麻家梁矿首采面导水裂隙带发育高度研究

刘宇晶 刘永芳 姜海峰

麻家梁矿位于朔南井田，井田面积104.29 km2，矿井主采4号和9号煤层，现开采+665水平4号煤层。4号煤层首采区埋深523 m，盖山厚度整体较厚，煤层回采正常情况下一般不受松散层含水层和地表水的影响。但由于麻家梁井田为朔南矿区首个开采矿井，开采后的导水裂隙带发育高度及其对上覆含水层影响程度不详，且井田局部构造发育，井田发育数条较大断层，导致4号煤层顶板强度较低，较为破碎，因此，当煤层开采后，导水裂隙带可能导通上覆含水层，并与松散层含水层产生水力联系，威胁矿井正常安全生产。本文针对朔南地区首个采动工作面开展导水裂隙带的高度研究，指导本地区的安全开采。

1 探查工程实施情况

麻家梁矿首采面14101工作面开采4号煤层，煤层厚度4.00 m～11.00 m，平均煤厚9.15 m，全区稳定可采。为分析矿首采面导水裂隙带发育高度，在14101工作面回采前实施探查工程，主要开展4号煤层顶板水文地质条件探查、监测及4煤顶板覆岩破坏高度探查。完成3个地面探查钻孔(如图1-1)，D1、D2、D3孔合计进尺1 697.68 m，水文测井1 174.95 m，采取岩样14组，水样9个，共进行3次抽水试验，按照设计对D1、D2号孔进行水位、漏失量观测，安装地面水位遥测系统2套。

图1 首采面探查钻孔布置

2 导水裂隙带发育高度实测

顶板导水裂隙带探查观测内容及技术要求见表1。

表1 顶板导水裂隙带探查观测内容一览表

2.1 钻液消耗量法探查

地面钻孔钻液漏失量观测法是通过测定回采工作面采空区上方地面钻孔施工过程中的钻孔水位、钻孔冲洗液漏失量、岩芯破碎等资料来综合确定导水裂隙带发育高度的方法[1～2]。

本次地面探查D3钻孔作为采后探查钻孔，用以研究覆岩导水裂隙带发育高度，结合首采面开采进度、工作面涌水量变化等实际情况布孔。D3钻孔距离D1孔458 m，距离首采面切巷约644 m，距离回风巷道20 m。

自进入基岩段施工，自孔深275 m～400 m时，钻液消耗量一直保持在0.000 03～0.000 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。

当钻孔施工至煤层顶板以上206.65 m（孔深至421 m)时，出现不返浆钻液漏失情况，钻液漏失量明显增大，经注水后恢复正常，后续施工过程中，孔内水位呈明显加深变化趋势，且相对集中，在460 m深处孔内水位达61 m，这说明了4号煤层顶板导水裂缝带高度已发育至该层段。根据此钻液漏失异常情况观测分析，以及与其他钻孔观测资料对比分析，煤层导水裂隙带发育高度应该达到煤层顶板206.65 m，而此处的实测煤层厚度为10.0 m，经计算得出裂高采厚比可达20.67。

2.2 首采面涌水及水位观测资料综合分析

在工作面回采前，通过对地面D1、D2钻孔水位进行长期观测，D1、D2钻孔分别观测松散含水层和上石盒子组含水层水位变化。

2.2.1 D1钻孔水位变化

在工作面回采过程中，D1钻孔水位变化不大，未出现水位下降现象。松散含水层水位在2012年10月出现小幅上升，因当地7、8、9月为雨季，初步分析松散层水位上升为大气降水补给所导致，见图2。

图2 D1孔松散含水层水位变化历时曲线

根据松散层水位观测成果，在无异常下降的情况下，工作面涌水量未出现突变异常，以此证明该首采工作面煤层采动后顶板导水裂隙带未波及松散含水层，松散含水层水在正常情况下不会成为首采面的直接充水水源，但不排除成为间接充水水源的可能性。

2.2.2 D2钻孔水位变化

D2孔终孔位于上石盒子组含水层位，距离4号煤层顶板203.32m，上石盒子组部分为裸孔段，上部松散含水层段采用套管水泥永久固结护壁，确保松散层水不会对钻孔水位造成影响。根据对D2钻孔水位监测，在首采面回采推进至D2钻孔前后，钻孔水位缓慢下降约20 m。对比前期水位变化，煤层开采后顶板导水裂隙带波及上石盒子组含水层。

