石泉煤矿厚煤层综放开采导水裂缝带高度实测研究

王龙龙

(山西石泉煤业有限责任公司，山西 长治 046200)

导水裂缝带是顶板水害防治和水体下采煤安全与否的关键因素，其发育高度与开采工艺、煤层厚度、倾角、煤系地层覆岩结构类型等息息相关。经过多年的研究实践，目前我国对各类型煤层及不同开采工艺条件下开采导水裂缝带的发育规律都有了较为准确的掌握，取得了很多重要成果，涵盖了薄煤层、厚煤层以及特厚煤层，开采工艺上包括普采、综采、分层综采以及综放等，保障了煤矿水体下安全开采和顶板水害的综合防治[1-5]。文献[6-7]收集了导水裂缝带高度实测值，并统计分析归纳了不同开采工艺和覆岩条件下顶板导水裂缝带高度经验公式。厚煤层综放开采导水裂缝带研究方面，朱伟[8]等通过实测研究了潞安矿区厚煤层综放裂缝带发育规律，并与分层开采裂缝带进行了对比分析。文献[9]采用实测和物理模拟研究了彬长矿区特厚煤层综放开采裂缝带发育规律。文献[10-12]分别通过多种方法综合研究了淮南、康平以及龙口矿区厚煤层综放覆岩破坏规律。理论研究方面，许家林等[13]提出通过关键层位置来确定导水裂隙带高度的方法；文献[14-15]采用裂缝带实测成果进行了水体下开采防治水工程实践。

研究实践表明，导水裂缝带高度的现场原位探测是精度最可靠的一种方法，用来指导本井田顶板水害防控更具有针对性和指导意义。石泉煤矿近期规划开采井田内浊漳河下压煤资源，矿井缺乏本井田综放开采导水裂缝带实测资料。本文以该矿30105工作面为观测试验工作面，采用地面钻探水文观测和钻孔电视方式探测了综放工作面导水裂缝带发育高度和钻孔内裂隙直观展布特征，为本工作面停采线区域浊漳河下安全开采提供科学依据。

1 开采技术条件

石泉煤矿位于沁水煤田东南部潞安矿区北缘，煤系地层为典型的石炭二叠系沉积，厚湿陷性黄土盖层，部分区域剥蚀严重、基岩直接出露。主采下二叠系山西组3#厚煤层，厚度为5.75～6.05 m，平均厚6.0 m，倾角约8°～20°。采煤方法采用长壁后退式综采放顶煤一次采全高开采工艺，顶板管理采用全部垮落法。试验工作面30105位于301盘区南翼，四周均为实体煤，工作面宽度为236 m，推进长度为1 640 m，其中停采线上部为浊漳河。工作面上方地势高低落差较大，地面标高约为+888～+960 m，煤层底板标高约为+470～+580 m，第四系厚约2～20 m。顶板覆岩主要以各类砂岩、泥岩和砂泥岩为主，交互沉积。

2 观测方案

本次采用地面钻探水文观测和探孔内钻孔电视相结合方式，通过在采空区代表性的位置施工钻孔(常规地质勘探钻机具可满足施工要求)，观测钻进过程中水文参数，包括冲洗液消耗量、钻孔水位、注水试验以及异常钻探现象，可以准确测定水文参数随钻探深度的变化规律，探测方法示意如图1所示。地面布孔原则参考文献[16]。为了保证测点导水裂缝带高度发育最充分，在推进方向上，观测钻孔位置距离切眼超过200 m，在工作面宽度方向上在工作面胶带顺槽和轨道顺槽内侧约20 m布置2孔，观测孔设计位置如图2所示。

