山西某矿15112工作面导水裂隙带高度实测*

杨聘卿

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

0 引言

据统计，近几年在我国四川宜宾、山西大同等多处矿井发生的透水事故，皆由采动破坏覆岩裂隙带，穿透含水层导致水源倒灌进入综采面，形成的突水事故。对矿井水害的防治，除了必要的水文地质、开采条件综合评估外，还需对采动过程中覆岩的破坏移动规律、导水裂隙带高度进行测算[1-3]。为此，基于山西某煤矿15112工作面开采技术、地质及工艺条件，采用井下导高观测仪导水裂隙地带高度观测技术，现场布设仰孔和仰斜导高观测钻孔，使用CXK7.2(A)矿用钻孔成像仪对开采推进过程中覆岩的变形、位移等过程进行观测。

1 工程概况

山西某矿15112工作面15号煤层为主采煤层，煤层水文地质条件中等。煤层平均厚度3.0 m，局部含2层夹矸，煤层顶板为K2灰岩、泥岩，底板为泥岩、铝土质泥岩和砂质泥岩。煤层为东北走向，煤层倾角3°～8°，煤体容重1.5 t/m3，煤质较软，赋存稳定。15112工作面距地表154～178 m，工作面对应地表无水体，对应3号煤层采空暂无积水，在雨季期间受地表水下渗会对3号采空区造成积水，使得15号煤层上部含水层会局部充水，预计15112综采面正常涌水量为3 m3/h。顶底板岩性见表1。

表1 15号煤层顶底板岩性柱状表

2 导水裂隙带高度估算及实测

2.1 导水裂隙带高度估测

导水裂隙带高度理论估测公式见式(1)[4-6]

(1)

式中，Hli—导水裂隙带发育高度，m；M—煤层采厚，m。15112回采工作面顶板以灰岩、细砂岩和砂质泥岩为主，岩性属中等，导水裂隙带高度观测剖面处煤层厚度M=3.0 m。根据公式(1)，可得导水裂隙带最大高度分别为41.32 m、44.65 m。

2.2 观测方法

根据15112工作面的开采条件、采煤方式、巷道因素及观测时间的时效性，导水裂隙带高度观测钻孔设计在15113工作面的回风顺槽中。设计施工3个观测钻孔，包括2个导水裂隙带高度观测孔和1个对比孔。导水裂隙带高度观测孔由15113工作面回风顺槽向15112工作面方向施工，钻孔方位与工作面顺槽垂直；对比孔沿着煤体方向施工，钻孔方位与工作面垂直，钻孔间距为1.5 m，开孔位置位于巷道与钻场的交叉线处。观测钻孔布置平面图如图1所示。

图1 导水裂隙带高度观测钻孔布置

2.3 观测孔布置与施工

15112工作面煤层开采平均厚度为3.0 m，在观测断面内施工2个导水裂隙带高度观测孔，通过控制观测程序及精度，2个观测孔实测的数据便能确定倒水裂隙带高度。为了增加观测孔施工的可靠性，施工过程中在观测断面内向实体煤未采动区域内再施工1个对比孔[7-9]，通过对比孔与观测孔内的注水漏失量的比较，来确定15112工作面的导水裂隙带高度。根据计算设计，各钻孔的要素见表2。

表2 15112工作面导水裂隙带高度观测孔数据

3 导水裂隙带现场观测成果

3.1 实测钻孔与原设计钻孔对比

根据导水裂隙带钻孔布置情况，按照1#、2#、3#的顺序进行施工，在15113工作面回风顺槽施工1#钻孔。采用CXK7.2(A)矿用钻孔成像仪对2个导水裂隙带的钻孔测斜和钻孔轨迹进行分析，不断设计钻孔参数以使两者倾角基本一致，高度为实际高度，其水平位移差见钻孔实测结果如图2所示。从图2可以看出，2#钻孔和对比孔与设计钻孔相差较大，但实测钻孔与设计钻孔误差均在2°范围内，且1#～2#孔成孔参数也在导高范围内。因此，成孔参数能满足导水裂隙带观测要求[10-12]。

