仰孔注水測漏法在磁窯溝13102工作面防治水的應用研究

鄔飛龍

（山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

礦井水害會直接或間接對煤礦造成巨大的經濟損失，需根據礦井實際工程概況采取科學、有效的防治水方案防治礦井水害。楊達明[1]等通過對比鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視和數值模擬3種方法探測所得導水裂隙帶發育高度的情況后可知，鉆孔法數據最為精確；楊艷國[2]等采用理論分析和UDEC數值模擬的方法對位于河流下煤層不同開采順序對導水裂隙發育情況進行分析，通過采取不同開采順序對煤層開采控制導水裂隙帶發育高度來防治水害；楊曉科[3]、湯玉兵[4]、周海濤[5]等采用數值模擬及現場觀測的方法對地表河流、水體下開采覆巖破壞變形及裂隙發育規律進行分析，進而根據導水裂隙帶發育高度確定防治水方案。這些研究需在確定導水裂隙帶發育高度的基礎上，針對不同水害類型得出相應的水害防治措施。以磁窯溝煤礦13102工作面為工程背景，通過對比分析不同導水裂隙帶高度預計、探測方法的優劣，選用精確度更高的仰孔注水測漏法進行探測，根據導水裂隙帶發育高度的情況，分析工作面水害威脅類型及程度，并制定相應的防治水對策。

1 概 況

磁窯溝煤礦13102工作面回采13號煤層，13號煤層平均厚度10.40 m，傾角3.7°，松散層平均厚度38.6 m，基巖平均厚度109.1 m。13102工作面長度240 m，推進長度1 580 m，工作面埋深110.0～188.2 m，采用一次采全層大采高放頂煤采煤方法，采放比1∶1.48；13102工作面上覆為10-2號煤層（已回采）。工作面東部為13103工作面（未形成）；南部為山西華鹿陽坡泉煤礦，留設20 m井田保護煤柱；西部為13101綜放工作面（已回采）；北部為131盤區輔助運輸大巷/膠帶大巷/回風大巷。13102工作面頂底板物理力學參數，見表1。

表1 工作面頂底板物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of working face roof and floor

磁窯溝礦13102工作面頂板含水層自上而下分別為地表含水層、砂巖裂隙和孔隙含水層、石灰巖裂隙和孔隙含水層，均為弱富水性含水層。工作面底板含水層為石灰巖裂隙含水層，與底板最小垂直距離為31 m，13102工作面未處于帶壓開采區域，不受底板含水層影響。13102工作面頂板及底板含水層對工作面均無無水害威脅。13102工作面上覆10-2號煤層采空區，該采空區積水及地表水可能對工作面產生安全威脅。因此，需通過探測導水裂隙帶的發育高度，確定可能產生的水害來源。

2 導水裂隙帶發育高度研究

確定導水裂隙帶高度的方法主要有經驗公式計算法、物探法、模擬實驗法和注水測漏法等。

經驗公式計算法中的公式是通過匯總相似地質條件下導水裂隙帶高度并進行分析所得出的，按照不同的采礦地質條件，采用相適應的公式進行計算。考慮到13102工作面頂板為中硬巖性，根據“三下”開采規范中的公式計算13102工作面導水裂隙帶高度：

式中：∑M為累計采厚，m；h2為導水裂隙帶高度，m。

式（1）是結合19、20世紀炮采及人工采掘礦井的導水裂隙帶高度所得出的經驗公式，不適用于當前綜合機械化采煤礦井。且13102工作面煤層采厚10.40 m，遠大于3 m；上覆10-2號煤層采厚8.40 m，累計開采厚度超過15 m，不滿足經驗公式計算條件。

物探法通過探測巖體電阻率的變化確定巖體的破壞形態，從而確定導水裂隙帶發育高度，但是物探法對于巖層小裂隙的探測存在一定誤差。模擬實驗法有物理相似模擬實驗及數值模擬實驗法，物理相似模擬實驗可直觀觀測導水裂隙帶及地表變形的大致情況，對導水裂隙帶發育高度的確定存在一定誤差；數值模擬實驗法建立的數值模型過于理論化，與實際工況存在一定出入。

仰孔注水測漏法是根據探測鉆孔孔段內注水漏失量的變化情況確定巖層的破壞形態，進而確定裂隙發育高度。井下仰孔注水測漏法具有探測數據可靠、速度快等優點，在導水裂隙帶高度探測中使用較為廣泛。因此，磁窯溝礦13102工作面選取仰孔注水測漏法探測導水裂隙帶高度。

3 仰孔注水測漏法

3.1 仰孔注水測漏法工作原理及組成

仰孔注水測漏法是根據孔段內漏失量的變化情況確定導水裂隙帶的發育高度的一種方法。在巷道中向工作面斜上方進行鉆孔作業，將鉆孔打至預計的導水裂隙帶范圍內，然后制造一段密閉孔段，向密閉孔段內注水監測其漏失量變化情況。如圖1所示。

圖1 仰孔注水測漏裝置探測示意Fig.1 Inverted hole water injection leakage measurement device detection

