金辛達煤業(yè)201 工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育研究

高剛剛

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團 金辛達煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

1 概 況

水害是我國煤礦安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，同時我國也是世界上煤礦水害最嚴重的國家之一。近年來，隨著煤礦資源開采規(guī)模的逐漸增大以及布置大采寬工作面的發(fā)展趨勢，造成了煤層頂?shù)装鍑鷰r裂隙帶規(guī)模的增大，致使礦井水害的危險程度增大，煤礦水害事故日益增多。生產(chǎn)實踐表明，煤礦頂?shù)装逋凰c圍巖運動破壞和導(dǎo)水裂縫帶密切相關(guān)，如果導(dǎo)水裂縫帶連通上部老窯水、含水層等，往往會發(fā)生突水事故。

金辛達煤業(yè)位于呂梁山南段東側(cè)，山高溝深，地形復(fù)雜，森林、植被發(fā)育，最高點在井田北西部的山梁，標高1 420.5 m，最低點位于西部西溝村河床，標高1 182.0 m，相對高差238.50 m，屬中山區(qū)。井田內(nèi)交通便利，地處山西省西部，主采煤層為2 號煤和11 號煤。最近主要采掘區(qū)域為201工作面，回采煤層為2 號煤層。采掘區(qū)域上方存在山谷地形，2 號煤層回采過程中存在溝通頂板局部富水區(qū)域和地表水體的危險，下方11 號煤層回采過程中有可能溝通上部2 號煤層采空區(qū)積水并誘發(fā)2 號煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育進而溝通地表水體的危險。因此，掌握煤層開采上覆巖層導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律是金辛達煤業(yè)礦井水害防治和保水開采的基礎(chǔ)；掌握含水層及隔水層空間賦存結(jié)構(gòu)、揭示導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律是保障金辛達煤礦安全高效及綠色開采的重要基礎(chǔ)。

2 201 工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育

2.1 201 工作面回采現(xiàn)狀

金辛達煤業(yè)201 回采工作面位于井田北部，地面相對位置是山脈和溝壑，工作面回采1 886 m處地面為狼凹村。如圖1 所示，201 回采工作面走向長2 403 m，傾向長260 m，地面標高為+1 279—+1 402 m。工作面對應(yīng)地面整體地勢中間高兩邊低。

圖1 201 工作面采掘工程平面示意Fig.1 The plane of mining and excavating engineering in No.201 face

201 回采工作面東部為井田邊界，與晉牛煤業(yè)毗鄰；西部為停采線，與2 號輔運大巷毗鄰，南部為原鑫溝煤礦2108 進風(fēng)順槽與原鑫溝煤礦2106 工作面采空區(qū)；北部為202 回采工作面（未采）。根據(jù)201 輔運、膠帶順槽、切眼掘進期間實際揭露情況可知，201 工作面煤層總厚0.9～1.2 m，平均厚度1.05 m，煤層傾角0～3°，起伏相對較緩。煤層頂?shù)装寰唧w情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 The situation of coal seam roof and floor

工作面回采到2 167 m 處（201 輔運順槽）、回采到2 224 m 處（201 膠帶順槽） 遇S1 背斜軸，位于井田西北部，兩翼基本對稱，地層傾角7°～11°，井田內(nèi)延伸長度約2.0 km，軸部出露地層為P2s1。工作面回采期間，會受褶曲構(gòu)造的影響，回采起伏較大。201 工作面斷層帶水是直接充水水源，對工作面回采有一定影響。

2.2 201 工作面采動覆巖裂隙演化規(guī)律

水源、水量、導(dǎo)水通道是礦山突水問題中的3個基本要素。金辛達煤業(yè)201 工作面的水源和水量通過物探、鉆探、地下水動態(tài)觀測等水文地質(zhì)勘探手段獲取；對于工作面內(nèi)除斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造類導(dǎo)水通道外，采動裂隙萌生、擴展、匯集能否形成導(dǎo)水通道是該工作面水害防治的關(guān)鍵，因此有必要探討工作面采動的裂隙演化規(guī)律。

如圖2 所示，冒落帶隨著煤層的回采受力不均，會掉落下不定形狀的巖塊，冒落帶是煤層頂板最下方的巖層，貼合煤層工作面。隨著掉落的巖石被不斷壓實，將慢慢形成新的頂板。冒落帶的上方連接為裂隙帶，組成裂隙帶的巖石結(jié)構(gòu)差異較大。在裂隙帶的上層是彎曲下沉帶，這一層巖體在自身重力的作用下產(chǎn)生彎曲變形但不再破裂。

