带压开采工作面顶板“三带”测试技术研究

杨彦群

（山西焦煤集团公司技术中心，山西省太原市，030053）

带压开采工作面顶板“三带”测试技术研究

杨彦群

（山西焦煤集团公司技术中心，山西省太原市，030053）

以镇城底煤矿8＃煤层为研究对象，依据8＃煤层顶板工程地质条件和水文地质条件，分析综采放顶带压开采条件下“三带”特征，通过现场钻探压水试验，系统研究了主采煤层“三带”发育特征和覆岩破坏规律，为三水平大巷设计布置及未开采区工作面防水煤柱的留设提供科学依据。

综放工作面 带压开采 三带 测试技术

综采放顶煤开采具有产量高、经济效益好等特点，得到越来越广泛地应用。但此法开采引起的覆岩破坏严重，特别是在煤层与上覆采空区或者含水层（体）、下伏承压含水层（奥灰含水层）相距不远时，由于开采引起的采动裂隙带厚度大，导水裂隙带波及含水层或者采空区，使井下巷道或工作面的淋水、涌水量增加，甚至发生溃砂、溃水事故，给井下生产和工人的生命安全带来很大的威胁。

本文通过井下仰（俯）孔注水测漏法，研究了综采放顶开采方式形成的顶板冒落带、导水裂缝带、弯曲下沉带高度及其发育规律以及底板导水破坏带和完整岩层带的高度及其发育规律。为煤矿安全生产及防治水提供可靠的水文地质资料。

1 工作面概况

镇城底矿28103工作面地表位于独兰村以南，黑豆山以东，歇马村以北，赤泥岩以西，官长沟一带，815钻孔附近，覆盖层厚度为243～338m。28103工作面井下位于南一采区，南接南一下组轨道巷、运输巷和回风巷，其他相邻区域为未采区，是南一采区下组煤首采工作面。工作面所采煤层为8＃煤层，煤层稳定，煤层厚度为4.46m，煤层整体呈宽缓的背斜和向斜构造，背斜轴向北82°西，向斜轴向南80°西，煤层倾角11°左右。8＃煤层顶板岩层主要是由泥岩和石灰岩组成，老顶为石灰岩，厚度3.84m，直接顶为石灰岩，厚度2.58 m，伪顶为泥岩，厚度为0～0.2m；底板主要由砂质泥岩组成，直接底为砂质泥岩，厚度5.8m，老底为砂质泥岩，厚度5.7m。

28103工作面水文地质情况较复杂，属带压开采，工作面标高低于奥灰静止水位标高62～108m，底板最大突水系数为0.037MPa／m。顶板L1、K2、L4 3层灰岩水是该工作面充水的主要水源，正常情况下，工作面仅有滴水、淋水现象，工作面正常涌水量为5.0m3／h，最大涌水量为30m3／h。

2 压水试验实施方案

2.1 实施方案

2.1.1 井下仰（俯）孔注水测漏法

井下仰（俯）孔注水测漏法是在井下工作面的外围巷道或硐室中，向工作面内斜上方打小口径仰斜钻孔，钻孔穿过预计的覆岩破坏范围并超过预计顶界一定高度，采用钻孔双端堵水器对钻孔进行逐段封隔注水，测定各孔段漏失量变化情况，以此确定覆岩破坏规律。井下仰（俯）孔注水测漏法示意图见图1。

图1 井下仰（俯）孔注水测漏法示意图

2.1.2 钻孔技术参数

试验孔位于28103工作面南一下组上部车场副巷开口处，开孔处层位为8＃煤层底板，岩性为砂质泥岩。

根据试验点工作面煤系地层特征及钻孔技术要求，考虑钻进时8＃煤层顶板砂质泥岩较破碎，施工时选择ZDY－1200S（MK－4）型煤矿用全液压坑道钻机。

顶板试验钻孔沿方位37°方向施工，钻孔仰角48°，设计孔深94.53m，实际终孔深度为96.89m。

底板试验钻孔沿方位37°方向施工，钻孔俯角－39°，设计孔深28.28m，实际终孔深度为24m。

2.1.3 观测钻孔施工

试验孔开口先用ø127mm钻头钻进，钻进至3.5m，下ø108mm套管3m，套管外侧焊接一个配套法兰盘并配备闸阀，并用高标号水泥封套管外壁与钻孔中间空隙。然后用ø75mm钻头钻进，直至终孔，终孔后关闭套管闸阀，防止采空区中积水和瓦斯大量涌入工作面。

