9103采面下部老空區冒落帶、裂隙帶高度探測

張 斌

（山西煤炭運銷集團蓋州煤業有限公司，山西 高平 048400）

蓋州煤業為資源整合礦井， 批準開采3#～15#煤層，現開采9#煤層。3#煤已基本采空，15#煤西部、南部原屬青龍山煤礦，采用房柱式開采法，為開采9#煤層留下了不少安全隱患和技術難題。 為進一步了解15#煤采后冒落帶、裂隙帶發育情況，對9#煤層蹬空開采底板穩定性進行分析。 通過鉆孔滲漏法，探查15#煤采后冒落帶、裂隙帶高度，從而為后續9#煤層安全開采提供依據。

1 工程概況

9103 工作面開采9#煤層， 是一采區南翼第二個工作面，順槽長度為1 820 m、斜長180 m，下部15#煤層被原青龍山煤礦開采，故在9103 工作面回風側20 m×650 m 范圍內存在15#煤層蹬空區，具體采面位置關系見圖1。現9103 回風順槽已掘進完成，尚未發現受15#煤層采空影響所產生的錯層、頂板破碎等問題。 9#煤距15#煤層平均層間距35 m，9#、15#煤層頂底板巖性見圖2。

圖1 9103 工作面與原青龍山煤礦15#煤層采空區位置關系

圖2 9#、15#煤層頂底板巖性

9103 采區內布置的GS-1 水文孔單位涌水量為1.944 L/s·m，富水性強，區域9#煤層底板標高高于奧灰水水位標高，不存在底板突水問題。 上部3#煤層采空區可能會存在局部積水， 會對9103 工作面生產造成一定的影響。 結合9103 工作面掘進資料，該區域掘進期間正常涌水量為1 m3/h，主要表現為頂板裂隙水，尚未發現底板出水情況。

2 井下鉆孔注水滲漏探測技術

井下鉆孔注水滲漏法是近幾年發展起來的實用探測技術，該方法的實質是在井下工作面的外圍巷道或硐室中向工作面斜打小口徑鉆孔，鉆孔穿過預計的導水裂隙帶范圍并超過預計頂界一定高度，采用鉆孔堵水器對鉆孔進行逐段注水，測定各孔段滲流量變化情況，以探測確定圍巖破壞規律[1-3]。

為探查15#煤層采空區冒落帶、裂隙帶高度，采用俯孔作業方式進行施工。 利用靜壓水，向鉆孔注水， 使用自然滲漏法通過觀測鉆孔沖洗液反出情況，確定冒落帶、裂隙帶發育高度。

3 探測方案及鉆孔布置

3.1 探測方案

（1）導水裂隙帶高度理論計算

根據《煤礦防治水細則》，選用經驗公式法，對15#煤層回采后導水裂隙帶高度計算[4-5]：

式中：Σm 為累計采厚，m。

導水裂隙帶高度取上述公式計算結果大值。

15#煤厚最大為3.90 m， 計算得Hil=43.23 m、Hi2=49.50 m。

取15#煤回采后導水裂隙帶高度為49.50 m，探測鉆孔長度設計依此值進行設計。

（2）鉆孔布置

工程布置在9103 回風順槽，1 400 m 鉆場 處施工1 個觀測孔，1 500 m 鉆場處底板施工2 個鉆孔，1 個為數據對比孔、1 個為觀測孔， 鉆孔施工參數見表1。

表1 探測鉆孔施工參數

采用ZYW-1200 礦用全液壓坑道式鉆機施工，配套直徑50 mm 鉆桿，直徑75 mm 合金鉆頭。鉆孔鉆進沖洗液無反水現象停止鉆進。 鉆孔施工完畢，應采用礦用高強度水泥與水玻璃按重量2:1 的比例攪拌進行封孔，封孔長度不小于15 m，并定期巡查，待水泥凝結，再對鉆孔進行耐壓試驗。

3.2 數據觀測結果

采用俯孔鉆探滲漏法探查15#煤采空區冒落帶、裂隙帶發育高度，重點觀測鉆孔返水情況。

（1）探測記錄

1 400 m 鉆場處1 號觀測孔實測剖面俯角為-48°，平面實測軌跡方位角為284°，終孔42.42 m可見15#煤空洞。

1 500 m 鉆場處2 號對比孔實測剖面俯角為-52°，平面實測軌跡方位角為281°，終孔41.42 m可見15#煤空洞；3 號觀測孔測剖面俯角為-52°，平面實測軌跡方位角為279°終孔41.39 m 可見15#煤空洞。 具體探測鉆孔探測記錄見表2。

