綜采工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶高度實測技術(shù)應(yīng)用分析

張 飛

（山西煤炭運銷集團(tuán)四侯煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

煤礦開采過程中準(zhǔn)確計算出回采煤層上覆導(dǎo)水裂隙帶高度，對合理確定回采上限，以及水體下安全回采起著重要作用。傳統(tǒng)主要采用理論公式計算以及地面打鉆兩種方法確定導(dǎo)水裂隙帶高度。采用公式推導(dǎo)水裂隙高度時，受煤層厚度變化以及巖層物理性質(zhì)變化影響，巖層參數(shù)求取難度大，使得公式計算出的導(dǎo)水裂隙帶高度與實際高度有很大的誤差；而采用地面鉆探方法不僅施工工程量大、勞動強(qiáng)度大、精度低，而且該方法受開采條件影響大，如水體下、采空區(qū)下很難實測。所以，采用合理有效的實測方法準(zhǔn)確掌握導(dǎo)水裂隙帶高度對煤礦安全回采、提高煤礦防治水效率具有重要意義。本文以四侯煤礦3108 工作面為例，對工作面3#煤層采取了“雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)實測導(dǎo)水裂隙帶高度。

1 概述

山西煤炭運銷集團(tuán)四侯煤業(yè)有限公司3108 工作面位于礦井北部一采區(qū)，東側(cè)為3103 采空區(qū)，西側(cè)為3105 采空區(qū)，北側(cè)為礦井邊界保護(hù)煤柱，南為一采區(qū)三條大巷。

3108 工作面切眼長度為160 m，可采走向長度為650 m，工作面回采煤層為3#煤層，平均厚度為3.7 m。煤層偽頂主要以炭質(zhì)泥巖、灰色泥巖混合巖層為主，平均厚度為0.3 m；直接頂主要以粉砂巖、泥巖混合巖層為主，平均厚度為3.95 m；老頂主要以細(xì)粒砂巖為主，平均厚度為7.66 m。

根據(jù)工作面水文地質(zhì)資料顯示，3108 工作面水文地質(zhì)條件中等，在工作面回采期間會受到頂板K8砂巖裂隙含水層的砂巖裂隙水影響。裂隙含水層與3#層間為41 m，工作面回采前已進(jìn)行探放水施工，共計放水量為7840 m3。雖然回采前已對3#煤層上覆裂隙含水層積水進(jìn)行疏放，但是工作面在回采期間仍有殘余裂隙水沿裂隙通道導(dǎo)入工作面，正常涌水量為 3.7 m3/h，隨著工作面推采垮落，將通過裂隙導(dǎo)入采空區(qū)。為了防止工作面發(fā)生透水事故，為3#煤層裂隙帶注漿堵水提供準(zhǔn)確技術(shù)參數(shù)，地測防治水科決定對工作面回采煤層頂板采取“雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)實測導(dǎo)水裂隙帶高度。

2 “雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)應(yīng)用

2.1 “雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)原理

“雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)主要通過在頂板裂隙區(qū)域施工一定深度的鉆孔，對鉆孔內(nèi)安裝雙端堵水器，使之形成一個膠囊封堵空間，然后利用注水器對封堵空間內(nèi)注水，準(zhǔn)確記錄單位時間注水滲流量，并與對比孔進(jìn)行對比分析，判定此段范圍內(nèi)巖層透水性能以及裂隙發(fā)育程度，從而準(zhǔn)確計算出導(dǎo)水裂隙帶高度。

2.2 “雙端膠囊堵水”觀測設(shè)備結(jié)構(gòu)

（1）3108 工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶高度觀測設(shè)備主要由以下幾部分組成：QKX-DSQ-1500 型雙端膠囊堵水器、連接管路、控制臺以及為 ZYW-1200煤礦用全液壓鉆機(jī)、封孔器、封孔材料等。

（2）QKX-DSQ-1500 型雙端膠囊堵水器主要由兩端膠囊以及中部注水探管等部分組成。注水探管長度為1.0 m，直徑為90 mm，注水探管為孔狀，主要便于注水后水流向鉆孔壁巖體滲透。

（3）雙端膠囊堵水器中兩端膠囊采用直徑為20 mm 管路與鉆孔下方起漲控制臺連接，注水探管通過直徑為30 mm 注水軟管與注水控制臺連接，如圖1。

圖1 “雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)施工示意圖

2.3 施工工藝

（1）首先在3108 運輸順槽G21 導(dǎo)線點外采空區(qū)方向15 m 處（距工作面45 m） 用ZYW-1200 煤礦用全液壓鉆機(jī)施工兩個頂板探測鉆孔（1#孔、2#孔）。其中，1#孔為對比孔，對比孔深度為45 m，鉆孔直徑為95 mm，鉆孔向工作面煤壁側(cè)偏角為60°；2#鉆孔為觀測孔，孔深為50 m，鉆孔直徑為95 mm，鉆孔向工作面采空區(qū)側(cè)偏角為68°。3108運輸順槽對比孔、觀察孔布置示意圖如圖2。

