11101工作面顶板导水裂隙带发育规律实测分析

崔 磊

(山西煤炭运销集团 蒲县昊兴塬煤业有限公司，山西 蒲县 041200)

工作面回采后上覆岩层遭到破坏,下沉形成导水裂隙,导水裂隙带是覆岩裂隙带和冒落带的总称，研究覆岩中导水裂隙带的发育高度，掌握覆岩的移动破坏规律和导水裂隙带与上覆水体之间的关系，对于顶板水害的防治具有重要意义。目前，确定导水裂隙带发育高度的方法主要有理论分析法、现场实测法、类比法、数值模拟法[1-3].其中，现场实测法得出的值最为准确，该法中主要以钻孔冲洗漏失量的大小来进行评价。为充分掌握昊兴塬煤业有限公司11101工作面顶板导水裂隙带的发育规律，采用理论分析+现场实测相结合的方式进行分析，为工作面安全生产提供保障。

1 工程概况

山西煤炭运销集团蒲县昊兴塬煤业有限公司11101工作面位于矿井东北部，工作面北部为矿井边界，南部为二水平西主运巷，东部为实体煤，11101工作面开采11#煤层，煤层厚度3.55 m，平均倾角为2°～9°，属稳定可采煤层，工作面煤层直接顶岩层为中粒砂岩，均厚8.05 m，基本顶岩层为K2石灰岩，均厚7.5 m，直接底岩层为铝质泥岩，均厚1.56 m，有滑感。根据矿井地质资料可知，11#煤层上覆有K2石灰岩岩溶裂隙含水层，此含水层为11#煤层顶板直接充水含水层，厚5.30～9.42 m，平均7.47 m，岩性为深灰色，致密，坚硬，含燧石结核，中夹薄层灰黑色泥岩，粉砂岩。

2 导水裂隙带实测方案

1)理论分析。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规定》中关于导水裂隙带计算公式的选择主要取决于顶板地层结构、岩石力学性质和工作面的开采方法。根据工作面的地质条件可知，覆岩结构为硬-硬，顶板岩层的平均抗压强度为59 MPa，工作面开采煤层厚度为3.55 m.覆岩导水裂隙带的计算公式[4]为：

(1)

式中，Hf为导水裂隙带的发育高度，m；M为煤层的开采厚度，m,根据11101工作面地质条件，取3.55，现根据矿井工程经验取1.4倍的安全系数，计算得出导水裂隙带的发育高度为45.7～59.2 m.

2)现场实测。该次导水裂隙带现场观测采用钻孔冲洗液漏失量观测法，该种观测方法主要通过在工作面采空区的正上方区域向下打设钻孔，将钻孔终孔穿过弯曲下沉带和导水裂隙带，确保钻孔终孔位置位于垮落带内，钻孔打设过程中设置钻孔冲洗液循环系统和观测系统[5-7].钻孔打设过程中对钻孔冲洗液在单位时间内的消耗量进行分析，进而分析得出该段区域的围岩裂隙是否发育。钻孔冲洗液漏失量观测法系统图见图1.

图1 冲洗漏失量观测系统示意图

11101工作面煤层埋深H=260 m，导水裂隙带的上限距离=煤层埋深H-导水裂隙带发育高度Hf,计算得，导水裂隙带的上限距离为214.3～200.8 m.在进行观测钻孔设置时，须保障钻孔终孔位置位于导水裂隙带内，据此设计观测钻孔深度应大于200.8 m，结合工作面顶板各岩层的赋存特征，最终确定观测钻孔的垂深为230 m，钻孔0～120 m深度钻孔孔径为108 mm，120～230 m深度钻孔的孔径为89 mm，在钻孔0～120 m深度内下设套管。工作面内布置2个观测钻孔，编号为3301和102，工作面导水裂隙带观测孔的布置见图2.

图2 导水裂隙带观测钻孔图

在11101工作面附近布置的3301钻孔地表标高为1 250.22 m，钻孔采用d108 mm的钻头，钻孔钻进120 m时，下设d108 mm的套管进行封孔，封孔结束后继续使用d89 mm的取芯钻头继续进行打钻作业，钻孔终孔深度为236 m.根据钻孔钻进过程中的监测，可得出钻孔冲洗液漏失量的数据，钻孔148.5～152.5 m段的钻孔冲洗液漏失量数据见表1.

