深部厚沖積層下綜放開采導水裂隙帶高度實測

魯建國 李飛帆 張新國,3 李 飛 龐振忠

(1.內(nèi)蒙古煤礦設計研究院有限責任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010010；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

深部厚沖積層下綜放開采導水裂隙帶高度實測

魯建國1李飛帆2張新國2,3李 飛2龐振忠2

(1.內(nèi)蒙古煤礦設計研究院有限責任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010010；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

為確定厚沖積層下深部厚煤層綜放開采導水裂隙帶發(fā)育高度，以新巨龍煤礦1302N工作面為工程背景，采用井下仰孔雙端封堵分段注水測漏觀測方法，對深部厚沖積層下厚煤層綜放工作面導水裂隙帶高度進行了現(xiàn)場實測。觀測結果表明：采前孔受采動影響小裂隙發(fā)育較弱，鉆孔漏損量變化不明顯；采后孔受采動影響裂隙發(fā)育顯著，鉆孔漏損量變化呈現(xiàn)穩(wěn)定—突然增大—穩(wěn)定—突然減小—穩(wěn)定的過程；鉆孔漏損量結果表明，導水裂隙帶發(fā)育呈現(xiàn)“馬鞍形”狀態(tài)，最大發(fā)育高度94.65 m，裂采比為10∶1。

深部厚沖積層下 綜放開采 雙端封堵測漏 導水裂隙帶 裂采比

工作面回采之后上覆巖層發(fā)生變形、移動與破斷，根據(jù)上覆巖層移動變形情況將回采結束后的上覆巖層分為“三帶”，即垮落帶、裂隙帶和緩沉帶；若開采引起的覆巖裂隙與含水層或含水體溝通，將會造成工作面一定的突水威脅。

導水裂隙帶發(fā)育高度的形成主要與覆巖特性、煤層條件、采煤方法、地質(zhì)情況以及含水層水頭壓力等因素相關，目前常用的確定導水裂隙帶高度方法有“三下采煤規(guī)程”公式計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等。施龍青等綜合考慮開采影響和巖石性質(zhì)等因素推導出了導水裂隙帶理論計算公式，相關研究對導水裂隙帶發(fā)育高度合理確定有促進作用。欒元重等使用井下仰孔測漏水量方法得出近距離煤層開采導水裂隙帶高度，方法準確便于操作。高保彬等先后采用經(jīng)驗公式計算、井下封堵鉆孔分段注(放)液裂隙測量系統(tǒng)及鉆孔電視探測系統(tǒng)對工作面回采前后上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度進行現(xiàn)場實測，綜合分析合理確定了水體下導水裂隙帶高度。張安斌等使用經(jīng)驗公式預測、物理相似模擬試驗和UDEC數(shù)值模擬分析對巨厚松散層下開采覆巖運移規(guī)律和導水裂隙帶高度進行綜合分析。陳榮華等運用巖石破斷過程分析軟件RFPA2D模擬上覆巖層的破壞、彎曲情況，最終得出覆巖導水裂隙帶高度。呂廣羅等應用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測及井下窺視，對深埋特厚煤層綜放開采頂板導水裂隙帶發(fā)育高度進行探測。許武等研究認為導水裂隙帶最大高度預計經(jīng)驗公式是對規(guī)范或規(guī)程頒布以前礦井覆巖破壞規(guī)律的經(jīng)驗總結，已不能適應當今高產(chǎn)高效礦井高強度開采的條件。熊曉英等詳細闡述鉆孔注水探測的觀測方法及具體步驟。鉆孔注水法探測與其他方法相比操作簡單，施工方便，結果可靠。

本文以新巨龍煤礦深部厚沖積層下1302N工作面綜放開采為工程背景，在“三下采煤規(guī)程”經(jīng)驗公式的基礎上進行了觀測方案的設計，采用鉆孔雙端封堵測漏裝置對導水裂隙帶進行實際觀測，確定了深部厚沖積層下綜放開采合理的裂采比。

1 工程概況

1.1 工作面概況

新巨龍煤礦1302N工作面主采3#煤層，煤層傾角平均為3°，走向長度2570 m，傾斜寬度258 m，煤層平均厚度為9.4 m。基本頂為中砂巖，厚度28.5 m；直接頂和偽頂為粉砂巖，厚1.3 m；直接底為泥巖，厚2.52 m；基本底為細砂巖，厚8.5 m。

1.2 水文地質(zhì)情況

第四系(Q)厚度為150.6～170.1 m，主要由粘土、粉細砂層、砂礫層組成。新近系厚度為386.5～579.3 m，由粘土、砂質(zhì)粘土和砂礫層相間沉積而成，以厚層粘土為主，多呈半固結狀態(tài)。二疊系上、下石盒子組厚度為463.9 m，主要由細、中、粗砂巖組成。3#煤層頂板砂巖裂隙含水層(“三砂”)厚度為2.50～51.94 m，平均為27.56 m，巖性一般以細砂巖、中砂巖及細砂巖和粉砂巖互層為主，少數(shù)局部為粗砂巖，富水性較強，裂隙局部發(fā)育，富水性不均一。

