麻家梁矿煤层顶板“两带”高度发育特征研究

2015-01-12 05:56:28张超

同煤科技 2015年3期

张超

0 引言

麻家梁煤矿是大同煤矿集团公司7 个千万吨级矿井之一，目前矿井主采4 号煤层。4 号煤层埋藏较深，顶板上覆基岩及松散层整体较厚。但由于麻家梁井田部分地段分布数条较大断层，煤层回采后不能完全排除导水裂缝带与之沟通，从而存在溃水溃沙等灾害的可能性；其次，4 号煤层直接充水水源为煤层顶底板K5、K4砂岩裂隙水，这些含水层一般富水性相对较弱，但在向斜轴部和裂隙发育区含水层富水性相对较强，水量比较集中，对矿井安全生产存在一定威胁。

1 水文地质条件

井田位于朔县平原东南部，为神头岩溶泉域水文地质单元的径流区的一部分，总体特征为：覆盖厚层新生界松散沉积物，碎屑岩裂隙含水层较发育，岩溶裂隙含水群埋藏深度大、水头压力高。

1.1 井田发育的主要含水层（自上而下）

（1）新生界孔隙含水层，全区分布，富水性强～中等，构成基岩直接盖层。

（2）二叠系上下石盒子组砂岩含水层组，平均厚度272.8 m，泥岩、砂岩组成。

（3）早二叠系下部裂隙含水层（P1s），平均72.39 m，分布比较稳定，厚度较大。

（4）上石炭系裂隙含水层（C3t），平均80.43 m。

（5）奥陶系岩溶裂隙含水层，揭露中奥陶系灰岩（O2m）70 m 左右，岩溶裂隙发育；区内无钻孔揭露下奥陶系岩溶裂隙含水层（O1）。

1.2 井田主要隔水层

（1）中石炭系碎屑岩隔水组（C2b），本溪组地层，厚度26.72 m～63.71 m，埋深227.36 m～793.91 m，隔水性能较好。

（2）二叠系中下部碎屑岩隔水层（P2s+P1x），厚度0 m～414.88 m，裂隙不甚发育，隔水性能良好。

2 顶板“两带”发育高度实测

麻家梁矿井4 号煤层充水水源主要来自于二叠系山西组砂岩裂隙含水层、二叠系上下石盒子组含水层直接充水含水层。煤层采动后导水裂缝带波及上覆含水层，成为矿井的主要充水水源，形成矿井安全开采的主要威胁。因此，顶板导水裂缝带[1-2]发育规律为本研究的重点。

现场实测方法是确定导水裂缝带高度的主要途径。本研究选用地面水位观测法、地面钻孔钻液漏失量观测法[3]及工作面涌水观测法进行导水裂缝带发育高度的综合确定。观测内容见第52 页表1。

2.1 顶板“两带”探查

共布设3 个探查钻孔，均为地面钻孔：D1、D2、D3，总进尺1 697.68 m。测井1 174.95 m，水样9个，岩样14 组，抽水试验3 次（3 个层位），并进行了D1、D2 钻孔浆液消耗量观测。具体工程量见表2。

表1 顶板导水裂缝带探查观测内容

表2 工程量统计

2.2 钻液消耗量法探查

D3 钻孔为采后探查钻孔，用于探查覆岩导水裂缝带发育高度。D3 钻孔距首采面切眼约644 m，距D1 孔458 m，距巷道20 m。D3 孔处煤层顶板埋深635 m，煤层厚度10 m。要求钻孔向下施工至煤层导水裂缝带发育范围，在钻液明显增大无法施工时终孔。D3 钻孔井身结构见表3，D3 钻孔结构示意图见图1。

表3 D3 探查钻孔井身结构

D3 钻孔施工中钻液漏失量随钻探深度变化见图2，钻液消耗情况如下：

（1）进入基岩用清水钻进时开始有消耗。孔深275 m～400 m 范围内，钻液消耗量一直在每钻进0.5 m 浆池液面下降0.01 m～0.03 m 之间（消耗量约为0.000 03 L/（m·s）～0.000 07 L/（m·s）），钻液消耗量总体保持稳定，孔内水位约保持在30 m 左右。

图1 D3 钻孔结构示意

图2 D3 钻孔钻液漏失量随深度变化曲线

（2）自421.69 m 深开始，消耗量出现增大的迹象，最大增至0.000 15 L/（m·s）。在孔深428.35 m 时出现不返浆钻液漏失情况，持续时间较短，起钻后测孔内水位31 m。该处距煤层顶板206.65 m，为煤层采厚的20.67 倍，经注水后恢复正常，继续钻进。在后续施工过程中，孔内水位呈明显加深变化趋势，在460 m 深处孔内水位达61 m。

（3）钻进至506.97 m 时，随着钻进深度的增加，消耗量逐步增大现象明显，在孔深506.97 m～510.97 m 孔段内最为明显，其消耗量从0.000 03 L/（m·s）逐步增大至0.000 5l L/（m·s），同时孔内水位保持在60 m 深。

（4）钻进至516.48 m 发生大漏，孔内水位降至162.10 m。该处距煤层顶板118.52 m，为煤层采厚11.85 倍；

（5）经过堵漏后，钻进到517.68 m 深时发生大漏，孔壁坍塌，水位无法观测到。坍塌孔段为290 m起至390 m 处，并有卡钻情况出现。该处距煤层顶板117.32 m，为煤层采厚11.73 倍。

（6）采前采后钻孔漏失量对比。根据D1、D2 和D3 钻孔单位时间单位进尺钻液漏失量变化曲线对比分析，D1、D2 采前钻孔在钻进过程中钻液的消耗量变化比较平稳，无明显的钻液漏失集中段。而从采后D3 钻孔可以看出，钻孔钻进至421 m 深以后，钻孔漏失量明显加大，且相对集中，这也说明了4 号煤层顶板导水裂缝带高度已发育至该层段。

通过D3 钻孔钻液漏失量观测，经与D1、D2 孔观测资料对比，可得出覆岩导水裂缝带可波及至顶板206.65 m，裂高采厚比可达20.67 倍。

2.3 首采面涌水及水位观测资料综合分析

在地面探查钻孔终孔后，安装了地面水文遥测系统，对地面D1、D2 钻孔水位进行了长观。其中D1钻孔监测松散含水层水位变化，D2 钻孔观测上石盒子组含水层水位变化。

2.3.1 D1 钻孔松散含水层水位变化

在首采面回采期间，松散含水层水位基本保持稳定，井下水量无突增情况，煤层采动顶板导水裂缝带未波及到松散含水层，松散含水层未成为首采面直接充水水源。

2.3.2 D2 钻孔松散含水层水位变化

D2 孔孔底距离煤层顶板203.32 m，上石盒子组139.65 m 为裸孔段，上部松散含水层已采用套管水泥永久固结。D2 钻孔水位监测资料显示，在首采面推采过D2 钻孔前后，钻孔水位呈缓慢下降趋势，至10 月初，钻孔水位持续下降约20 m，表明煤层顶板导水裂缝带已波及上石盒子组含水层。D2 钻孔水位的异常变化为判别顶板导水裂缝带发育高度提供了最直接的有力证据。D2 钻孔水位变化历时曲线见图3。