由圖1可知，仰孔注水測漏裝置主要由鉆機、鉆桿、測試探頭裝置、注水操作平臺、封堵操作平臺組成；測試探頭裝置（雙端堵水器）主要由轉換閥、膠囊、油管及花管組成。鉆機進行鉆孔作業后，鉆桿將測試探頭裝置推送至測試孔段；封堵操作臺向測試探頭裝置中的膠囊注放水實現膠囊的膨脹、收縮，膠囊在注水后開始膨脹，膨脹到緊貼鉆孔內壁后就會形成一定長度的雙端密閉封堵孔段；注水操作臺由調壓閥、進水閥、壓力表、流量表、防水閥及高壓膠管組成，對封堵孔段注水，觀測漏失量的變化情況。

3.2 仰孔注水測漏法工作流程

仰孔注水測漏法通過測量各孔段單位時間、單位長度漏失量變化情況確定導水裂隙帶發育高度。注水漏失量大于6 L/min且連續多個測點有較大的流量段為導水裂隙帶范圍內，注水漏失量小于6 L/min，且出現較多0值的注水量段為導水裂隙帶范圍外。仰孔注水測漏法工作流程如圖2所示。

圖2 仰孔注水測漏法工作流程Fig.2 Inverted hole water injection leakage measurement method working process

由圖2可知，首先使用鉆具在指定位置打至預計高度的鉆孔，鉆孔完畢后通過鉆桿將轉換閥與膠囊推送入鉆孔；然后操作封堵平臺膠膨脹囊并形成一段密閉封堵孔段；隨后操作注水操作臺向密閉封堵孔段定壓注水，在注水前調節調壓閥與放水閥使壓力達到定值，在壓力達到定值并穩定后關閉放水閥并打開進水閥，注水并觀測測試孔段的漏失量變化情況。測試孔段的流量觀測結束后，停止向封堵孔段注水，釋放封堵孔段內的水流并收縮膠囊，使用鉆桿將膠囊推送至下一測試段進行觀測，重復以上操作，直至將整個鉆孔內的漏失流量觀測完畢。

4 工程應用

4.1 導水裂隙帶高度探測

在13102工作面回風順槽內距停采線15 m處施工2個直徑為133 mm的鉆孔；1號鉆孔終孔位置距工作面頂板垂直高度為95 m，距工作面水平距離為45 m；2號鉆孔終孔位置距工作面頂板垂直高度為95 m，距工作面水平距離為40 m。從鉆孔4 m深度開始注水探測，注水漏失流量如圖3所示。

由圖3可知，1號探測孔注水漏失流量在距工作面上方40 m范圍內處于6 L/min左右，注水漏失流量在距離工作面上方40～93 m內遠大于6 L/min，說明裂隙帶高度范圍位于工作面上方40～93 m；2號探測孔注水漏失流量在6 L/min左右浮動，孔內漏失流量無明顯變化。因此，磁窯溝煤礦13102工作面裂隙帶高度范圍為40～93 m，需要重點防治的水害類型為上覆10-2號煤層采空區積水和大氣降水匯集形成的地表水。

圖3 注水漏失流量曲線Fig.3 Water injection leakage flowcurve

為確定上覆10-2號煤層采空區積水的具體位置，采用瞬變電磁法對13102工作面進行勘探。圖4為頂板上位巖層相對低阻異常區分布。

圖4 1 31 02工作面頂板上40 m處巖層相對低阻異常區分布Fig.4 Distribution of relative low resistance abnormal area in 40m above roof of 13102 working face

相對低阻異常區位于13102工作面頂板上40 m左右層位，說明13102工作面上方40 m處巖層裂隙開始相對發育，低阻異常區疑似采空區積水， 預計積水量共9 600 m3，采取相應措施進行防治。

4.2 防治水方案

通過對導水裂隙帶高度的探測可知，對13102工作面有影響的水害為上覆10-2號煤層采空區積水和大氣降水形成的地表水，需要采取相應措施進行防治。

（1）根據13102工作面瞬變電磁探測法所得的工作面頂板上位巖層相對低阻異常區分布，對低阻異常區及上覆各采空巷道進行鉆探驗證，進行鉆孔防水，共施工46個定向鉆孔，其中6個鉆孔出水，共計放水總量約為9 450 m3，采空區內積水已基本排放完畢，不會對回采工作產生影響。

（2）13102工作面距切眼243～1 046 m對應地表為東西高中部底的山坡，山坡底部為南高北低的溝谷，工作面回采范圍及周邊地表無水體，需要在工作面回采期間及時回填出現的塌陷裂縫，防治大氣降水。

5 結 論

為治理磁窯溝煤礦13102工作面水害，采用仰孔注水測漏法確定工作面導水裂隙帶發育高度，制定相應的防治水方案。

（1）仰孔注水測漏法通過測量各孔段單位時間、單位長度漏失量變化情況，確定13102工作面導水裂隙帶發育高度為40～93 m。

（2）13102工作面需要重點防治的水害類型為上覆10-2號煤層采空區積水和大氣降水匯集形成的地表水。

（3）采取向上覆10-2號煤層采空區鉆孔探測并放水和及時回填地表塌陷裂縫的方法，防治采空區積水與大氣降水形成的地表水。