表1 钻孔冲洗液漏失量数据表

在采用冲洗漏失量法时，需要注意以下事项：

a)钻孔观测段钻进作业时，在基岩观测段冲洗液必须使用清水，确保每个回次的长度不超过4 m，在裂隙带的区域不超过2 m，并设置在观测段进行钻进作业时，若在未到达导水裂隙带前遇到含水带或者原生裂隙带，钻孔过程中引起冲洗漏失量明显变化的情况应采取堵漏措施，在堵漏措施起到有效作用后再继续进行钻孔的钻进作业[7].

b)钻孔终孔的位置应确保钻孔孔底进入到覆岩垮落带内或者达到开采煤层底板的位置。

c)在导水裂隙带观测钻孔使用完毕后，应拔出钻孔内的套管，对垮落带顶点以上的孔段区域用水泥封堵严密。

d)钻孔观测段下套管进行止水作业时，钻孔的止水段要求布置在稳定的隔水层中，并且要求其布置高度应大于5 m.在钻孔内套管止水后，应及时进行钻孔的扫孔和洗孔作业，确保钻孔洗孔至水清，及扫孔超过套管底口的深度大于200 mm，并且需对套管的止水效果进行监测，检查合格标准为管内水位经过8 h，水位高度不大于400 mm.另外，钻孔进行钻进时需对观测段进行取芯作业，确保取芯率大于75%，以准确掌握岩层的岩性、倾角、层位、破碎状况等参数。在钻孔内的冲洗液循序中断时，应及时将钻具提出孔外，再用泵机向孔内注入清水，随后在清水池内测定水量，得到漏失情况。

3 实测结果分析

1)3301测试孔分析。

从钻孔套管深度开始进行钻孔观测作业，分析钻孔漏失量数据及取芯情况，得出3301钻孔冲洗液漏失量分析图，见图3.在钻孔148.5～163 m，该段岩层为粉砂岩和泥岩，钻孔清洗的漏失量较小，此时钻孔平均每钻进0.5 m，消耗的清洗液的容量为60～70 L，该段消耗清洗液的数量总体趋于平缓，据此判断该段为钻孔孔壁及水循环系统的正常损耗；在钻孔163～166 m深度和168.5～171.5 m深度，该段岩层为粉砂岩，钻孔冲洗漏失量较大，且存在间断性的返浆现象，但钻进过程中的返浆量相对较小，分析出现该种现象的主要原因为该区域原生裂隙相对较为发育，导致钻孔的冲洗漏失量相对增大；在钻孔173 m，该位置处为中粒砂岩，钻孔冲洗液存在循环中断的现象，且钻孔内无返浆现象出现，清洗液全部漏失，且孔内的水位随着钻孔深度增大而逐渐下降；在钻孔173.5 m处，系统清水池中无水位并且岩芯内存在着纵向断裂的情况，据此判断钻孔173 m的位置处为导水裂隙带发育的顶点。

图3 3301钻孔冲洗液漏失量分析图

基于上述分析，可推测3301钻孔导水裂隙带发育距离地表的高度为173 m，裂隙带顶部距离煤层顶板为52.2 m，导水裂隙带发育高度为开采高度3.55 m的14.7倍。

2)102测试孔分析。

102钻孔冲洗液的漏失量数据见图4.通过分析图4，结合钻孔钻进过程中的取芯情况，判断出102钻孔导水裂隙带发育的最大高度为178 m，导水裂隙带距离11#煤层顶板53.7 m，为采高3.55 m的15.12倍。

图4 102钻孔冲洗液漏失量分析图

基于上述两个钻孔冲洗液漏失量的分析结果，得出了工作面导水裂隙带发育高度的上限值，考虑到导水裂隙带在不同位置处的发育高度存在着较大的差异，为保障工作面的安全生产，取观测结果中的最大值作为工作面导水裂隙带的发育高度，即导水裂隙带发育高度为53.7 m，与理论分析结果相一致。取煤层厚度为3.55 m，可计算得出导水裂隙带发育高度与煤层采厚之间的比值为15.13，工作面导水裂隙带发育至顶板53.7 m处的粉砂岩岩层内。

4 结 论

根据11101工作面的地质及水文条件，采用理论分析+现场实测相结合的方式对导水裂隙带发育规律进行量化分析，理论分析得出导水裂隙带发育高度为45.7～59.2 m，现场实测采用钻孔冲洗液漏失量观测，根据现场测试分析结果得出，导水裂隙带发育高度为53.7 m，发育高度与采高的比值为15.13，导水裂隙带发育高度的掌握为工作面安全生产提供了基础数据。