利用“鉆孔雙端封堵測漏裝置”觀測“兩帶”高度

利用“鉆孔雙端封堵測漏裝置”觀測“兩帶”高度

王文龍，龐樹臣
（山東能源臨礦集團田莊煤礦，山東 濟寧 272100）

如何準確開采后的覆巖冒裂帶發(fā)育高度，現(xiàn)場實測是一種極為重要的手段。提出的“鉆孔雙端封堵測漏”法具有工程量少，精度高等優(yōu)點，具有很高的推廣應用價值。

雙端封堵測漏；兩帶高度；精度；推廣應用

前言

我們本次觀測擬采用井下“鉆孔雙端封堵測漏裝置”鉆孔（仰孔）分段注水法，是在煤礦井下采煤工作面周圍選擇合適的觀測場所，例如可在相鄰工作面的順槽或所測工作面的停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆窩，向采空區(qū)上方打仰斜鉆孔。鉆孔應避開垮落帶區(qū)域而斜穿導水裂縫帶，達到預計的導水裂縫帶頂界以上一定高度，如圖1所示。使用“鉆孔雙端封堵測漏裝置”沿鉆孔進行分段封堵注水，測定鉆孔各段的漏失流量，以此了解巖石的破裂松動情況，確定導水裂縫帶的上界高度。

圖1 井下鉆孔法觀測示意圖

1 鉆孔雙端封堵測漏裝置的優(yōu)點

“鉆孔雙端封堵測漏裝置”是進行井下仰孔分段注水觀測的主要設備，它包括孔內(nèi)封堵注水探管和孔外控制閥門及觀測儀表系統(tǒng)。孔內(nèi)封堵注水探管兩端有兩個互相連通的膠囊，平時處于靜止收縮狀態(tài)，呈圓柱形，可用鉆桿或人力推桿將其推移到鉆孔任何深度。通過細徑耐壓軟管、調(diào)壓閥門和指示儀表向膠囊壓水或充氣，可使探管兩端的膠囊同時膨脹成橢球形栓塞，在鉆孔內(nèi)形成一定長度（設計為1m）的雙端封堵孔段。通過鉆桿或人力空心推桿（兼作注水管路）、調(diào)壓閥門和壓力流量儀表向封堵孔段進行恒壓注水，可以測出單位時間注入孔段并經(jīng)孔壁裂隙漏失的水量。

2 覆巖導水裂縫帶高度預計

覆巖導水裂縫帶高度的大小是關系到開采工作安全與否的一個重要因素，并由此決定了覆巖安全保護層帶的厚薄或存在與否，根據(jù)山東科技大學多年來對覆巖導水裂縫帶高度的研究，認為受采動影響上覆巖層連續(xù)性遭到破壞，在層面方向上產(chǎn)生離層破壞，而在垂直方向上受剪切及層向拉力的作用，形成垂直的覆巖破壞帶。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，導水裂縫帶高度應根據(jù)覆巖類型按下面公式計算：

煤層頂板上覆巖層類型為堅硬時：

式中：HLi——導水裂縫帶高度（m）

∑M——累計采厚(m)

根據(jù)武所屯生建煤礦16105工作面的開采參數(shù)及地質(zhì)采礦條件，工作面頂板巖層為十下灰，巖性、厚度變化均較小，巖石致密堅硬，屬于堅硬類型，煤層厚度按0.85m考慮，由公式(1)計算可得煤層開采后覆巖裂縫帶高度為28.1±8.9m。因此，在設計觀測孔時，主要對覆巖采動破壞高度在20～35m范圍內(nèi)的覆巖破壞情況進行控制研究。

3 觀測工程設計

3.1 觀測工程布置

觀測剖面位置的確定首先應考慮采前、采后觀測鉆孔施工的可行性與觀測的方便性，其次要考慮鉆孔開工處（鉆窩）圍巖的完整性，以便于巷道硐室的維護和觀測孔孔口的完整，還應考慮水源、通風行人的方便。綜合考慮上述因素，決定將觀測剖面設在16105上順聯(lián)絡巷里，武所屯村莊保護煤柱中，大約距停采線15m處。直接在16105上順聯(lián)絡巷內(nèi)施工采前、采后觀測鉆孔，采前孔布置在16105上順聯(lián)絡巷未采動一側(cè)。