圖2 201 工作面覆巖裂隙區(qū)域劃分示意Fig.2 Overlying strata fracture area division of No.201 Face

3 201 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

目前，關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定主要通過工程地質(zhì)比擬、相似材料模擬試驗、數(shù)值模擬、工程現(xiàn)場探測等方法確定。

根據(jù)已知金辛達煤業(yè)地質(zhì)資料，結(jié)合現(xiàn)場探測環(huán)境，201 工作面采用井下仰孔注水測漏法和鉆孔電視觀測法對其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行探測。

3.1 井下仰孔注水側(cè)漏法

3.1.1 方法介紹

井下仰孔注水測漏法是在工作面周圍的巷道中向工作面內(nèi)部斜上方打孔，使鉆孔穿過裂隙帶的一種方法，這種方法在導(dǎo)水斷裂帶觀測中使用廣泛，如圖3 所示。

圖3 井下仰孔注水測漏法示意Fig.3 The schematic of underground upward hole water injection leak detection method

3.1.2 現(xiàn)場實測方案設(shè)計

201 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度觀測設(shè)計2 個鉆孔，鉆桿直徑63.5 mm，鉆孔直徑110 mm。由于鉆孔深度較大，為了防止鉆孔塌陷破壞，每完成1個鉆孔后，隨即進行注水觀測，依次完成各鉆孔的觀測試驗工作。通過經(jīng)驗公式計算，201 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度處于煤層頂部43.47 m 處，再考慮一定的富余系數(shù)，設(shè)計的導(dǎo)水裂隙帶觀察孔與煤層垂距為55 m。如圖4 所示，設(shè)計2 個向工作面采空區(qū)方向的觀測孔，鉆孔仰角分別為58.4°和54.9°，測試導(dǎo)水裂隙帶的最大高度。

圖4 201 工作面觀測鉆孔布置剖面示意Fig.4 The profile of observation borehole layout in No.201 face

3.1.3 數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析

依照設(shè)計施工鉆孔，通過分析各測孔校正后的結(jié)果數(shù)據(jù)，可確定最大導(dǎo)水裂隙帶高度。

（1） 1 號鉆孔裂隙帶實測及分析。1 號孔的觀測由下往上進行，即從鉆孔深度33 m 至53 m 依次分段觀測，觀測到孔深53 m 時停止，實測數(shù)據(jù)見表2 和圖5。

表2 1 號孔注水觀測實驗數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of water injection observation in No.1 hole

圖5 1 號鉆孔注水漏失量示意Fig.5 The schematic diagram of No.1 borehole water injection leakage

依據(jù)表2 和圖5 可知，當孔深由45 m 推進到46 m 時，注水漏失量由11.5 L/min 突然下降到5.2 L/min，且孔深46 m 后的鉆孔注水漏失量無上升，由此將鉆孔觀測范圍內(nèi)的注水漏失量分為注水漏失量大的I 階段與漏失量小的II 階段。

I 階段孔深為33～45 m，垂高28.11～38.33 m，鉆孔注水漏失量8.9～14.8 L/min，巖層注水漏失量較大，說明鉆孔穿過了裂隙帶，該范圍內(nèi)巖層裂隙較為發(fā)育，導(dǎo)水性較強；II 階段孔深為46～53 m，垂高39.18～45.14 m，鉆孔注水漏失量為2.9～5.2 L/min，注水漏失量較小，表明該范圍內(nèi)巖層裂隙不發(fā)育，導(dǎo)水性較弱，裂隙帶發(fā)育高度未到此處。

在觀測過程中，鉆孔深度由45 m 增加至46 m時，即垂高從38.33 m 增至39.18 m 時，巖層的漏失量由11.5 L/min 驟減至5.2 L/min，說明39.18 m為1 號觀測孔測到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度。

（2） 2 號鉆孔裂隙帶實測及分析。同理，2 號孔的觀測由下往上進行，即從鉆孔深度35 m 至53 m 依次分段觀測，觀測到孔深53 m 時停止，實測數(shù)據(jù)見表3 和圖6。

表3 2 號孔注水觀測實驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of water injection observation in No.2 hole

圖6 2 號鉆孔注水漏失量示意Fig.6 The schematic diagram of No.2 borehole water injection leakage