图2 钻孔实测曲线视图

3.2 导水裂隙带实测成果分析

1#孔导水裂隙带实测结果及分析：①实测结果。根据钻孔观测的结果，从1#孔孔深40 m向底部依次分段观测，观测到导水裂隙带高度时停止，观测结果见表3。根据现场观测数据，1#钻孔各段岩层的注水漏失量示意图如图3所示。可见，钻孔观测范围内各段岩层的注水漏失量可以明显分为2个区域，即漏失量较大的Ⅰ区域与漏失量较小的Ⅱ区域；②实测分析。Ⅰ段钻孔区域内，孔深40～57 m，垂高29.16～41.55 m，岩层渗水量9.0～15.0 L/min，在此区间内渗水量增大，从侧面反映了钻孔已进入裂隙带，岩石开始裂变发育，导水性增强。在II段钻孔区域内，孔深58～63 m，垂高42.28～45.93 m，岩层注水漏失量3.3～5.3 L/min，在此区间岩石的渗水量变弱并停止裂变，由此分析该区域裂隙带尚未发育。在观测过程中，钻孔垂高从原来的41.55 m钻至42.28 m时，岩层的渗水量从9.0 L/min下降至5.3 L/min，由此得出，在42.28 m时裂隙带发育高度达到最大。

表3 1#钻孔注水漏失量测量表

图3 1#钻孔观测成果图

2#孔导水裂隙带实测结果：①实测结果。同理，2#孔的观测由下往上进行，观测结果见表4。根据现场观测数据，2#钻孔各段岩层的渗水量如图4所示；②实测分析。由表4和图4可知，漏失量同样可分为Ⅰ、Ⅱ2段。I段钻孔区域内，孔深35～50 m，垂高28.03～40.04 m，岩层注水漏失量8.8～14.8 L/min，在此区间内渗水量增大，从侧面反映钻孔已进入裂隙带，岩石裂变开始发育，导水性增强。在II段钻孔区域内，孔深51～56 m，垂高40.84～44.84 m，岩层注水漏失量为3.1～5.1 L/min。在此区间内岩石的渗水量变弱并停止裂变，受采动作用的影响减小。在观测过程中，钻孔垂高从原来的40.04 m钻至40.84 m时，岩层的渗水量从14.8 L/min降至5.1 L/min，由此得出，2#钻孔在40.84 m时裂隙带发育高度达到最大。

表4 2#钻孔注水漏失量测量表

图4 2#钻孔观测成果图

4 结果验证分析

4.1 观测钻孔结果分析

1#孔导水裂隙带验证分析：根据CXK7.2(A)矿用钻孔成像仪对1#钻孔进行了现场观测，实际观测深度达到64.43 m，经反复观测并获得主要观测成果如图5所示。可看出，由于15112工作面与15113工作面有24 m宽的护巷煤柱，从开孔位置到孔深27.4 m位置，钻孔内裂隙不发育；从孔深27.4～54.3 m，裂隙较为发育，以横向离层裂隙为主，部分段呈现破碎状态；从54.3 m往上至孔底，孔壁保持较完整，部分孔壁出现原生微小裂隙，岩层的渗透率较小，所观察结果与漏失规律基本一致。

图5 1#钻孔现场观测成像图

2#孔导水裂隙带验证分析：同理，采用CXK7.2(A)矿用钻孔成像仪对1#钻孔进行了现场观测，实际观测深度达到64.51 m，经反复观测并获得主要观测成果如图6所示。可看出，2#钻孔与1#钻孔的裂隙发育规律基本一致，51.2 m以上岩层较为完整，与导水裂隙带高度观察一致。

图6 2#钻孔现场观测成像图

导水裂隙带高度验证分析：本次共实测2个顶板导高观测孔，都能较准确的实测出导水裂隙带最大值，2个观测孔实测结果互为验证，从而得到较精确的导水裂隙带高度值。即，1#孔H(1)=42.28 m；2#孔H(2)=40.84 m。

由于观测结果与原设计结果较为一致，为确保工作面的安全生产，取导高观测的最大值42.28 m作为15112工作面覆岩导水裂隙带的高度。

4.2 对比孔钻孔结果分析

图7是对比孔(3#孔)的钻孔窥视情况，顶板岩层完整度较好，孔壁完好，基本无裂隙。

图7 3#钻孔(对比孔)现场观测成像图

综上，得出山西某矿15112工作面覆岩导水裂隙带高度最大值H=42.28 m，而观测断面处的工作面煤层平均采厚M=3.0 m。因而工作面的导高与采厚之比(裂采比)为H/M=42.28/3.0≈14.09倍。导水裂缝带发育至距工作面顶板42.28 m的泥岩层，与理论计算基本相同。

5 结论

(1)采用井下导水裂隙带高度观测仪实测导水裂隙带高度值，并通过对比孔验证的方式，确定了沿走向模型的最大导水裂隙带高度值为42.28 m，倾向模型的导水裂隙带最大裂高40.84 m。

(2)井下导水裂隙带高度观测仪观测法，通过往裂隙带钻孔注水，观测钻孔各段的漏失量来定位裂隙带高度的方法。根据理论预测值与实际测算数据比较，两者结果接近，是含水层下采煤裂隙带高度观测的有效方法。