黃泥巖頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律與防治水技術(shù)

魏啟俊

（陽泉煤業(yè)集團翼城石丘煤業(yè)有限公司）

覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律決定了礦井的涌水機理［1-3］。現(xiàn)場實測方法是確定導(dǎo)水裂隙帶的直接途徑，主要包括鉆孔注水法、沖洗液漏失量觀測法、電阻率測試法、超聲波成像法、微震監(jiān)測法等［4-6］，其中鉆孔注水法與漏失量觀測法具有裝置簡單、觀測結(jié)果可靠等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。然而鉆孔實測方法的局限性在于僅能部分探測導(dǎo)水裂隙帶高度，可通過結(jié)合數(shù)值模擬方法進行補充驗證［7-8］。因此，針對石丘煤業(yè)9+10 煤覆巖涌水問題，采用鉆孔實測方法與數(shù)值模擬方法對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律進行探究，以期為礦井防治水工作提供指導(dǎo)。

1 工程概況

石丘煤業(yè)井田內(nèi)溝谷發(fā)育，多為“V”字形分布，發(fā)育深度較大的地表溝谷包括有馬泉溝、石丘溝，雨季具有極強的儲水能力。在井田南部及北部煤層露頭地帶，雨季大氣降水可以直接補給煤層及其直接充水含水層，雨季井下涌水量將明顯增大。露頭區(qū)距補給區(qū)近，地下水位埋藏淺，富水性弱—中等，地表水、第四系潛水與上方2 號煤層采空區(qū)對9+10 號煤層采空區(qū)有一定補給，暴雨期間小山溝的溪水可能會沿巖煤層的風(fēng)氧化帶、煤層頂?shù)装辶严稁Щ虿煽諈^(qū)滲入井下，使礦井涌水量增大。覆巖內(nèi)部存在厚度較大的黃泥巖，由于黃泥巖具有極強的水化性質(zhì)［9］，更加促進了覆巖裂隙帶的導(dǎo)水能力，危害礦井工作面的生產(chǎn)。

2 “三帶”發(fā)育現(xiàn)場實測

煤層采動應(yīng)力致使采場頂板發(fā)生破斷，覆巖發(fā)生運移并出現(xiàn)覆巖導(dǎo)水裂隙帶。采用鉆孔沖洗液漏失量觀測方法對石丘煤業(yè)9+10號煤層開采“三帶”高度進行探查。

2.1 鉆探工程施工工藝

依據(jù)礦區(qū)安全生產(chǎn)及水資源保護的具體需求，在石丘煤業(yè)9103 工作面布置3 個導(dǎo)水裂隙帶高度觀測孔（D1、DZ1、DZ2），包括1 個對照鉆孔（D1），2 個三帶調(diào)查鉆孔（DZ1、DZ2），累計鉆探進尺843.95 m。工作面傾向長度為350 m，屬于超長工作面，推進長度約為6.1 km，開采9+10號煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單。

本次鉆探工程所使用的鉆探設(shè)備為GXY-2B 型煤田勘探鉆機，鉆孔開孔為第四系松散砂層，采用φ127 mm麻花鉆干鉆判定潛水位，再用取土器泥漿循環(huán)取心鉆進至基巖界面，隨后使用φ113 mm 鉆頭清水循環(huán)鉆進至風(fēng)化基巖底界面下2 m，再使用φ190 mm 擴孔器擴孔鉆進至風(fēng)化底界，下入φ160 mm 止水護壁套管，并使用水泥固管，待水泥凝固之后采用φ98 mm 雙壁單動巖心管清水循環(huán)取心鉆進至9+10號煤層底板下5 m，每個回次的長度不超過4 m，在裂縫帶不超過2 m，到達終孔層位。

本次所施工的鉆孔一級孔徑為127 mm，滿足方案要求的鉆孔直徑不小于91 mm，心徑不小于60 mm，滿足采樣及巖心保存要求。各層段巖心采取特征見圖1。

對施工的3 個鉆孔巖心采取率進行驗收。驗收標準為巖心采取率完整巖層不低于75%，破碎帶不低于60%。本次鉆探施工累計進尺843.95 m，采取巖心總長696.30 m，總采取率82.90%，其中正常巖石地層進尺513.75 m，巖心采長447.20 m，采取率87%。