图2 裂缝带观测孔布设图

在进行完钻探进尺及相关水文观测工作之后，采用高清钻孔电视手段直观观察记录孔内自地表向采空区孔内裂缝发育情况。

3 观测成果分析

根据钻探过程中的水文观测资料，进行了总结分析，其中1#孔钻进过程中实测水文观测成果如表1所示。

表1 1#观测孔简易水文观测成果表

根据钻孔过程水文观测分析成果，绘制了不同水文参数随钻孔深度的变化曲线，可以直观掌握水文参数随孔深不断向煤层采空区接近变化情况，各孔水文参数随孔深变化如图3所示。

图3 钻孔水文参数与钻进深度关系图

导水裂缝带高度主要是根据钻进过程中简易水文观测结果确定的，包括上下钻动水位、冲洗液消耗量及相关层段的注水试验结果。以1#孔为例进行数据分析。

1#孔实探第四系松散层厚度2.6 m，下套管深度为34 m。在钻进深度260 m以上，钻进过程孔内冲洗液循环正常，消耗量非常小，约为0.01～0.25 m3/h(每钻进1 m冲洗液消耗量)，观测提钻后水位为13.5～56.2 m。可以看出该段地层中原生裂隙不发育，岩层导水性较差。

260～300 m孔深区间内，冲洗液消耗量消耗较小，约为0.06～0.25 m3/h，正常返浆，提钻后孔内水位有下降趋势，下降幅度较小，注水试验显示漏失量不大，约为0.3～1.8 m3/h，常水位注水水位可抬至孔口。孔内视频显示局部层段原生裂隙极为发育，如图4所示，但发育层位在纵向上连通性情况较少。

图4 1#孔内不同深度地层裂隙

300 m以下进尺，冲洗液消耗量增加现象明显，约为0.08～1.6 m3/h，虽然可以正常返浆，但泵压较大，孔内返浆量明显减小。提钻后水位下降较快，达到24～86 m。注水漏失量较大，达到0.43～7.8 m3/h。提取岩芯显示极为破碎,特别在304.3 m处孔内有气体溢出现象，种种显示钻孔深度304.3 m处已联通下方采空区裂缝带。为保证观测结果用于工程的可靠性，将上一钻次299.49 m作为裂隙带发育顶界面。

通过综合分析各水文观测数据成果以及钻孔内电视裂隙发育情况和异常钻探现象，按照变化的起点作为确定导水裂缝带高度的依据，1#孔导水裂缝带观测成果如表2所示。裂缝带发育空间形态如图5所示。

表2 导水裂隙带观测成果表

图5 30105工作面裂隙带发育形态图

4 综放开采裂缝带发育特征

石泉煤矿地理位置属于山西沁水煤田潞安矿区，其开采地质采矿条件与相邻潞安矿区其他煤矿相差无几，开采煤层均为二叠系下统山西组3#厚煤层，工艺均为综采放顶煤，全部陷落法管理顶板，可将类似地质采矿条件下厚煤层综放开采导水裂缝带观测结果进行类比分析，如表3所示。

由表3可知，石泉煤矿所在沁水煤田潞安矿区综放开采导水裂缝带实测结果具有较好的集中性。在采厚5.2～6.0 m情况下，实测裂缝带绝对高度达到顶板以上102.27～117.54 m，综合各矿裂采比均值为19.5。采用回归方法，获取导水裂缝带最大高度计算经验公式如式(1)所示：

表3 潞安矿区综放覆岩破坏实测结果

Hli=20M

(1)

式中，M为煤层综放有效采厚，m。可以作为本井田内地表河流水体下采煤防水安全煤岩柱的留设依据。

5 结 论

(1)石泉煤矿3#厚煤层综放开采导水裂缝带实测高度为顶板以上114.51～117.54 m，裂采比为19.09～19.59，厚煤层综放顶板裂隙带高度发育剧烈。综合潞安矿区综放裂缝带实测资料，综放裂缝带高度与采厚基本成正比。

(2)获得了本矿井综放裂隙带计算经验公式，为下一步矿井浊漳河下压煤资源开采和顶板水害防治提供了科学依据和技术支撑。