1302N工作面開采的直接充水含水層是3#煤層的頂板砂巖(“三砂”)，間接充水含水層為新近系松散含水層。井筒施工時最大涌水量為81 m3/h，回風大巷揭露“三砂”最大涌水量為195 m3/h，屬于弱—中等富水的裂隙—孔隙承壓含水層，構造裂隙發(fā)育區(qū)域頂板淋水較大。

2 觀測方案設計

2.1 觀測方法

導水裂隙帶高度觀測采用井下仰孔雙端封堵分段注水觀測的方法，觀測中使用鉆孔雙端封堵測漏裝置沿提前施工好的鉆孔進行上行依次封堵注水，通過測得各段加壓注水后的漏損量，了解上覆巖層的裂隙狀況，最終確定裂縫帶的發(fā)育頂界高度，觀測原理及儀器結構如圖1所示。

圖1 觀測原理及儀器結構

該裝置由充氣通路和注水通路兩部分組成。充氣通路由高壓充氣控制儀和孔內(nèi)封堵氣囊組成；注水通路由高壓注水控制儀、移動推桿和孔內(nèi)注水管組成。

2.2 觀測位置選擇

施工觀測位置的選擇首先應考慮鉆孔施工地點(鉆窩)圍巖是否破碎，保證巷道硐室的維護簡便和觀測孔孔口圍巖完整，同時應考慮井下系統(tǒng)、行人安全及施工方便等，還應為施工與觀測留有一定的富裕時間。由于鉆孔施工量和工作面施工條件所限(鉆孔施工傾角不宜過大，在45°～50°之間)，綜合考慮最終將施工觀測點位置設計在1303N聯(lián)絡巷2內(nèi)，其距離1302N上平巷內(nèi)側40 m，施工地點如圖2所示。

圖2 鉆孔布置平面圖

2.3 觀測孔設計

根據(jù)鉆孔施工可知，1302N工作面頂板覆巖主要由細砂巖、粉砂巖等組成，推測3#煤層覆巖屬于中硬偏硬頂板。為保證觀測邊界超過實際破壞帶高度，按“三下采煤規(guī)程”堅硬頂板裂縫帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式進行預計：

式中：Hsh——導水裂隙帶高度，m；

M——累計采厚，取9.4 m。

由式(1)和式(2)計算得到裂隙帶破壞預計高度61.9～101.8 m。為測出一定距離的完整原巖孔段作為裂隙帶發(fā)育的頂界依據(jù)，并防止出現(xiàn)覆巖破壞高度過大等異常情況發(fā)生，應加大鉆孔施工深度，最終設計延長5～10 m的鉆孔垂直深度，因此實際最大控制高度為111.8 m。根據(jù)覆巖運動規(guī)律，堅硬覆巖破壞后重新穩(wěn)定的過程受開采厚度、覆巖性質(zhì)、開采方式等因素的影響，穩(wěn)定期一般在1～3個月。因此，在穩(wěn)定期第2個月左右施工鉆孔比較合適。1302N工作面傾角平均為3°，屬于緩傾斜煤層，其穩(wěn)定形態(tài)總體上為典型的“馬鞍型”，但由于煤厚、采深等條件以及上覆巖層自身與相互組合強度的不同，使得裂隙帶最高點在采空區(qū)邊界的位置(邊界內(nèi)、外還是邊界上)不同。最終預計本工作面裂隙帶“馬鞍型”為先由煤體內(nèi)部向外偏移、之后邊界逐漸向煤體回攏，且最高點在開采邊界采空區(qū)稍內(nèi)側的形態(tài)。

覆巖導水裂縫帶高度實際觀測設計鉆孔共3個(1#～3#)，包括采前孔(1#)和采后孔(2#和3#)。設計施工鉆孔向采空區(qū)傾斜，鉆孔斜長應不小于理論計算值，鉆孔垂直深度要確保能觀測完整裂縫帶高度，鉆孔設計如表1和圖3所示。

表1 觀測剖面鉆孔要素

圖3 鉆孔布置剖面圖

3 現(xiàn)場實測

3.1 觀測孔施工

根據(jù)測前預計，考慮到1303N工作面聯(lián)絡巷2內(nèi)鉆窩位于1302N采空區(qū)外，鉆窩上覆巖層比較完整，鉆孔淺部裂隙發(fā)育較小。因此，采前孔(1#)和采后孔(2#和3#)是從孔口向鉆孔內(nèi)分別推進50 m、50 m和53 m后開始觀測的。

3.2 現(xiàn)場觀測

(1)觀測前，將各個設備組裝完畢，管路系統(tǒng)連接通暢并檢查堵水器及各管路接頭有無漏水之處，若有漏水之處應加以排除。準備工作提前做好，鉆孔施工完成后沖洗鉆孔，保證孔內(nèi)無碎石，沖洗完成后立即進行封堵注水觀測，避免時間過長造成鉆孔局部垮落或變形。