（2）冒落帶、裂隙帶高度確定

①裂隙帶高度確定

1 400 m 鉆場處1 號觀測孔施工期間無異常，鉆孔施工至37.6 m 時開始不返水， 鉆孔傾角為-48°， 經計算， 該段位于9#煤層底板下27.94 m（37.6 m×sin48°）處，推斷15#煤層采空區裂隙帶發育高度為7.03 m（層間距減去不導水間距，即為35-27.94=7.03 m）。

表2 探測鉆孔探測記錄

同理，1 500 m 鉆場處3 號觀測孔鉆進至31.2 m處出現鉆孔不反水情況，鉆孔施工傾角為52°，得到裂隙帶高度為10.41 m。 最終確定裂隙帶高度為10.41 m。

②冒落帶高度確定

1 400 m 鉆場處1 號觀測孔終孔42.42 m 見15#煤空洞， 此位置距9#煤層底板31.52 m （42.42 m×sin48°），冒落帶高度為3.48 m。

同理，1 500 m 鉆場3 號觀測孔鉆進至39.2 m可見15#煤空洞， 此位置距9#煤層底板30.89 m（39.2 m×sin52°），由此可判定15#煤層冒落帶高度為4.11 m。 最終確定冒落帶高度為4.11 m。

綜上分析， 采用鉆孔滲漏法測定的15#煤層裂隙帶、冒落帶高度分別為10.41 m、4.11 m。

鉆孔滲漏法與經驗公式計算得到的裂隙帶、冒落帶高度存在較大差異的主要原因是由于15#煤采用房柱式開采方式， 采空區內遺留有大量的煤柱，加之15#煤層頂板巖性較為堅硬， 造成煤層開采后裂隙帶、冒落帶高度顯著降低。

4 鉆孔成像驗證

采用鉆孔成像技術對1 400 m、1 500 m 鉆場處內探測鉆孔進行探測。

在1 400 m 施工的探測鉆孔窺探過程中，探測至14.75 m，發現鉆孔周邊巖層出現垂向裂隙，探測至36 m， 正式進入到15#煤頂板采空破壞區域，探測至42.15 m， 發現15#煤層采空塌陷空洞。 裂隙帶、冒落帶高度分別為8.25 m、3.68 m。

在1 500 m 鉆場探測15#煤采空區（底板）鉆孔影像截屏，窺探過程中，探測至15.92 m，發現鉆孔周邊巖層出現垂向裂隙，探測至31.88 m，發現15#煤頂板采空破壞區域，探測至40.86 m，發現15 m煤層采空塌陷空洞。 裂隙帶、 冒落帶高度分別為9.87 m、2.80 m。

鉆孔成像得到的裂隙帶、 冒落帶高度分別為9.87 m、3.68 m，與采用鉆孔滲漏法確定的15#煤層裂隙帶、冒落帶數據接近。

5 結語

采用鉆孔滲透法對15#煤層開采后采空區上覆冒落帶、裂隙帶高度進行探測，并采用鉆孔成像技術進行驗證，取得以下主要成果：

1）采用理論分析法得到的15#煤層采空區導水裂隙帶高度為49.50 m， 采用鉆孔滲透法測定的裂隙帶、冒落帶高度分別為10.41 m、4.11 m。 理論計算結果與實測值相差較大的主要原因是15#煤層采用房柱式開采方式， 開采后裂隙帶及冒落帶發育高度顯著降低。

圖3 1 500 m 鉆場2 號探測鉆孔成像

2）9#煤層與15#煤層層間距為35 m，15#煤層開采后引起的冒落帶、裂隙帶總計高度為14.52 m，9#煤層下方與15#煤層采空區間仍有厚度20.48 m厚穩定巖層。

3）結合9103 采面回采巷掘進情況，在受15#煤采空區影響的區域， 掘進巷道底板未出現裂隙、下沉等情況，預計15#煤層采空區不會對9103 工作面回采產生影響。