根據(jù)表3 和圖6 顯示，同樣可分為兩階段。I階段孔深35～46 m，垂高28.64～37.63 m，巖層注水漏失量為8.8～15.6 L/min，巖層注水漏失量較大，表明觀察鉆孔穿過裂隙帶，說明此范圍內(nèi)巖層次生裂隙較為發(fā)育，巖層的導(dǎo)水性能較強；II 階段孔深47～53 m，垂高38.45～43.36 m，巖層注水漏失量為3.7～5.6 L/min，巖層注水漏失量較小，表明此階段范圍內(nèi)巖層次生裂隙不發(fā)育，巖層內(nèi)主要為原生裂隙，巖層的導(dǎo)水能力較小，說明裂隙帶發(fā)育高度未波及到此。

在觀測過程中，鉆孔深度由46 m 增加至47 m時，即垂高從37.63 m 增至38.45 m 時，巖層的滲水量由13.2 L/min 減小到5.2 L/min，說明38.45 m為2 號鉆孔觀測到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度。

3.2 鉆孔電視觀測法

3.2.1 方法介紹

鉆孔電視成像儀器可對鉆孔內(nèi)壁進行全程錄像，并可對關(guān)鍵部位進行抓拍，用于探測鉆孔的成孔質(zhì)量及效果，測量鉆孔在地層中的軌跡和深度，觀測裂隙的大小和方向等。這種方法適合上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶等的探測。

3.2.2 鉆孔電視實測成果分析

（1） 1 號鉆孔實測成果分析。

使用GD3Q-GA 鉆孔電視對1 號鉆孔進行現(xiàn)場觀測，拍攝錄像40 min，觀測深度65.24 m，通過觀看錄像甄別截取主要觀測成果，具體如圖7所示。

圖7 1 號鉆孔現(xiàn)場觀測圖像Fig.7 Field observation image of No.1 borehole

從圖7 可以看出，孔深7.2 m 和27.3 m 處的鉆孔內(nèi)壁完整，觀察不到裂隙，說明從開孔位置到孔深27.3 m 位置，鉆孔內(nèi)裂隙不發(fā)育。孔深29.6 m和45.6 m 處的鉆孔內(nèi)壁存在裂隙，可觀察到明顯的橫向離層裂隙，利用三角函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，孔深29.6 m 位置與采空區(qū)的垂直距離為25.1 m，該范圍內(nèi)的巖層由上往下是砂質(zhì)泥巖和石灰?guī)r，推測此橫向離層裂隙為受采動影響的砂質(zhì)泥巖和石灰?guī)r產(chǎn)生的離層裂隙，說明孔深29.6 m 位置已處于采空區(qū)上方，進入了導(dǎo)水裂隙帶范圍。孔深29.6 m 和45.6 m 處裂隙較為發(fā)育，說明此階段處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)。孔深45.6 m 后不存在明顯的裂隙，說明孔深45.6 m 之后的鉆孔不在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)。因此判斷孔深45.6 m 處為導(dǎo)水裂隙帶頂部，與采空區(qū)的垂直距離為38.71 m，這與1 號孔漏失量觀測的結(jié)果基本一致。

（2） 2 號鉆孔實測成果分析。

使用GD3Q-GA 鉆孔電視對2 號鉆孔進行現(xiàn)場觀測，拍攝錄像36 min，觀測深度達到63.51 m，通過觀看錄像甄別截取，具體如圖8 所示。

圖8 2 號鉆孔現(xiàn)場觀測圖像Fig.8 Field observation image of No.2 borehole

從圖8 可以看出，從開孔位置到孔深27.5 m位置，鉆孔內(nèi)裂隙不發(fā)育；從孔深27.5 m 至孔深45.7 m，裂隙較為發(fā)育，以橫向離層裂隙為主，橫向和豎向裂隙交叉分布，部分段較為破碎；從45.7 m 往上至孔底，孔壁保持較完整，部分孔壁出現(xiàn)原生微小裂隙。孔深45.7m 為導(dǎo)水裂隙帶頂部，與采空區(qū)的垂直距離為37.4 m，與2 號孔通過漏失量觀測的結(jié)果基本一致。

3.3 201 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度確定

此次對導(dǎo)水裂隙帶高度觀測鉆孔進行注水漏失量觀測和鉆孔電視觀測，2 個鉆孔通過兩種方法觀測到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相互驗證，最終確定201 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為39.18 m。

4 結(jié) 語

本文以金辛達煤礦2 號煤層頂板水害防治為研究背景，通過對201 工作面采動覆巖裂隙的研究，總結(jié)出其導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，綜合采用2 種實測手段確定了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，研究成果豐富了巖層控制理論與頂板突水機理有著重要的理論意義，對防治水工程實踐有重要的指導(dǎo)意義，為煤礦安全高效開采奠定了基礎(chǔ)。