采區首采工作面導水裂隙帶發育高度實測研究

丁 杰

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

水害是制約礦井生產安全的不利因素之一。隨著煤炭資源開采的不斷深入，采煤工作面受水害影響更為顯著[1-3]。當煤層開采引起的導水裂隙與含水層、地面水體等連通后，不僅能增加井下涌水量，嚴重時會造成淹井事故[4-6]。因此，掌握采煤工作面導水裂隙發育高度，可顯著提高礦井煤炭生產安全保障能力。山西某礦2采區對應地表有水體，文中以2采區首采的2501綜采工作面回采為研究對象，對開采引起的導水裂隙發育高度進行現場實測，以期能在一定程度上提升采面安全保障能力。

1 工程概況

山西某礦2采區2501首采工作面開采的5號煤埋深為390～433.8 m，厚度9.0 m，傾角4～10°，夾矸0～3層。采面采用綜放頂生產工藝，采放比為1∶1.87。2501工作面設計走向推進距離2 680 m、切眼傾向長度265 m。5號煤頂底板巖性見圖1。

圖1 5號煤頂底板巖性

2 導水裂隙帶高度預測

掌握覆巖力學參數是預測采面導水裂隙發育高度的基礎[7]。根據以往5號煤層頂板巖性測試結果(見表1)及其他相關的地質成果，5號煤層覆巖單軸抗壓強度為10～20 MPa,巖性以泥巖、細砂巖、粗砂巖為主。依據表2劃分標準，將5號煤層頂板巖層劃分為軟弱類。

表1 5號煤頂板巖性

依據《煤礦防治水手冊》推薦的計算公式，計算導水裂隙帶高度，具體垮落帶、裂隙帶高度Hm、Hli公式分別為：

(1)

(2)

5號煤層采高M=9.0 m，計算得到垮落帶Hm=45.6～55.2 m、裂隙帶Hli=107.8～121.8 m，因此，導水裂隙帶高度為153.4～177.0 m，約為5號煤層厚度的19.67倍。

表2 劃分標準

3 探測鉆孔施工及分析

3.1 探測鉆孔施工

3.1.1 探測鉆孔布置

導水裂隙發育高度采用在地面布置豎向鉆孔方式實測，在采空區對應地表布置2個探測鉆孔，鉆孔均位于采空區內，且走向、傾向與采空區邊緣距離均大于50 m。其中D1與回風巷相距78 m、D2鉆孔與回風巷相距85 m，具體位置見圖2。

圖2 D1、D2探測孔位置示意

當鉆孔穿越松散層時，應下方套管止水，套管應下放至穩定基巖含水層內且高度在5 m以上。具體D1、D2探測孔施工參數見表3。

表3 探測孔施工參數

3.1.2 探測鉆孔施工

根據鉆孔設計以及現場實際情況，探測鉆孔施工采用型號XY-5鉆機，動力由功率70 kW的柴油機提供；泥漿泵為NBB260/7型，流量、壓力分別為150 L/min、6 MPa。鉆孔在表面松散層鉆進時，先采用D113 mm麻花鉆鉆進至松散層下基巖，待用D311 mm擴孔器擴孔后，下放D219 mm套管護壁，用水泥漿固管。待固管施工完畢后，采用D113 mm鉆孔鉆進。鉆孔鉆進時，選用低固相沖洗液，主要設備為沉淀池、循環槽以及水源箱，具體水源箱、沉淀池規格分別為3.0 m×3.0 m×1.5 m、1.0 m×1.0 m×0.5 m，具體沖洗液漏失量觀測系統結構見圖3。

圖3 沖洗液漏失量觀測系統結構

3.2 導水裂隙帶高度探測分析

3.2.1 D1探測鉆孔分析

D1鉆孔從開孔到鉆進至8.5 m位置時，鉆孔內沖洗液漏失量在0.9～1.5 L/s，判斷沖洗液漏失量較大的主要原因是受地表裂縫影響；在8.5～176.0 m鉆進時,鉆孔內沖洗液漏失量較小，平均在0.21 L/s，沖洗液循環穩定，鉆孔內水位穩定，水位與孔口間距離約在38 m；鉆孔鉆進至168 m時，鉆孔內沖洗液漏失量突然增加至1.3 L/s，鉆進至168.9 m后，沖洗液漏失量又降低至0.35 L/s、處于穩定循環狀態，分析在孔深168 m位置巖層中發育有原生裂隙。

鉆孔鉆進至228.18 m時，此位置沖洗液快速漏失且循環終止，分析此位置為導水裂隙帶頂部，因此開始加密觀測；探測孔鉆進至228.50 m位置時，沖洗液漏失速度為4.24 L/s；鉆進至229.0 m時，停鉆并探測到鉆孔內水位深度為180.59 m，但是隔20 h后鉆孔內無水位；后繼續鉆進鉆井液漏失嚴重且漏失無規律。

