工作面頂板導水裂隙帶高度觀測方法研究

喬曉峰

（中煤昔陽能源有限責任公司白羊嶺煤礦，山西 晉中 045300）

導水裂隙帶高度準確觀察以及形態(tài)研究是合理確定礦井開采上限的重要依據(jù)[1-3]，是含水層下采掘施工安全的重要保障。傳統(tǒng)井下覆巖導水裂隙帶高度觀測主要通過地面施工鉆孔，根據(jù)鉆孔內(nèi)沖洗液消耗量確定裂隙帶高度。采用該方法時鉆孔施工工程量大、盲目性大、工程施工費用高、測量精度低[4-5]，而且該方法受井下施工條件限制大，如在三下采煤時很難從地面進行鉆孔施工。所以提出一種具有低成本、測量精度高的導水裂隙帶高度觀測方法對煤礦水害防治、水下采煤具有重要意義[6]。本文以白羊嶺煤礦15108 工作面為研究背景，通過從井下向15#煤層上覆含水層導水裂隙帶施工注水鉆孔，準確測量每段注水后流失量判斷該區(qū)域圍巖裂隙情況，從而準確判斷導水裂隙帶高度。采用該方法進行裂隙帶高度測量時具有鉆孔施工工程量小、便于操作施工、觀測精度高等優(yōu)點[7-8]，為含水層下采掘施工提供了有力的技術(shù)依據(jù)和安全保障。

1 工程概述

中煤昔陽能源有限責任公司白羊嶺煤礦15108工作面位于一采區(qū)+600 m 水平，設(shè)計平距長度2695 m（軌道及聯(lián)巷），方位角180°。巷道15108 軌順及聯(lián)巷自東翼輔助運輸大巷開口，南距井田邊界34 m，北部系統(tǒng)巷道均已施工完畢，巷道西部為設(shè)計15108 工作面，東部距15110 采空區(qū)煤柱15 m。15110 工作面于2017 年1 月開始回采，至2019 年10 月已回采完畢。

15108 工作面設(shè)計走向長度為1450 m，傾向長度為187 m，回采15#煤層。煤層為黑色，塊狀及粉末狀，以暗色為主，厚度4.5～4.8 m，平均4.6 m，局部含有夾矸，夾矸為黑色泥巖，最大厚度約0.1 m。煤層走向238°～260°，傾向148°～170°，傾角約3°～6°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 15#煤層頂?shù)装鍘r性表

2 工作面水文地質(zhì)條件

根據(jù)物探資料顯示，15108 工作面上覆以砂巖、粉砂巖及灰?guī)r為主，僅局部裂隙發(fā)育處可能有出水現(xiàn)象，積水標高均為+694.7 m。受工作面采動影響，上覆含水層水通過導水通道進入工作面，雖然前期已對上覆含水層水進行疏放，但是在前期回采過程中仍出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象，正常涌水量為 4.7 m3/h，隨著工作面推采垮落，將通過裂隙導入工作面。

為避免工作面回采過程中波及采空區(qū)積水造成透水事故，需探測15108 工作面采場覆巖導水裂縫帶高度。初步設(shè)計在地面布置鉆孔向上覆裂隙帶打鉆，根據(jù)沖洗液消耗量確定裂隙帶高度。該方法在15106、15104 工作面應(yīng)用中，存在以下問題：

1）鉆孔定位難度大。由于受地面群山、建筑物、森林等影響，從地面向井下施工鉆孔時鉆孔定位難度大，危險系數(shù)高。

2）鉆孔施工成本高。白羊嶺煤礦15#煤層埋深在420～450 m 范圍內(nèi)，從地面施工鉆孔時，單孔施工最大深度達350 m，單孔施工周期達29 d，鉆孔施工成本為37 元/m，成本費用高，周期長。

3）測量精度低。采用地面打鉆沖洗液消耗量法確定裂隙帶高度時，由于鉆孔開口往下30～50 m范圍內(nèi)為地表松軟層，沖洗液在該區(qū)域內(nèi)消耗量大，對導水裂隙帶測量精度影響大。根據(jù)15106、15104工作面上覆裂隙帶測量精度來看，地面打鉆法測量靈敏度低，裂隙帶高度測量誤差在5～10 m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 力學模型的建立

1）結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)15108 工作面實際情況，設(shè)定工程模型埋藏深度為100 m，工作面可采長度為350 m，工作面傾向長度為120 m，煤層傾角為4°，工作面煤層及圍巖巖性根據(jù)實際情況進行建立。整個數(shù)值模型采用24 553個單元和27 899個節(jié)點組成。