3.2 觀測鉆孔的設計與施工

采前鉆孔用于觀測未受采動影響的煤層覆巖巖層的原始裂隙狀態(tài)，以作為采后觀測對比的基礎；采后觀測用于控制覆巖導水裂縫帶的最大發(fā)育深度，應在采后覆巖移動基本穩(wěn)定后施工。根據(jù)武所屯生建煤礦基巖塌陷角數(shù)值，基巖上山方向移動角77°，基巖下山方向移動角74°，基巖走向方向移動角75°，以及預計的導水裂縫帶發(fā)育高度，繪制了16105工作面沿走向的覆巖裂隙破壞發(fā)育示意圖。

4 導水裂縫帶高度觀測資料分析

4.1 16105工作面采動覆巖裂縫帶高度觀測結(jié)果

本次觀測設置為采前孔、采后孔觀測，采前鉆孔用于觀測未受采動影響的煤層覆巖巖層的原始裂隙狀態(tài)，以作為采后觀測對比的基礎；采后觀測用于控制覆巖導水裂縫帶的最大發(fā)育高度。

4.2 觀測資料分析

根據(jù)已經(jīng)取得的觀測數(shù)據(jù)，對照煤層頂板的巖層分布對三個觀測鉆孔的注水漏失量情況進行了定量和定性分析，結(jié)果如下。

A.采前孔（1#）

設計的采前1號孔開孔位置在16105上順聯(lián)絡巷里，方位垂直上順聯(lián)絡巷向著16105工作面未開采區(qū)方向，傾角30° 。根據(jù)測試結(jié)果，采前1號孔在整個孔段均有大小不一的漏失量，注水漏失量大多在每米孔段1L/m in以上。根據(jù)施工過程中的頂板巖層情況以及漏失量的大小，判斷注水漏失量大的范圍內(nèi)有可能是原生裂隙的存在或受16105工作面采動引起的微弱影響，同時也不排除個別孔段封堵裝置封閉效果不好，導致注水有漏失。另外還有可能就是鉆孔施工位置恰好位于堅硬頂板斷裂處，硬巖中的原始裂隙或采動裂隙即使受采動影響也很難再次閉合，從而形成永久性的裂隙發(fā)育地帶。

B.采后孔（2#）

設計的采后2號孔開孔位置在16105上順聯(lián)絡巷里，方位垂直上順聯(lián)絡巷向著16105工作面采空區(qū)方向，傾角35° 。根據(jù)測試結(jié)果，采后2號孔從孔深15-18m有明顯漏水，漏失量均在5L/m in以上，說明該段巖層已經(jīng)遭到破壞，而在19.5-27m之間，漏失量均在5L/m in以下，在孔深28.5m-33m之間，呈連續(xù)明顯漏水，最大漏水位置在孔深33m處，漏失量明顯減少則從孔深34.5m開始。

因此以孔深33m為采后1號孔實測裂縫帶上界，該孔傾角35°,此處至煤層頂界的垂高為18.93m，裂縫帶最發(fā)育層位位于孔深28.5-33.0m段。

C.采后孔（3#）

設計的采后3號孔開孔位置在16105上順聯(lián)絡巷里，方位垂直上順聯(lián)絡巷向著16105工作面采空區(qū)方向，傾角30° 。在孔深13.5-28.5m之間均有明顯漏水，漏失量大多在5L/min以上，說明該段巖層已經(jīng)遭到破壞，而在30.0-30.15m之間，漏失量稍微減小，在孔深33m-37.5m之間，呈連續(xù)明顯漏水，最大漏水位置在孔深37.5m處，漏失量明顯減少則從孔深39m開始。

因此,以孔深37.5m為采后1號孔實測裂縫帶上界，該孔傾角30°,此處至煤層頂界的垂高為18.75m，裂縫帶最發(fā)育層位位于孔深33.0-37.5m段。

5 采動覆巖裂縫帶分布規(guī)律

實測資料表明，16105工作面上覆巖層在采礦活動影響下，覆巖導水裂縫帶呈現(xiàn)整體連續(xù)性破壞特征，由于頂板巖層堅硬，大部分為灰?guī)r和砂巖，其中堅硬巖層在直接頂板巖層30m厚的范圍內(nèi)有20m之多，是導致工作面開采后裂縫帶發(fā)育高度偏大的主要原因。

[1] 姜福興主編.礦山壓力與巖層控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2004.

[2] 譚云亮，石永奎，宋志安.現(xiàn)場礦山壓力信息分析及預測模型[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1996.

[3] 陳炎光，陸士良，徐永圻.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1994.

王文龍（1985-），男，山東成武縣人，大學本科學歷，助理工程師，從事煤礦地質(zhì)、防治水技術管理工作。