煤1上行開采導水裂縫帶觀測研究

張凱華

（山西省霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

辛置煤礦煤1的回采是在煤2、煤4回采后進行的，煤2回采后的導水裂隙帶已波及煤1，對煤1上下巖層已造成破壞，同時煤4的回采對其也造成了一定的影響。為了進一步掌握煤2、煤4回采后煤1反采導水裂隙帶發育的高度，促進礦井防治水工作，必須對煤1上行開采導水裂縫帶進行觀測研究。

1 開采技術條件

與辛置煤礦1111工作面導水裂縫帶探測關系密切的煤1油2頂板巖層自上而下主要為：（1）泥灰巖，層厚15m。1111工作面泥灰巖層與煤層頂板間距約40m。（2）煤上2，層位較穩定，層厚6.90m。（3）泥巖泥灰巖互層。層厚8.0m，與煤1頂間距約24.87m。（4）煤上1，層位較穩定，層厚11.6m。（5）粉砂巖，層厚8.4m。（6）含油泥巖，層厚4.87m。

2 煤層覆巖導水裂縫帶高度觀測研究

2.1 煤1油2開采覆巖裂縫帶高度預計

辛置煤礦煤1油2屬于典型的軟弱巖層。根據相應規程覆巖導水裂縫帶高度的預計公式為：

式中：

HLi-導水裂縫帶高度，m；

∑M-累計采厚，m。

按開采厚度4m計算，HLi為27m。為了確保能夠觀測到煤1油2開采導水裂縫帶的最大高度，觀測鉆孔設計的終孔位置距離煤1油2頂板的垂直高度應控制在36～40m之間，根據1111工作面頂板實際地層情況，終孔位置應設計在煤上2或泥灰巖中。

2.2 1111工作面導水裂縫帶高度觀測設計方案

為了有效地觀測1111工作面開采導水裂縫帶發育的最大高度，根據1111工作面的實況，決定在1111工作面下順停采線附近設計觀測鉆窩。在1111工作面下順施工觀測鉆窩A，設計一組鉆孔，用于觀測煤1油2反采覆巖導水裂縫帶的發育高度及其發育形態。

3 煤1上行開采導水裂縫帶發育高度探測研究

3.1 觀測方法

本次觀測主要是采用仰孔分段注水觀測的方法進行，采用鉆孔雙端封堵測漏裝置進行。布置在觀測煤層上方已掘進的專用巷道內，觀測原理示意圖如圖1。

圖1 井下仰孔分段注水觀測原理圖

主要的觀測儀器包括：兩端封堵測漏裝置、供水限壓控制系統、供氣限壓控制系統。

（1）專項結余資金將被收回。財政專項當年未執行完畢，剩余的資金形成結轉資金，一般可以繼續使用，但是如果到了財政規定的年限，例如廈門市財政專項允許年終結轉后繼續使用一個季度，仍有余額的，就形成結余資金，結余資金一般都會被財政部門收回。

觀測程序：（1）鉆孔。采用130鉆頭施工10m左右，根據施工現場注漿加固，植入120套管，再采用107鉆頭向深部施工，最后拆卸鉆桿。（2）觀測裝置安裝。在鉆桿頂部加好兩端封堵測漏裝置，向深部送進，同時以卡帶連接固定好送氣管。（3）連接觀測裝置。當觀測裝置到達觀測孔底部位置后，連接供水限壓控制系統和供氣限壓控制系統，進行測試，正常后再加壓測試。（4）進行觀測。觀測示意圖如圖2所示。

圖2 井下鉆孔法觀測示意圖

由于鉆孔塌孔、出水等非人力所能控制的諸多因素，致使采后只完成了A-9一個鉆孔的分段注水觀測。為了能夠比較準確地界定煤1上行開采導水裂縫帶發育高度，根據采前2個鉆孔和采后1個鉆孔的分段注水觀測結果，充分利用在采后觀測鉆孔施工過程中鉆孔和工作面出水情況。

3.2 1111工作面回采過程中出水情況

瞬變電磁探測結果，泥巖與泥灰巖互層共圈定較強富水異常區10個，5#和10#異常區富水性相對最強；泥灰巖圈定較強富水異常區4個，靠近停采線位置4#異常區富水性相對最強。

工作面下順距開切眼240m揭露一小斷層，落差1.1m，傾角80°，工作面在240～310m開采范圍涌水量不斷減小，表明這一小斷層對工作面涌水沒有產生明顯的作用。

1111工作面于2012年9月1日采至680.8m停采，停采后一段時間工作面涌水量基本穩定在5m3/h左右；9月27日16時（停采26d），工作面回撤到最后一架支架時，頂板開始大面積淋水，工作面涌水量約15m3/h，同時，A-9孔銳減至1m3/h；9月28日（停采27d）工作面涌水量增至30m3/h，9月29日（停采28d）逐漸減小，9月30日（停采29d）涌水量減至10m3/h，10月5日（停采34d）以后涌水量基本穩定在5m3/h。圖3為停采后工作面涌水量與時間關系圖，由此推斷1111工作面導水裂縫帶在采后26～27d發育最充分或達到最大發育高度。