鉆孔鉆進至358.60 m位置時鉆孔內不返漿、沖洗液全部漏失，提鉆后鉆孔內無水位且伴隨有明顯吸風現象；鉆進至359.8 m時開始出現掉鉆，后續鉆進時掉鉆現象更為頻繁，鉆孔鉆進至361.5 m時停止鉆進。具體D1鉆孔沖洗液漏失量及水位監測情況見圖4。

結合鉆孔鉆進、鉆孔水位以及漏失量變化情況，綜合判定5號煤層開采后，導水裂隙帶頂界位置為孔深228.18 m、垮落帶頂界為孔深358.60 m。

圖4 D1鉆孔沖洗液漏失量及水位監測結果

導水裂隙帶發育高度可采用公式(3)計算：

HLi=Hi-hi+Wi

(3)

式中：Hi為5號煤層頂板與D1鉆孔孔口距離，取395.5 m；hi為導水裂隙帶頂端與D1鉆孔孔口距離，取228.18 m；Wi縫隙帶鉆進時壓縮值，取0.95 m。

計算得到：D1鉆孔位置導水裂隙帶發育高度為168.27 m，導水裂隙帶高度為5號煤厚度的18.7倍。

3.2.2 D2探測鉆孔分析

D2鉆孔在孔深0～125.0 m鉆進時，沖洗液漏失量較低且循環穩定，單位漏失量平均為0.19 L/s，鉆孔內水位距孔口距離平均在24.0 m；鉆孔鉆進至125.0～132.0 m時，鉆孔漏失量有所增加，平均為0.25 L/s，鉆進至132.0 m深度提鉆時，鉆孔水位距孔口距離平均為38 m；后續在132.0～251.0 m鉆進時，沖洗液漏失量0.22 L/s以及鉆孔水位25 m，變化穩定。

鉆孔鉆進至251.6 m時，沖洗液漏失量逐漸增加，隨著鉆進深度增加沖洗液循環中斷，鉆孔鉆進至252.0 m位置時，沖洗液漏失量達到3.75 L/s，提鉆后鉆孔內水位與孔口距離增加至142.65 m，取樣得到的巖芯內發育有縱向裂隙，提鉆后24 h鉆孔內無水位，之后鉆進時沖洗液嚴重漏失且無返水，鉆孔內雖有水位但水位與孔口距離呈增加趨勢，判定孔深251.6 m位置為5號煤層頂板覆巖導水裂隙帶頂界。

鉆孔繼續鉆進至382.9 m時，鉆孔內沖洗液全部漏失；鉆進至383.5 m時，鉆具掉鉆現象明顯，提鉆后鉆孔內無水位且有一定的吸風現象，取出的巖芯量較少且破碎。為此，判定垮落帶頂界為孔深382.9 m位置。具體D2鉆孔沖洗液漏失量及水位監測情況見圖5。

結合公式(3)計算得到，5號煤層頂板裂隙帶發育高度為177.05 m，為煤層厚度的19.7倍。

圖5 D2鉆孔沖洗液漏失量及水位監測結果

3.3 導水裂隙帶發育高度確定

結合D1、D2探測鉆孔數據，綜合判定2采區5號煤開采后導水裂隙帶發育高度為168.27～177.05 m，為5號煤厚度的18.7～19.7倍，其中5號煤垮落帶、裂隙帶發育高度分別為36.9～44.8 m、131.57～132.25 m。現場踏勘發現探測鉆孔周邊地表局部位置有地表裂縫，裂縫落差在200～2 400 mm、寬度在50～150 mm，具體見圖6，判定2采區開采后彎曲下沉帶頂界已達地表。

圖6 現場地表拉伸裂縫

4 結 語

1) 在2采區2501首采工作面對應地表布置2個探測鉆孔(編號D1、D2)，對采面開采5號煤層后引起的導水裂隙帶發育高度進行現場實測，2個探測鉆孔鉆進深度共計749.20 m，通過分析探測鉆孔沖洗液漏失量、水位以及鉆進過程來判定導水裂隙帶發育高度。

2) 探測過程中，發現鉆孔鉆進至導水裂隙帶后鉆孔內沖洗液漏失量顯著增加、鉆孔內水位高度顯著下降。通過綜合分析D1、D2探測鉆孔探測結果，判定2采區2501首采工作面開采后導水裂隙帶發育高度為168.27～177.05 m、為5號煤厚度的18.7～19.7倍。

3) 對探測鉆孔周邊現場踏勘，發現地表由于不均勻沉陷出現有拉伸裂縫，裂縫發育寬度在50～150 mm，表明5號煤層開采后引起的彎曲下沉帶頂界位置已到達地表。