(2)觀測時，首先通過加壓氣囊使其膨脹封堵測段的兩端；之后通過注水管路向兩氣囊之間測段恒壓注水，讀取并記錄注水流量，即該孔段注水漏損量。現(xiàn)場操作時應注意注水壓力值不要高于氣囊充氣的壓力值，否則觀測易失效。每測定一個孔段后，將卸壓收縮后的氣囊依次推送至下一測段繼續(xù)觀測，如此循環(huán)，直至測出整個鉆孔各段的注水漏損量。

(3)觀測后將讀取的鉆孔漏損量記錄并整理。

4 觀測結果分析

通過整理觀測數(shù)據(jù)，得到了1302N綜放工作面鉆孔的注水漏損量成果如圖4、5所示。

圖4 采前孔分段漏損量成果圖

圖5 采后孔分段漏損量成果圖

通過對最終觀測數(shù)據(jù)和鉆孔分段漏損量變化分析可以得出：1#采前孔基本不受采動影響，因此巖層保持相對完整，裂隙并不發(fā)育，鉆孔分段漏損量變化不明顯，主要是流入上覆巖層的原生裂隙中。回采結束后，上覆巖層變形、破壞，產(chǎn)生大量新生裂隙，相同深度下2#和3#鉆孔的注水漏損量明顯比1#鉆孔的漏損量要大。2#和3#鉆孔的注水漏損量變化是個由穩(wěn)定—突然增大—穩(wěn)定—突然減小—穩(wěn)定的過程。分析可知，鉆孔先進入淺部巖層，之后進入導水裂隙帶中部，隨后到達“馬鞍形”范圍邊界，最后穿過導水裂隙帶邊界。經(jīng)采前孔(1#)、采后孔(2#、3#)觀測數(shù)據(jù)對比分析后確定，2#采后孔導水裂隙帶“馬鞍形”邊界孔深125 m，導水裂隙帶高度為94.65 m。3#采后孔導水裂隙帶“馬鞍形”邊界孔深140 m，導水裂隙帶高度為92.42 m，采動裂隙發(fā)育呈現(xiàn)“馬鞍形”偏移突出狀態(tài)。

5 結論

(1)根據(jù)1302N工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件設計了井下仰孔雙端封堵分段注水測漏觀測方案，選擇在1303N聯(lián)絡巷2布置鉆場施工觀測，根據(jù)設計的鉆孔深度、方位和仰角等參數(shù)施工，并使用鉆孔雙端封堵測漏裝置進行實測。

(2)采前孔受開采影響小裂隙發(fā)育較弱，鉆孔漏損量變化不明顯；采后孔受采動影響顯著，鉆孔漏損量變化是從穩(wěn)定—突然增大—穩(wěn)定—突然減小—穩(wěn)定的過程，裂隙有一個明顯發(fā)育的過程。

(3)通過采前孔與采后孔鉆孔漏損量對比分析表明，導水裂隙帶發(fā)育呈現(xiàn)“馬鞍形”，裂隙帶頂界發(fā)育高度94.65 m，裂采比為10∶1。

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Fieldmeasurementoftheheightofwaterflowingfracturedzoneindeepfull-mechanizedtopcoalcavingminingfaceunderthickalluvium

Lu Jianguo1, Li Feifan2, Zhang Xinguo2,3, Li Fei2, Pang Zhenzhong2

(1. Inner Mongolia Coal Mine Design & Research Institute Limited Liability Company, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China; 2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 3. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control, Co-Founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

In order to determine the developing height of water flowing fractured zone in deep full-mechanized top coal caving mining face under thick alluvium, taking the 1302N working face of Xinjulong Coal Mine as engineering background, double-end plugging drilling sectioning water injection leak-checking method was used to measure the height of the water flowing fractured zone. The observation results showed that the drilling hole before mining was less effected by the mining, so the fracture development was weak and the change of the drilling water leakage was not obvious; the fracture development of drilling hole after mining was obvious, and the change process of water leakage was stable, suddenly increscent, stable, suddenly decrescent and stable. The drilling water leakage showed that the development of the water flowing fractured zone presented as saddle shape, and the maximum development height of the water flowing fractured zone was 94.65 m and the ratio of the height of the fractured zone to the mining height was about 10∶1.

under deep thick alluvium, fully mechanized top coal caving mining, double-end plugging leakage, water flowing fractured zone, ratio of the height of the fractured zone to the mining height

TD823.97

A

山東省科學基金資助項目(ZR2014EEM001)，中國博士后科學基金第九批特別資助(2016T90662)

魯建國，李飛帆，張新國等. 深部厚沖積層下綜放開采導水裂隙帶高度實測[J]. 中國煤炭，2017,43(11)：60-63，68.

Lu Jianguo, Li Feifan, Zhang Xinguo, et al.Field measurement of the height of water flowing fractured zone in deep full-mechanized top coal caving mining face under thick alluvium[J]. China Coal, 2017,43(11):60-63，68.

魯建國(1978-),河北唐山人,采礦工程高級工程師,主要從事礦井設計及巷道支護研究工作。

(責任編輯 郭東芝)