圖3 停采后工作面涌水量與時間關系圖

工作面回采過程中的出水情況，涌水量峰值與泥巖與泥灰巖互層的相對富水區有比較明顯的相關性，而與泥灰巖相對富水異常區相關性較差。由以上工作面出水特征，推斷煤1油2反采導水裂縫帶最大高度主要波及泥巖與泥灰巖互層含水層，而未波及泥灰巖含水層。

3.3 觀測成果

（1）采前A-1號鉆孔觀測結果

A-1孔所處位置離下部煤2、煤4開采區比較遠，巖層狀態基本不受煤2和煤4開采的影響，所測注水漏失量反映地層的原生裂隙及裂縫的發育狀態。

（2）采前A-7號鉆孔觀測結果

A-7孔所處位置靠近下部煤2、煤4開采區，巖層狀態受煤2、煤4開采的影響，所測注水漏失量反映地層的煤1油2開采前、煤2和煤4開采后的裂隙及裂縫發育狀態。

（3）采后A-9號孔觀測結果

在施工A-9孔時，分兩段施工。第一段用Φ50鉆具鉆進至42m，再用Φ89鉆具擴孔至42m，完成第一段鉆孔分段注水觀測，所觀測地層為粉砂巖和煤上1，鉆孔還未揭露互層，故此段觀測時孔內出水量相對較??；第二段從42m處繼續施工至62.45m。42.5m見互層，鉆至43m時出水量25～35m3/h，水壓0.8MPa，由于鉆孔出水，且水壓大于膠囊封堵壓力和注水壓力，此時所測漏失量為零，觀測失效。當探管推至56m時，觀測讀數不為零，觀測工作正常。

根據以上開采前后鉆孔漏失量的變化可以確定A-9孔的導水裂縫帶上界在孔深59.0m處，即泥巖與泥灰巖互層和煤上2的交界處。導水裂縫高度由下式計算：

式中：

H裂-導水裂縫帶高度，m；

a-鉆孔傾角，（°）；

β-沿鉆孔方向的煤層偽傾角，（°）；

l-導水裂縫帶上界孔深，m；

h-開采高度，m；

h'-孔口距煤層底板的高度，m；

h''-回采頂板到煤頂板的距離，m。

將l=59.0m，a=45°，β=7°，h=3.97m，h'=2.0m，h''=1.9m代入（2）式，得A-9孔實測導水裂縫帶高度H裂=36.5m。

3.4 1111工作面煤1反采導水裂縫帶發育高度

辛置煤礦煤1油2采用綜采工作面，開采高度一般為3.97m。粉砂巖原生裂隙和裂縫發育相對較弱，采動后有大量的新生裂隙和裂縫產生；煤上1地層原生裂隙和裂縫發育比較均勻，受煤1油2開采影響大，產生了大量的新生導水裂隙和裂縫；泥巖與泥灰巖互層原生裂隙、裂縫和溶洞發育極不均勻，互層中泥灰巖的原生裂隙、裂縫和溶洞發育較強，而互層中的泥巖原生裂隙和裂縫發育相對較弱，受煤2煤4開采影響大，產生了較為明顯的新生裂隙和裂縫，煤1油2開采產生了大量的新生裂隙和裂縫；煤上2地層受煤2、煤4及煤1油2開采影響小，基本上是整體下沉形式，沒有產生明顯的新生裂隙和裂縫，原生裂隙和裂縫發育相對較弱，具有阻隔水作用。

綜合工作面回采過程工作面涌水情況及采后A-9鉆孔的實測結果，最大導水裂縫帶高度發育至泥巖與泥灰巖互層和煤上2的交界面，A-9孔實測高度為36.5m，按正常情況下平均采高3.97m計算，裂高采厚比約9.2。導水裂縫帶高度發育的最大高度與巖層的巖性有著密切的關系，煤上1地層采前與采后比較地層未產生明顯的導水裂縫通道，但其上的泥巖與泥灰巖互層卻產生了明顯的新生裂縫，但由于煤上1的阻水作用，其導水裂縫帶發育最大高度不會超過煤上1地層，這時裂高采厚比顯得意義不大。

4 結論

（1）辛置煤礦煤上1地層原生裂隙和裂縫發育比較均勻，受煤1油2開采影響大，有大量的導水裂隙和裂縫產生。煤1油2開采后重復移動破壞，在縱橫兩個方向上都具有非常好的導水連通性；煤上2地層受煤2、煤4及煤1油2開采影響小，基本上是整體下沉形式，原生裂隙和裂縫發育相對較弱，具有阻隔水作用。

（2）辛置煤礦煤1油2開采高度3.97m時，導水裂縫帶最大高度泥巖與泥灰巖互層和煤上2的交界面，最大裂高36.5m，裂高采厚比為9.2。

（3）由停采后工作面涌水量隨時間的變化關系分析，導水裂縫帶發育到最充分所需要的時間大約26d，這也可能是最大裂高形成的時間。

（4）雖然采后只完成了A-9鉆孔的分段注水觀測，但通過綜合分析獲得了比較符合實際的結論，基本達到了煤1反采導水裂縫帶發育高度探測的目的。