伊田矿导水裂缝带发育高度观测

李 华

(山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西 临汾041204)

1 矿井概况

伊田矿井田面积为10.4651 km2，服务年限为34.1 a，现开采煤层为2#、9+10+11#煤，其中2#煤层厚度为0.45～2.52 m，平均1.31 m，9+10+11#煤层厚度为5.26～7.88 m，平均6.82 m，为低瓦斯矿井，水文地质类型中等，地质构造简单，煤层自燃倾向性等级为II级，属于自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性，矿井采用混合开拓。

矿井含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，太原组含主要可采9+10+11#煤层，山西组含主要可采2#煤层。太原组整合覆于本溪组地层之上。

区域含水层依据含水介质划分为四个含水岩组类型，即：奥陶系石灰岩溶裂隙含水层，石炭系上统石灰岩溶裂隙含水层组，二叠系砂岩裂隙含水层及第四系冲积洪积含水层。

奥陶系石灰岩溶裂隙含水层含水丰富，水质好，为区域主要含水层；石炭系上统石灰岩溶裂隙含水层组，其富水性随埋藏深度和所处构造位置不同而变化，为区域主要含水层之一；二叠系砂岩裂隙含水层在区域内广泛出露，多见有小泉水出露，具有一定富水性，但一般富水性较弱；第四系冲积洪积含水层多分布于较大沟谷及两侧一级阶地，大多富水性较好，为村镇工农业用水的重要水源之一。

2 观测钻孔设计及施工

2.1 导水裂缝带发育预计

由于顶板岩性较为坚硬，受到采动过程的影响较小，较为稳定，顶板随着工作面推进，垮落程度充分，所形成的导水裂缝最大，通常情况下为采厚的18～28倍。岩性较软的顶板，受采动影响大，顶板的稳定性较差，导水裂缝的高度最小，仅为采厚的9～12倍。

煤层赋存条件的差异，及煤层上覆岩层岩性和强度的差异，受到采动所造成的岩层破坏带的最高点在工作面后方形成的采空区位置也存在差异。所以在预测工作面推进中所形成的破坏带的起点应为工作面前方煤体的内部，并且形成的采空区边界是向煤体内部靠拢、转移，最后采空区的最高点是在开采边界内的采空区内侧，最终采空区形成“马鞍型”的形状。

2.2 钻孔设计及施工

本次布置两个钻孔，采用垂直孔方式。钻孔沿采空区走向布置，孔距约50 m。D1钻孔位于南距2103工作面切眼186 m，东距2103运输顺槽40 m，钻进至煤层底板以下；D2钻孔位于D1钻孔正北50 m，钻进至煤层底板以下。

两个钻孔穿过松散层或抵达基岩内的稳定隔水层高度不少于5 m，为钻孔的止水段，对以上的部位下套管止水。钻孔基本参数见表1。

表1 钻孔基本参数

2 D1孔覆岩破坏“两带”高度观测

2.1 钻进过程得到观测结果

在钻进过程中，孔深从361.3 m开始，冲洗液不再返水；而孔深在361.8 m处时，进行提钻发现干燥没有水；从382.0 m开始，钻头开始不时出现压力；继续钻探到389.0 m时，在20～30 cm开始出现掉钻现象。当钻到396.0～398.0 m时，钻头开始频繁发生掉钻，且有卡钻的现象出现，所取岩芯少且极为破碎，钻孔有明显的吸风现象。

2.2 钻孔冲洗液漏水量观测

（1）冲洗液漏失量观测结果分析

D1钻孔分别下两层套管护壁止水，第一层为松散层：孔径Φ113 mm，下Φ108 mm护管，套管长度30.0 m；第二层基岩段：孔径Φ98 mm，下Φ89 mm护管，套管长度350.5 m，管外止水。通过停水检查，采用Φ85 mm钻头从孔深350.0 m处继续对基岩内进行钻进，为便于观测漏失量，选用清水作为钻孔的清洗液，并从该深度开始测冲洗液漏失量。由此，计算得到的D1钻孔冲洗液漏失量随孔深变化曲线见图1。从表2及图1可知，孔内水位随着钻孔深度的增加呈下降趋势。

（2）钻孔水位观测结果分析

根据施工现状和技术要求，每次的水位测量应在每次钻进前和钻进后，以获得钻孔内的水位随深度变化的曲线，钻孔的水位观测表见表2。

图1 D1钻孔冲洗液漏失量随孔深变化曲线

图2 D1钻孔水位随孔深变化曲线

表2 钻孔水位观测记录

（3）D1钻孔导水裂缝带高度的判定

将所测得的冲洗液漏失量、钻孔水位变化情况及所取岩芯进行综合分析得出，在356.6 m处钻孔内的冲洗液漏失量严重，到深度361.3 m处的冲洗液完全丢失；通过在362.0 m提钻，该处孔内不返水，且所取岩芯破碎，伴有纵向断裂的痕迹。因此判定在361.3 m为钻孔D1的导水裂缝带的顶点。因此，根据行业标准提供的导水裂缝带高度计算公式：

