余吾礦S5203回采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探測

李 敏

（山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司 ，山西 長治 046100）

1 采面地質(zhì)概述

余吾礦為一年生產(chǎn)能力達到750萬t的大型現(xiàn)代化礦井，主采煤層有3號煤層厚度在5.02～7.23m，平均厚度在6.1m，該煤層全井田可采，屬穩(wěn)定型煤層，煤質(zhì)具有低硫、低灰發(fā)熱量等優(yōu)點，是優(yōu)質(zhì)的動力煤。井下布置的S5203回采工作面位于礦井南5采區(qū)，開采3號煤層，采面設(shè)計走向長度為1330m，切眼斜長為250m，煤層開采儲量為589萬t，采用一次采全高開采工藝，全部垮落法管理頂板。煤層傾角在2～7°，埋藏深度在460～520m間。工作面的頂?shù)讕r層及巖性見表1。

2 分段注水探測

2.1 基本原理

在井下采用仰空分段注水法對煤層開采后頂板導(dǎo)水裂隙帶高度探測的基本原理是：煤層開采之后，頂板覆巖遭受破壞，會在豎向及平行方向上發(fā)育裂隙，破壞程度越嚴重，裂隙越為發(fā)育，根據(jù)鉆孔不同段注水量的漏失情況可以對頂板覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育程度進行判定，從而實現(xiàn)對導(dǎo)水裂隙帶高度的探測[1～3]。具體的探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

表1 S5203采面頂?shù)装鍘r性

在回采工作面的停采線或者切眼臨近巷道布置鉆場，向采面采空區(qū)上方施工仰斜鉆孔，在布置鉆孔時應(yīng)盡量避開冒落帶，直接斜穿至裂隙帶頂部界限10m以上。使用雙端封堵裝置對鉆孔的兩端進行封堵，并分段注水，測量完成一段后，將封堵器卸壓，后向深部繼續(xù)推移，并再次進行注水探測漏水量、周而復(fù)始，完成對整個鉆孔的注水漏失量的觀測，根據(jù)鉆孔不同階段的漏失量來確定采面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限[4～6]。

2.2 探測方案

煤層開采之后，頂板覆巖破壞發(fā)育需要一定時間。在達到最大發(fā)育高度以后，隨著回采工作面推進、上部覆巖壓力作用以及時間延長，采空區(qū)覆巖裂隙會出現(xiàn)一定程度閉合，導(dǎo)水裂隙帶的上部邊界會出現(xiàn)一定程度的下降，其中以采空區(qū)中部下降量大，邊界上下降低較小。根據(jù)有關(guān)研究資料，頂板覆巖穩(wěn)定時間與頂板覆巖巖性、結(jié)構(gòu)類型、采煤工藝、煤層厚度等有關(guān)，一般情況下硬巖在30～60d時頂板覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至最高位置。S5203采面覆巖為硬巖，為了更為準確的探測出3號煤層開采后頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，待回采工作面停采60d后，在采面進風(fēng)巷停采線外10m位置斜向采空區(qū)方向施工2個探測鉆孔。施工的探測鉆孔應(yīng)避免通過冒落帶，因此，采用經(jīng)驗公式先對冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度進行預(yù)測，為后續(xù)的探測鉆孔參數(shù)設(shè)計提供參考。

當(dāng)頂板為中硬巖時具體的冒落帶以及裂隙帶經(jīng)驗計算公式為[7]：

其中：H冒，H裂分別為冒落帶、裂隙帶高度（m）;m為開采煤層厚度（m），文中取值為6.1m。計算得到冒落帶高度在10.6m～15.0m；裂隙帶高度在40.1 m～51.3m。

具體的鉆孔布置如圖1、圖2所示，鉆孔施工參數(shù)見表2。

圖2 1號探測鉆孔布置示意圖

圖3 2號探測鉆孔布置示意圖

表2 探測鉆孔參數(shù)

2.3 探測程序

1號及2號探測鉆孔施工完畢之后，首先應(yīng)對探測系統(tǒng)的密封性進行檢查，將探測系統(tǒng)與供給系統(tǒng)連接。將探測裝置放入到鉆探鉆孔內(nèi)，從孔深3.5m位置開始進行探測，每次探測深度為1.6m。具體的操作程序為：