3 试验结果

3.1 顶板“两带”高度的判断

（1）冒落带判断。由于冒落带岩石破碎，所以当钻进至冒落带时孔内反水会突然减小或无反水，并有明显的卡钻现象，而钻头穿过冒落带后孔内反水会突然增大，卡钻现象消失，并且通过压水试验水量变化特征（冒落带水量大于裂隙带水量），据此可以正确判断冒落带顶点位置。

实际施工时，当钻孔钻进到10.2m时孔内反水突然减小，再往前钻进有明显的卡钻现象，可以判断从孔深10.2m进入冒落带。钻进至16.2m时卡钻严重，孔内无反水，继续钻进，到32.7m时钻进时反水正常，无卡钻现象。在钻进的过程中分别在10.2m、16.2m、28.2m、32.7m的时候做压水试验，顶板钻孔施工压水试验数据见表1，钻孔深度与压水流量关系见图1。由表1和图1看出，在相同的压力下，钻孔在10.2m、16.2m和28.2m深时，压水流量分别为2.25m3／h、2.3 m3／h和2.12m3／h；在32.7m深时，压水流量为0.75m3／h，压水流量明显小于前面的流量。据此判断在孔深32.7m穿过冒落带进入裂隙带。

（2）裂隙带判断。裂隙带的判断依据是压水试验结果。当钻孔进入裂缝带后，在相同的压力下，压水水量基本保持一致。由于裂缝带存在大量裂隙，所以只要没有过裂隙带，在一定的压力下，新钻进的孔段就可以顺利压入大量的水。由表1和图1看出，当钻进至65.7m、76.2m、79.2m时分别做压水试验，压水流量在0.68～0.75m3／h的范围变化，当钻进至孔深88.2m处压水时，压水困难，压水流量为0.21m3／h，说明钻孔在88.2m已穿过裂隙带。为了进一步证实是否穿过裂隙带，又继续钻进到91.2m进行压水，水流量变化特征与88.2m处相似，所以判定88.2m处为裂隙带的顶点。

根据钻探和压水试验结果，确定28103工作面试验孔处8＃煤层的覆岩冒落带大约在孔深10.2～32.7m之间，即冒落带高度为16.72m，裂隙带大约位于孔深32.7～88.2m之间，裂隙带高度为41.26m，如图3所示。

表1 顶板钻孔施工压水试验记录

3.2 底板采动破坏带的判断

底板采动破坏带的判断依据是压水试验结果，见表2。当钻孔进入破坏带后，在相同的压力下，压水水量基本保持一致。由于破坏带存在大量裂隙，所以只要没有穿过破坏带，新钻进的孔段就可以顺利压入大量的水，且压力不大。由表2可知，当压力为1.0MPa时，钻孔深度分别为6.4m、15.1m、20m、24m做压水试验，压水流量分别为0.648m3／h、0.641m3／h、0m3／h、0m3／h；在压力为2.5MPa时，钻孔深度在20m、24m做压水试验，压水流量分别为0.013m3／h、0.015m3／h。由此看出，当钻孔深度低于20m时，压水流量能保持一个较高的数值，而当钻孔深度大于20m时，压水流量突然降低，即使增加压水压力，效果也不明显，因此，可以判定，当钻孔深度小于20m时，底板处于导水破坏带，而钻孔深度大于20m时，底板进入完整岩层带。根据钻探和压水试验结果，确定28103工作面8＃煤层试验孔处底板采动破坏带大约在孔深20m左右，即底板采动破坏深度12.6m，如图4所示。

表2 底板钻孔施工压水试验记录

图4 钻孔揭穿底板破坏带示意图

4 结论

根据钻探和压水试验结果，28103工作面试验孔处8＃煤层覆岩冒落带高度16.72m，裂缝带高度41.26m，底板导水破坏深度12.6m。

通过压水试验的结果为镇城底矿拟建采区和工作面防水煤柱的留设、综放开采留采比的确定、煤层气抽采、带压开采提供了参考。

[1] 徐玉增.葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究[J].中国煤炭，2010（4）

Study on"three zones"testing technology on mining faces under water pressure

Yang Yanqun

（Technical Center，Shanxi Coking Coal Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030053，China）

Taking the No.8coal seam of Zhenchengdi Mine as an example，based on the engineering geological and hydrogeology conditions of No.8coal seam roof，the paper analyzed the fully－mechanized caving mining"three zones"characteristics under water pressure mining.Site drilling and water pressure tests were used to study on main seam"three zones"development characteristics and overburden failure law.The above study results could provide scientific basis for to No.3level tunnel layout and water proof coal pillar leaving to working face in non－mining area.

fully－mechanized top coal caving face，water pressure mining，three zones，testing technology

TD823.97

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