深度由45 m 增加至46 m時(shí)，即垂高從38.33 m 增至39.18 m 時(shí)，巖層的漏失量由11.5 L/min 驟減至5.2 L/min，說(shuō)明39.18 m為1 號(hào)觀測(cè)孔測(cè)到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度。

（2） 2 號(hào)鉆孔裂隙帶實(shí)測(cè)及分析。同理，2 號(hào)孔的觀測(cè)由下往上進(jìn)行，即從鉆孔深度35 m 至53 m 依次分段觀測(cè)，觀測(cè)到孔深53 m 時(shí)停止，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3 和圖6。

表3 2 號(hào)孔注水觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of water injection observation in No.2 hole

圖6 2 號(hào)鉆孔注水漏失量示意Fig.6 The schematic diagram of No.2 borehole water injection leakage

根據(jù)表3 和圖6 顯示，同樣可分為兩階段。I階段孔深35～46 m，垂高28.64～37.63 m，巖層注水漏失量為8.8～15.6 L/min，巖層注水漏失量較大，表明觀察鉆孔穿過(guò)裂隙帶，說(shuō)明此范圍內(nèi)巖層次生裂隙較為發(fā)育，巖層的導(dǎo)水性能較強(qiáng)；II 階段孔深47～53 m，垂高38.45～43.36 m，巖層注水漏失量為3.7～5.6 L/min，巖層注水漏失量較小，表明此階段范圍內(nèi)巖層次生裂隙不發(fā)育，巖層內(nèi)主要為原生裂隙，巖層的導(dǎo)水能力較小，說(shuō)明裂隙帶發(fā)育高度未波及到此。

在觀測(cè)過(guò)程中，鉆孔深度由46 m 增加至47 m時(shí)，即垂高從37.63 m 增至38.45 m 時(shí)，巖層的滲水量由13.2 L/min 減小到5.2 L/min，說(shuō)明38.45 m為2 號(hào)鉆孔觀測(cè)到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度。

3.2 鉆孔電視觀測(cè)法

3.2.1 方法介紹

鉆孔電視成像儀器可對(duì)鉆孔內(nèi)壁進(jìn)行全程錄像，并可對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行抓拍，用于探測(cè)鉆孔的成孔質(zhì)量及效果，測(cè)量鉆孔在地層中的軌跡和深度，觀測(cè)裂隙的大小和方向等。這種方法適合上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶等的探測(cè)。

3.2.2 鉆孔電視實(shí)測(cè)成果分析

（1） 1 號(hào)鉆孔實(shí)測(cè)成果分析。

使用GD3Q-GA 鉆孔電視對(duì)1 號(hào)鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，拍攝錄像40 min，觀測(cè)深度65.24 m，通過(guò)觀看錄像甄別截取主要觀測(cè)成果，具體如圖7所示。

圖7 1 號(hào)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖像Fig.7 Field observation image of No.1 borehole

從圖7 可以看出，孔深7.2 m 和27.3 m 處的鉆孔內(nèi)壁完整，觀察不到裂隙，說(shuō)明從開(kāi)孔位置到孔深27.3 m 位置，鉆孔內(nèi)裂隙不發(fā)育。孔深29.6 m和45.6 m 處的鉆孔內(nèi)壁存在裂隙，可觀察到明顯的橫向離層裂隙，利用三角函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，孔深29.6 m 位置與采空區(qū)的垂直距離為25.1 m，該范圍內(nèi)的巖層由上往下是砂質(zhì)泥巖和石灰?guī)r，推測(cè)此橫向離層裂隙為受采動(dòng)影響的砂質(zhì)泥巖和石灰?guī)r產(chǎn)生的離層裂隙，說(shuō)明孔深29.6 m 位置已處于采空區(qū)上方，進(jìn)入了導(dǎo)水裂隙帶范圍。孔深29.6 m 和45.6 m 處裂隙較為發(fā)育，說(shuō)明此階段處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)?？咨?5.6 m 后不存在明顯的裂隙，說(shuō)明孔深45.6 m 之后的鉆孔不在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)。因此判斷孔深45.6 m 處為導(dǎo)水裂隙帶頂部，與采空區(qū)的垂直距離為38.71 m，這與1 號(hào)孔漏失量觀測(cè)的結(jié)果基本一致。

（2） 2 號(hào)鉆孔實(shí)測(cè)成果分析。

使用GD3Q-GA 鉆孔電視對(duì)2 號(hào)鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，拍攝錄像36 min，觀測(cè)深度達(dá)到63.51 m，通過(guò)觀看錄像甄別截取，具體如圖8 所示。

圖8 2 號(hào)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖像Fig.8 Field observation image of No.2 borehole

從圖8 可以看出，從開(kāi)孔位置到孔深27.5 m位置，鉆孔內(nèi)裂隙不發(fā)育；從孔深27.5 m 至孔深45.7 m，裂隙較為發(fā)育，以橫向離層裂隙為主，橫向和豎向裂隙交叉分布，部分段較為破碎；從45.7 m 往上至孔底，孔壁保持較完整，部分孔壁出現(xiàn)原生微小裂隙?？咨?5.7m 為導(dǎo)水裂隙帶頂部，與采空區(qū)的垂直距離為37.4 m，與2 號(hào)孔通過(guò)漏失量觀測(cè)的結(jié)果基本一致。

3.3 201 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度確定

此次對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)鉆孔進(jìn)行注水漏失量觀測(cè)和鉆孔電視觀測(cè)，2 個(gè)鉆孔通過(guò)兩種方法觀測(cè)到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相互驗(yàn)證，最終確定201 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為39.18 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以金辛達(dá)煤礦2 號(hào)煤層頂板水害防治為研究背景，通過(guò)對(duì)201 工作面采動(dòng)覆巖裂隙的研究，總結(jié)出其導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，綜合采用2 種實(shí)測(cè)手段確定了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，研究成果豐富了巖層控制理論與頂板突水機(jī)理有著重要的理論意義，對(duì)防治水工程實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義，為煤礦安全高效開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。