式中：Hli为导水裂缝带最大高度，m；H为煤层顶板距离孔口垂深 （取该区域的垂深平均值427.45 m）；h为裂缝带顶点距离孔口垂深，m；W为钻进观测时裂缝带岩层的压缩值，m。在钻孔处煤层采厚M为4.75m，取W=0.2 m，m即W=0.95m，经公式（1）计算，该孔导水裂缝带高度67.1 m，为采厚的14.12倍。

（4）D1钻孔垮落带高度的判定

在继续钻进过程中，钻到387.1 m处，有20～30 cm不时伴有掉钻现象；持续向下钻到396.0～398.0 m，掉钻的情况变得更加频繁，并且钻具振动加剧，不时发生卡钻的现象，同时孔内发生吸风现象，所提取的岩芯很少，且极其破碎，据上判定390.0为D1钻孔的垮落带顶点。垮落带高度为：

经公式（2）计算该孔垮落带高度为21.81 m，为采厚的4.59倍。

3 D2钻孔覆岩破坏“两带”高度观测

3.1 钻进过程得到观测结果

钻孔深度在311.2 m处时，冲洗液不再返水，提钻后发现在311.2 m处钻孔内干燥无水；取出岩芯有纵向断裂迹象。孔深347.0 m处，钻进中可明显感到钻头受阻；在352.0 m处，发生20～30 cm的掉钻现象；当钻进到352.0～354.0 m时，钻头掉钻现象明显，同时还发生卡钻现象。取出岩芯少且非常破碎，孔内有明显吸风。

3.2 钻孔冲洗液漏水量观测

（1）冲洗液漏失量观测结果分析

D2钻孔分别下两层套管护壁止水，第一层为松散层：孔径Φ113 mm，下Φ108 mm护管，套管长度18.1 m；第二层基岩段：孔径 Φ95 mm，下Φ89 mm护管，套管长度230.3 m，管外止水。此时停止使用冲洗液，改换清水清洗，并使用的Φ85 mm钻头进行钻进，发现从孔深230.3 m处开始清水漏失。

（2）钻孔水位观测结果分析

按技术要求，在每次提钻后和下钻前都要测孔内水位，以取得孔内水位随钻孔深度变化的曲线，便于与冲洗液漏失量的观测结果，综合分析确定导水裂缝带的高度。钻孔水位观测记录见表3。

表3 钻孔水位观测记录

图3 D2钻孔冲洗液漏失量随孔深变化曲线

D2钻孔水位随孔深变化曲线见图3。从表3及图3可知，孔内水位随着钻孔深度的增加呈下降趋势。

图4 D2钻孔水位随孔深变化曲线

（3）导水裂缝带、垮落带高度确定

通过观测，D2钻孔所取岩样原始裂隙分布多且漏失量无法准确测量，只能通过孔内的水位、岩芯情况及钻孔电视等，粗略判断导水裂缝带及垮落带。通过钻孔水位、钻孔彩色电视观测孔内情况，图5为D2钻孔247.4 m处情况，图4为D2钻孔253.2 m处情况。

图5 D2钻孔311 m情况

图6 D2钻孔352 m情况

结合钻进记录，导水裂缝带顶点为311.2 m，该孔位置煤层开采厚度为5.10 m。因此，D2钻孔导水裂缝带为：经公式（1）计算D2号钻孔导水裂缝带高度为70.08 m，为采厚的13.15倍。根据钻进过程及钻孔电视观测，垮落带顶点为352.6 m，垮落带高度计算公式为：经式（2）计算D2钻孔垮落带高度为25.55 m，为采厚的5.01倍。

4 钻孔的封闭

目前常用的封孔方法有以下方式：①粘土封孔：由于粘土具有一定的抗剪切能力，粘土球从孔口进入，捣实后密不透水，可使封孔位置较深，但易受到机械振动的影响，容易失效；②泥浆封孔为本次勘探的封堵方式，全孔采用水泥：水灰比为2:1的水泥浆进行封孔。

5 结语

1）单位时间单位年内的进尺漏失量与同单位同时间漏失量的变化趋势一致。

2）D1钻孔与D2钻孔确定的导水裂缝带高度及垮落带高度的差异性，表明覆岩破坏高度及其发育形态的合理确定与否，将直接影响到探测的准确性问题。

3）合理、科学的勘探布置钻孔是取得有效数据和分析成因的前提。