2.2 鉆探結(jié)果分析

2.2.1 D1鉆孔（對比孔）

該鉆孔布置在距離9103 工作面回風(fēng)順槽東南方向150 m 處的未采動區(qū)。根據(jù)圖2 所示，在土層區(qū)間內(nèi)沖洗液漏失量變化為0.00～0.60 L/s，平均值0.287 L/s；在黃泥巖基巖區(qū)間沖洗液漏失量變化為0.00～0.45 L/s，平均值0.172 L/s。鉆孔水位的變化趨勢為隨著鉆孔深度的增加而降低，最小值為0.90 m，最大值為22.46 m。

2.2.2 DZ1鉆孔

上述工作貫穿于油田開發(fā)的全過程。對此，我們稱之為油氣生產(chǎn)的戰(zhàn)術(shù)接替。隨著其采出程度的提高和上述各單項措施本身經(jīng)濟效果的相對降低，老油田（區(qū)）多種措施的增產(chǎn)難以彌補自然遞減以致出現(xiàn)越來越大的綜合遞減，伴之而來的是經(jīng)濟效益的下降。

該鉆孔布置在9103 工作面走向中心位置距離切眼370.00 m。根據(jù)圖2 所示，在土層區(qū)間內(nèi)沖洗液漏失量變化為0.00～0.76 L/s；在黃泥巖基巖區(qū)間沖洗液漏失量變化為0.00～8.80 L/s，平均值0.249 L/s。由于黃泥巖水化性質(zhì)的影響，黃泥巖基巖區(qū)間內(nèi)沖洗液漏失量在孔深143.89～146.08 m 段由0.50 L/s 增大至8.80 L/s，隨后鉆孔沖洗液全部漏失。

該鉆孔的水位在觀測過程中隨著孔深的增加而逐漸降低，最小值為0.17 m，最大值為193.70 m，水位在143.89 m 處開始發(fā)生降低，由19.27 m 降低51.40 m，在193.70 m 處，沖洗液完全漏失。通過上述分析可知，DZ1 鉆孔探測的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂點為143.89 m。

2.2.3 DZ2鉆孔

該鉆孔布置在9103 工作面走向中心位置距離切眼666.48 m。根據(jù)圖2 所示，在土層區(qū)間內(nèi)沖洗液漏失量變化為0.00～0.80 L/s；在黃泥巖基巖區(qū)間沖洗液漏失量變化為0.00～2.00 L/s，平均值0.249 L/s。由于黃泥巖水化性質(zhì)的影響，黃泥巖基巖區(qū)間內(nèi)沖洗液漏失量在孔深147.12～149.63 m 段由0.040 L/s 增大至2.00 L/s，隨后鉆孔沖洗液全部漏失。

鉆孔水位的變化趨勢為隨著鉆孔深度的增加而降低，最小值為5.23 m，最大值為177.08 m，水位在147.12 m 處由13.20 m 降低130.08 m，在177.08 m 處，沖洗液完全漏失。通過上述分析可知，DZ2鉆孔探測的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂點為147.12 m。

由沖洗液消耗量觀測法綜合分析可知，DZ1鉆孔導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂界位置為143.89 m，DZ2 鉆孔導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂界位置為147.12 m。

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬

準確掌握石丘煤礦冒落帶、裂隙帶的發(fā)育高度，對礦井安全及水害防治和水資源、生態(tài)環(huán)境保護具有重要的意義。為了確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，對鉆孔探測結(jié)果進行補充驗證，利用離散單元法模擬開采過程中覆巖移動特征和導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，得到導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律等。

3.1 數(shù)值模型建立

3.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析

根據(jù)圖3 所示，當(dāng)工作面推進至90 m 時，工作面頂板發(fā)生破斷，頂板的冒落高度約為32 m，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度約為70 m。隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖所受支承力逐漸降低，頂板發(fā)生周期破斷，當(dāng)工作面推進距離為200 m 時，采空區(qū)裂隙已經(jīng)達到123 m。工作面推進距離達到300 m 時，地表出現(xiàn)彎曲下沉裂隙，并與黃泥巖基巖區(qū)域形成貫通。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，導(dǎo)水裂隙帶高度約為159 m，是采高的26.50倍。

為多方位分析導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，對數(shù)值模擬的最大主應(yīng)力結(jié)果進行分析，通過應(yīng)力的分布狀態(tài)判斷導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。圖4 為隨著工作面的推進，最大主應(yīng)力的分布特征。最大主應(yīng)力范圍隨著工作面的逐漸推進而不斷擴大，最大主應(yīng)力的發(fā)育形貌特征與裂隙帶的離層運移特征較為相似。在工作面推進90 m 時，采空區(qū)兩側(cè)的最大主應(yīng)力為10～15 MPa，工作面推進200 m時，采空區(qū)兩側(cè)的最大主應(yīng)力為15～20 MPa，在工作面推進300 m時，采空區(qū)兩側(cè)的最大主應(yīng)力為20～25 MPa。