（2）對比孔、觀測孔擴(kuò)孔深度為15 m，擴(kuò)孔直徑為134 mm。擴(kuò)孔到位后對擴(kuò)孔段安裝直徑為108 mm 無縫鋼管，每節(jié)鋼管長度為1.5 m。鋼管安裝后采用3NBB3.1 型煤礦用變量泥漿泵對孔壁采用水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿。

（3）鉆孔施工到位后從孔口往里安裝一個QKX-DSQ-1500 型雙端膠囊堵水器，并將堵水器兩根連接管分別與起漲控制臺、注水控制臺連接。具體操作：①雙端膠囊堵水器安裝到位后通過操作起漲控制臺對兩端膠囊打壓使之膨脹并完全封堵鉆孔，兩個膠囊之間形成注水封堵空間，打壓壓力在0.5～1.0 MPa 范圍內(nèi)；② 通過操作注水控制臺，對注水封堵空間進(jìn)行注水，注水壓力為0.8 MPa，注水期間準(zhǔn)確記錄注水時間、注水量；③ 第一段注水完成后通過起漲控制臺對膠囊進(jìn)行卸壓，然后利用鉆機(jī)鉆桿將雙端堵水器探頭推移到下一個觀測段巖層位置。依次類推直至整個鉆孔全部完成注水試驗。

圖2 3108 運輸順槽對比孔、觀察孔布置示意圖

3 應(yīng)用效果分析

3.1 對比孔注水觀測

對比孔于2019 年3 月12 日施工，3 月13 日施工到位，3 月14 日—15 日開始注水觀測。現(xiàn)場觀察分析發(fā)現(xiàn)，對比孔在10～45 m，垂高在8.6～38.7 m范圍內(nèi)，頂板平均滲水量為3.7 L/m.min，巖體未受采動影響，頂板巖體完整性較好。

3.2 觀察孔注水觀測

觀測孔于 2019 年 3 月 16 日施工，3 月 17 日—18 日進(jìn)行注水觀測，從鉆孔孔口至最頂端依次分段觀測，觀測到孔底停止。通過現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，觀測孔在注水試驗過程中漏水量主要分為兩個區(qū)域：漏水量較大的Ⅰ區(qū)域和漏水量較小的Ⅱ區(qū)域。

在I 區(qū)域，鉆孔深度為10～29 m、垂直高度為9.3～27 m 范圍內(nèi)，巖層最小滲水量為9.6 L/m.mim，最大滲水量為18.7 L/m.mim。在該區(qū)域內(nèi)巖體漏水量大，說明鉆孔已進(jìn)入裂隙帶，在此區(qū)域內(nèi)頂板巖體受采動以及采空區(qū)垮落影響，次生裂隙發(fā)育，巖層具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性能。3108 運輸順槽觀測孔孔深與巖層滲流量柱狀圖如圖3。

在Ⅱ區(qū)域，鉆孔深度為29～50 m、垂直高度為27～46.4 m 范圍內(nèi)，巖層平均漏水量為3.7 L/m.mim。通過與對比孔巖體對比分析得知，該區(qū)域巖體滲透率小，工作面回采期間或采空區(qū)垮落時對該區(qū)域巖體波動影響小。由此可見3108 工作面回采的3#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為27 m。

圖3 3108 運輸順槽觀測孔孔深與巖層滲流量柱狀圖

3.3 “雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)應(yīng)用優(yōu)點

（1）施工工程量小。與傳統(tǒng)地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法相比，采用“雙端膠囊堵水”觀測法鉆孔施工數(shù)量少，針對性強(qiáng)，每個鉆孔深度小于100 m，鉆孔施工工程量小，勞動強(qiáng)度低，施工工程費用投資少，可節(jié)約施工費用達(dá)67%。

（2）觀測精度高。采用“雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)實測導(dǎo)水裂隙帶高度時，觀測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，測漏靈敏度為0.3 L/m.min，精度在95%以上，探測鉆孔深度達(dá)百米以上，深度誤差控制在1%以下。

（3）環(huán)境影響小。該技術(shù)施工方法簡單，不受地面環(huán)境以及井下施工工藝影響，可用于大面積水體下探測采掘工作面頂板導(dǎo)水裂隙高度。

4 結(jié)束語

四侯煤礦地測防治水科對3108 工作面上覆裂隙頂板采取了“雙端膠囊堵水”觀測技術(shù)，準(zhǔn)確實測受采動影響頂板導(dǎo)水裂隙高度為27 m，為工作面頂板裂隙帶采取注漿堵水施工提供了有力實踐依據(jù)，進(jìn)一步提高了煤礦防治水效率，防止了工作面透水事故發(fā)生，取得了顯著應(yīng)用成效。該技術(shù)得到了集團(tuán)公司一致認(rèn)可，并在蓋州煤礦、四明山煤礦等煤礦進(jìn)行推廣應(yīng)用。