2）邊界條件設(shè)定。對模型縱向及橫向施加水平位移約束條件，從而控制邊界在水平方向上移動，對模型底部施加在垂直方向上的約束條件，控制在垂直方向位移，模型上部邊界為自由面，主要模擬上部巖體自重。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬計算后，得出工作面回采后覆巖在采動影響下拉伸應(yīng)力分布圖以及塑性區(qū)分布云圖如圖1 所示。工作面在回采過程中，受采動影響上覆巖層出現(xiàn)下沉，導致大部分覆巖產(chǎn)生塑性破壞。根據(jù)圍巖塑性區(qū)分布圖可知，工作面回采后上覆巖體塑性流動區(qū)主要集中在頂板往上30 m 范圍內(nèi)，最大連續(xù)塑性區(qū)為29 m，開采期間上覆巖層在拉伸破壞作用下出現(xiàn)大面積破碎垮落，從而在上覆巖層內(nèi)形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

圖1 采動影響下工作面覆巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布云圖

根據(jù)圍巖拉伸應(yīng)力分布圖可知，當上覆巖層處于最大拉應(yīng)力時圍巖垮落帶高度達10 m，當覆巖處于最小拉應(yīng)力時圍巖最大裂隙帶高度為19.14 m，而覆巖導水裂隙帶高度為拉應(yīng)力下圍巖垮落帶高度與裂隙帶高度之和，即為29.14 m。

通過綜合分析以及數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面回采期間上覆導水裂隙帶高度位于塑性變形區(qū)和拉應(yīng)力破壞區(qū)內(nèi)，所以導水裂隙帶高度應(yīng)小于拉應(yīng)力破壞區(qū)高度和塑性變形區(qū)高度，由此可判定導水裂隙帶高度為29 m 左右。

4 井下導水裂隙帶觀測方法

4.1 導水裂隙帶觀測方案

在回采工作面周邊布置鉆場，在鉆場內(nèi)向采空區(qū)上覆導水裂隙帶方向施工仰斜鉆孔，對每段鉆孔進行注水試驗，在注水過程中準確記錄注水量、注水時間、流失量等參數(shù)，最后進行對比分析，判斷導水裂隙帶高度。該方法與傳統(tǒng)的地面鉆孔沖洗液法相比，具有鉆孔施工工程量小、施工成本費用低、測量精度高等優(yōu)點[9]。

4.2 鉆孔施工

在15108 工作面回風順槽頂板共計布置2 個鉆孔，鉆孔編號為1#、2#。1#鉆孔為試驗孔，2#鉆孔為對比孔。其中1#孔深度為43 m，仰角為70°；2#孔深度為46 m，仰角為60°。15108 工作面導水裂隙帶高度觀測鉆孔布置如圖2 所示。所有鉆孔直徑為94 mm，其中1#鉆孔與工作面間距為15 m，2#鉆孔與工作面間距為50 m。

圖2 15108 工作面導水裂隙帶高度觀測鉆孔布置圖

4.3 鉆孔封孔工藝

1）15108 工作面導水裂隙帶高度觀測鉆孔采用ZYW-1200 型全液壓鉆機進行施工。鉆孔施工后對孔口處安裝孔口套管，鉆孔擴孔直徑為134 mm，擴孔長度為10 m。擴孔后對孔內(nèi)安裝直徑108 mm無縫鋼管，每節(jié)鋼管長度為1 m，管與管之間采用內(nèi)絲外絲連接，絲扣長度為150 mm。在鋼管外露端安裝法蘭盤及閥門。

2）孔口管安裝后采用3NBB3.1-15.0/6.0-2.5-1.5型煤礦用變量泥漿泵對孔口管與孔壁之間進行注漿施工。注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿。

4.4 導水裂隙帶高度觀測儀結(jié)構(gòu)

1）導水裂隙帶高度觀測儀主要由堵水器、連接管路以及控制臺等部分組成。堵水器主要由起脹膠囊和注水管組成，膠囊共計2 個；連接管路主要有注水管路和起脹管路。

2）控制臺包括起脹控制臺和注水控制臺。起脹控制臺利用起脹管路與堵水器2 個膠囊進行連接，從而形成膠囊起脹、收縮控制系統(tǒng)；注水控制臺通過注水管路與堵水器注水探管連接，從而形成鉆孔注水觀測系統(tǒng)。如圖3。

4.5 觀測方法

導水裂隙帶高度觀測儀中堵水器主要通過注水控制臺和起脹控制臺同時控制操作。起脹控制臺和注水控制臺兩端分別連接起脹管路、注水管路以及高壓氣源和高壓水源，具體操作工序如下：