在工作面推采过D2孔后，D2钻孔水位出现异常上升情况，初期水位上升速度较快，短时间内钻孔水位超出含水层背景水位，随后钻孔水位持续升高。在10月11日后日均水位上升约15 m，截止14日早，钻孔水位已升至＋1 145 m，距离松散含水层水位约40 m。结合首采面地面裂缝发育、各含水层背景水位、孔内水位测量异常等情况综合分析，D2钻孔水位异常原因为：首采面顶板覆岩采动变形导致套管挤压变形，在地面下100 m深处套管变形受损，松散含水层在该处通过套管裂缝涌入钻孔导致水位异常变化，不影响对导水裂隙带发育高度的判断。D2钻孔水位变化历时曲线见图3。

图3 D2孔含水层水位变化历时曲线

结合D2钻孔附近煤层资料，煤层厚度为9.0 m，D2钻孔含水层水位变化证明导水裂隙带高度达到203.32m以上，计算得出裂高采厚比可达22.59以上。上石盒子组含水层水可通过导水裂隙带涌入矿井，形成新的导水通道，对矿井总体涌水量有一定影响。

2.2.3 首采面涌水量动态观测分析

在首采面回采过程中，本工作面涌水量保持在30 m3∕h左右，未发生涌水量突增异常情况。即使在7、8、9三个月的雨季及后续三个月的持续涌水量观测过程中，首采面总体涌水量未发生较大变化，表明采煤活动引发导水裂隙带未波及到松散含水层，涉及上部含水层总体富水性较弱，对矿井总体涌水量影响较小。

2.3 数值计算模型

本次数值计算选用FLAC3D数值计算软件。模型将隔水层底界面设为模型下边界。

在考虑采动侧的模型边界位置时，当（超）充分采动时，将采动侧的模型边界置于充分采动区内，以便在模型的采空侧竖向边界施加滚动边界条件，即在模型边界上水平方向位移为零(μ=0)，垂直方向可以运动。虽然这一边界条件与采动过程中点的移动轨迹有出入，但这一边界条件基本上反映了充分采动区内移动稳定后点的位移特征。

本模型以D1、D2、3819孔所揭露地层情况进行概化分层，根据14101工作面实际开采情况，及钻孔分布情况，沿工作面推进方向模拟开挖300 m即可达到模拟效果。为了保证模型计算稳定，在工作面推进方向上设置保护煤柱100 m，在侧帮设置保护煤柱50 m。

本次初始应力平衡计算采用模型自平衡算法，主要显示垂向应力平衡结果。

14101工作面平均采厚9.15 m，为便于计算，模型中模拟采厚为10 m。两带探查孔距切眼距离150 m，模型中设置开挖距离为300 m，开挖范围为X方向的100 m～400 m，开挖步距10 m，计算步中步200步，延续计算1000步以达到模型平衡。

在做顶板覆岩破坏应力场分析过程中，以观测孔所处位置为中点，做倾向剖面，绘制模型垂向应力云图，根据应力云图判断，本工作面采空区前后方的高支撑压力区距煤壁的距离大约为60 m～70 m，最大压应力在37 MPa以上。以距切眼150 m处做垂直于回采方向的剖面，如图4所示，工作面回采300 m后，顶板的塑性破坏区高度已经发育到顶板上方220 m处，且趋于稳定，故本次模拟导水裂缝带发育高度为220 m，裂采比为22倍。

顶板以上60 m范围内为岩层全部破坏，在现实状态下即表现为顶板岩层的冒落，模拟得出14101工作面顶板垮落带发育高度约为60 m，冒采比为6倍。

图4 回采150m处14101工作面顶板“两带”模拟结果

2.4 导水裂隙带高度确定

表2 顶板导水裂隙带确定结果综合分析

本次顶板导水裂隙带探查研究通过水位长观、工作面涌水等方法进行研究，结合数值模拟方法进行验证，从而确定顶板导水裂隙带发育高度，见表2。根据表2，数值模拟结果与实测数值相吻合。

综上分析，本矿井4号煤层在综放条件下的裂高采厚比为21.75。

3 结语

1）通过地面施工探查钻孔验证了麻家梁矿4号煤层顶板导水裂隙带发育高度，矿井在综放开采条件下裂高采厚比为21.75，在大部分区段煤层顶板导水裂隙隙带在正常情况下不会出现与松散层沟通而发生溃水溃沙。

2）本次导水裂隙带高度测试成果对指导朔南矿区4号煤层安全开采具有重要的理论和实际指导意义，为下一步防治水工作提供科学合理的基础数据，确保防治水手段经济高效。