1）打開供給系統(tǒng)的供水閥，將供水壓力調(diào)整為0.5MPa,通過密封系統(tǒng)向封堵裝置兩側(cè)的封堵膠囊內(nèi)注氣，實現(xiàn)封孔，對探測系統(tǒng)的密封性進行檢查；

2）供給系統(tǒng)中通過鉆桿內(nèi)部空間向兩端密封段的鉆孔內(nèi)注水。在鉆桿的連接端用麻繩纏繞，確保連接端的密封掩飾，調(diào)節(jié)供水閥，將注水壓力保持在0.25MPa，并對每分鐘的注水量進行觀測記錄；

3）停止向鉆孔內(nèi)注水，并打開進水閥，使得注水段兩端的密封膠囊卸壓收縮，并觀測壓力表顯示的壓力值，此時的讀數(shù)為探測高度的靜水壓力；

4）鉆孔每添加2根鉆桿（鉆桿長度為800mm），探測系統(tǒng)向深部推進1.6m，進行一次探測。注水壓力應(yīng)在上一測試段高程靜水壓力基礎(chǔ)上增加0.25MPa，并對供給系統(tǒng)每分鐘的注水量進行記錄；

5）按照上述步驟，逐段的對鉆孔進行探測，探測到裂隙發(fā)育段時鉆孔注水的漏矢量數(shù)據(jù)較大，可以根據(jù)漏水量數(shù)值判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

3 探測數(shù)據(jù)分析

采用1號鉆孔作為探測鉆孔，2號鉆孔作為對比鉆孔，對鉆孔注水漏矢量進行比對分析。1號鉆孔探測以及2號鉆孔的探測點均超過50個，根據(jù)鉆孔的傾角，將不同探測點的高程轉(zhuǎn)換成距離3號煤層頂板垂直高度，具體的漏失量數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

從圖4中可以看出，1號鉆孔在鉆孔施工時可以避開3號煤層開采引起的冒落帶，鉆孔在3號煤層上方20m以內(nèi)時，注水的漏矢量數(shù)據(jù)較低，普遍小于6L/min；隨著與煤層距離增加，鉆孔漏失量值明顯提升，在距離3號煤層頂板20～63m范圍時，鉆孔的漏失量較大，普遍高于11L/min，最大漏矢量接近20L/min，表明該高程范圍內(nèi)受到3號煤層開采影響較為明顯，采用裂隙發(fā)育；高度高于64m后，漏失量數(shù)值顯示減少，之后的漏失量值在2L～3L/min波動，表明鉆孔已經(jīng)進入到彎曲下沉帶。

2號鉆孔由于在未采動的實體煤上方施工，整個探測過程中漏失量值均不高，絕大部分漏失量值均在4L/min以內(nèi)，僅有部分位置漏失量值達到8L/min。綜合分析可以將漏失量值8L/min作為判定導(dǎo)水裂隙帶高度的指標。結(jié)合1號鉆孔漏失量數(shù)據(jù)，3號煤層開采后頂板導(dǎo)水裂隙帶探測的發(fā)育高度最大值為64m。

圖4 鉆孔漏失量探測數(shù)據(jù)

在S5203采面地表采用高密度法對裂隙帶發(fā)育高度進行探測，共進行2次。2探測出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為58m、62m，該高度正好處于頂板主關(guān)鍵層（厚度35m的砂質(zhì)泥巖，較密實）下部高度。高密度法探測結(jié)果與井下注水探測結(jié)果相近。

4 總 結(jié)

1）在余吾礦S5203采面采用分段注水法對3號煤層開采后的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度進行探測，并以8L/min作為導(dǎo)水裂隙帶上限邊界判定條件，探測出導(dǎo)水裂隙帶的最大發(fā)育高度在64m，裂采比（H/m）為10.5:1。井下分段注水法探測出的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與地表采用高密度法探測出的導(dǎo)水裂隙帶高度接近，避免探測結(jié)果可靠。

2）S5203采面開采后的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育上界面為距離3號煤層頂板約63m的厚度在35m的砂質(zhì)泥巖，從該層下界面向上為彎曲下沉帶。