由于黃泥巖的性質(zhì)較為軟弱，在遇水狀態(tài)下，將會導(dǎo)致應(yīng)力向頂板的中間區(qū)域集中，導(dǎo)致采空區(qū)中部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，采空區(qū)中部的部分裂隙壓實閉合，反映了黃泥巖在實際工程中遇水向采空區(qū)中間位置匯集的運移特性。兩側(cè)裂隙帶發(fā)育至地表，當(dāng)發(fā)生覆巖涌水時，由于黃泥巖向中部匯集，導(dǎo)致采空區(qū)兩側(cè)的頂板裂隙帶聯(lián)通程度較高，因此，導(dǎo)水通道主要為采空區(qū)兩側(cè)裂隙。

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，初次來壓步距90 m，當(dāng)工作面推進300 m 時，與表土層發(fā)生貫通，采空區(qū)中部的部分裂隙壓實閉合，9+10 號煤層開采覆巖穩(wěn)定后，裂隙帶高度約159 m，是采高的26.50 倍，冒落帶高度為30 m，是采高的5 倍，彎曲下沉帶高度為110 m。

4 水患防治措施

9+10號煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶高度143～159 m，可影響煤層頂板以上各含水層及地表，其間裂隙水可沿導(dǎo)水裂隙帶向礦井充水，成為礦井充水的充水水源。頂板黃泥巖常以滲水、淋水的形式進入礦井，回采工作面應(yīng)做好探查與預(yù)疏放工作。具體的防治工作可總結(jié)為“探測+疏放+注漿”綜合防治水技術(shù)：①首先對頂板水富水性探測，通常采用瞬變電磁探查頂板含水層的分布，對富水異常區(qū)進行鉆探驗證。②掘進中注意觀測頂板的出水情況，對有異常的要預(yù)疏放；對頂板水進行預(yù)疏放，為工作面回采大幅度降低水壓，減少工作面涌水對回采的影響；一般采取采動疏干即可，必要時采用井下水文鉆孔，對煤層頂板黃泥巖水井下疏放。③采取注漿方式降低黃泥巖的水化性質(zhì)。④注意頂板涌水的顏色特征，如為黃泥巖遇水軟化造成的頂板導(dǎo)水裂隙帶貫通，則一般表現(xiàn)為采空區(qū)中部淋水顏色泛黃，而采空區(qū)兩側(cè)涌水顏色較淺。

礦井充水方式主要為頂板淋水或涌水，2 號煤層與9+10 號煤層間距為50～60 m，9+10 號煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶最大高度可達到2 號煤層，可導(dǎo)通2 號煤層采空區(qū)積水，通過9+10 號煤層采空區(qū)形成的導(dǎo)水裂隙帶補給9+10 號煤層，說明2 號煤層形成的積水對9+10 號煤層開采有充水影響，通過導(dǎo)水裂隙進入礦井的水量較大，井下排水設(shè)施一定要滿足礦井排水的要求。對于煤及頂板富水異常區(qū)，當(dāng)掘進到富水異常區(qū)附近時應(yīng)進行驗證，必要時提前進行疏放。

5 結(jié)語

（1）采用鉆孔沖洗液漏失量觀測進行石丘煤業(yè)9+10 號煤層開采“三帶”高度的探查。共計施工1 個對照鉆孔，2 個三帶調(diào)查鉆孔（DZ1、DZ2）。DZ1 鉆孔探測的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂點為143.89 m。DZ2 鉆孔探測的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂點為147.12 m。

（2）利用離散單元法模擬開采過程中覆巖移動特征和導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，工作面推進距離達到300 m 時，地表出現(xiàn)彎曲下沉裂隙，并與黃泥巖基巖區(qū)域形成貫通。導(dǎo)水裂隙帶高度約為159 m，是采高的26.50倍；當(dāng)發(fā)生覆巖涌水時，導(dǎo)水通道主要為采空區(qū)兩側(cè)裂隙。

（3）根據(jù)鉆孔實測與數(shù)值模擬結(jié)果提出“探測+疏放+注漿”的綜合防治水技術(shù)，如為黃泥巖遇水軟化造成的頂板導(dǎo)水裂隙帶貫通，則一般表現(xiàn)為采空區(qū)中部淋水顏色泛黃，而采空區(qū)兩側(cè)涌水顏色較淺。