1）收縮膠囊。通過操作起脹控制臺使堵水器兩端的膠囊內(nèi)空氣排出，處于完全無壓收縮狀態(tài)。

2）探頭移動。通過操作鉆機使鉆桿將雙端堵水器探頭推移至指定鉆孔位置，并進行固定。

3）膠囊起脹。雙端堵水器探頭推移到位后通過操作起脹控制臺，對雙端堵水器兩端的膠囊進行充氣加壓，膠囊充氣膨脹后對固定段鉆孔進行封堵形成封閉注水空間。

4）加壓注水。膠囊起脹后通過控制注水控制臺對膠囊形成的環(huán)形封堵空間進行高壓注水。注水時通過注水控制臺安裝流量表實時觀察注水量以及注水時間，注水完成后通過對注水損失量進行監(jiān)測從而推測該段巖體透水性能。

4.6 導水裂隙帶觀測儀法觀測優(yōu)點

導水裂隙帶高度觀測儀觀測法是一種全新高精度裂隙帶探測方法，其主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾方面：

1）鉆孔施工工程量小。采用觀測儀觀測法時打孔施工深度小于100 m，鉆孔布置在裂隙帶探測區(qū)域內(nèi)，施工工序簡單，鉆孔施工精度及效率高。與傳統(tǒng)地面鉆孔沖洗液法相比，施工工程費用可減少70%

2）檢測精度高。采用觀測儀法進行裂隙帶高度測量時，測漏靈敏度為0.1 L/min，探測鉆孔深度達百米以上，深度誤差不超過1%。

3）施工受環(huán)境影響小。相比傳統(tǒng)地面鉆孔沖洗法，該測量方法受施工環(huán)境影響小，適用于水體下采煤工作面導水裂隙帶高度測量，實用性強[10]。

5 注水觀測效果分析

5.1 1#鉆孔觀測結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)繪制出1#鉆孔隔斷巖體注水漏失量圖如圖4。在鉆孔觀測范圍內(nèi)根據(jù)注水漏失量分為兩個區(qū)域，即注水漏失量較大的I 區(qū)域和注水漏失量較小的Ⅱ區(qū)域。

圖4 1#鉆孔巖體注水漏失量測量圖

I 區(qū)域鉆孔深度為10～29 m，垂直高度為9.5～27.48 m?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)注水后漏失量為9.7～18.9 L/min，注水漏失量大，說明該區(qū)域受采動影響圍巖裂隙發(fā)育，鉆孔處于裂隙帶區(qū)，巖體導水性能強。Ⅱ區(qū)域鉆孔深度為29～42 m，垂直高度為27.48～39.7 m。該區(qū)域注水漏失量為2.3～3.4 L/min，該段巖體滲水率低，說明該段巖體完整體好，裂隙不發(fā)育，巖體隔水性能好，導水性能差。

在注水觀測過程中發(fā)現(xiàn)，在垂直高度26～27 m段鉆孔最大滲水量為9.6 L/min ，而在垂高為27.48 m 處鉆孔最大滲水量驟減至3.4 L/min，由此可見1#鉆孔最大導水裂隙高度為27.48 m。

5.2 2#鉆孔觀測結(jié)果分析

由于2#鉆孔布置在距工作面30 m 外，受工作面采動影響相對較小。在孔深10～44 m，垂高為8.67～39.2 m 范圍內(nèi)，每個試驗段注水漏失量在0.9～4.1 L/min；在垂高為27～29 m 段注水漏失量相對較大，為5.2 L/min，該區(qū)域局部存在裂隙帶。由此可見，2#鉆孔整體圍巖完整性好，隔水性能好。

通過綜合分析可知，15108 工作面在回采過程中產(chǎn)生擾動對頂板巖體穩(wěn)定性影響較大，造成頂板巖體裂隙發(fā)育，導致裂隙帶向上覆含水層延伸，最大延伸高度為27.48 m，工作面回采影響范圍為工作面前方0～30 m 范圍，所以回采過程中應(yīng)加強對該區(qū)域淋水現(xiàn)象觀察，必要時采取超前鉆探施工。

6 結(jié)語

白羊嶺煤礦對15108 工作面回采期間上覆含水層導水裂隙帶采用導水裂隙帶高度觀測儀進行觀測，確定了工作面前方30 m 范圍內(nèi)導水裂隙帶高度為27.48 m，30 m 后導水裂隙帶高度小。與傳統(tǒng)地面打鉆法相比，觀測儀觀測法鉆孔施工量小，減少鉆孔施工工程費用70%，測漏精度達 0.1 L/min，且觀測施工受施工環(huán)境影響小，滿足不同施工條件下采掘工作面導水裂隙帶觀測要求，取得了顯著應(yīng)用成效。