马兰矿12504工作面覆岩导水裂隙带发育高度研究与实测

肖 璐

(西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 古交 030205)

1 工程概况

西山煤电集团马兰矿12504工作面开采2号煤层，煤层厚度为2.68～3.57 m，平均厚度为3.26 m，煤层内部结构复杂，平均含有一层夹矸，夹矸层平均厚度为0.17 m，煤层平均倾角为3°，顶板岩层为泥岩和中细粒砂岩，底板岩层为砂质泥岩和中粒砂岩。12504工作面倾向长度为211 m，走向长度为1 340 m，工作面采用一次采全高开采方法，工作面及巷道布置情况如图1所示。根据矿井地质资料可知，2号煤层顶板含水层主要为砂岩含水层，其中P1x、P2s组的K2、K5、K6砂岩含水层属于承压裂隙含水层，含水层富水性相对较好，含水层与煤层间的间距在18～62 m的范围内，现为有效指导工作面回采期间的防治水工作，特进行工作面回采期间覆岩导水裂隙带发育高度的研究分析，为工作面防治水提供基础参考资料。

图1 12504工作面及巷道布置平面

2 导水裂隙带发育模拟分析

由于工作面回采期间上覆岩层的运动具有一定的隐蔽性，仅采用理论分析覆岩运动特征难以有效掌握上覆岩层的运动规律，且仅采用理论分析得出的分析结果会存在较大的误差，现为有效分析马兰矿12504工作面回采期间上覆岩层导水裂隙带的发育规律，特采用FLAC3D数值模拟软件进行顶板导水裂隙带发育规律的分析。

根据12504工作面的地质条件，建立数值模型长×宽×高=500 mm×400 mm×180 mm的数值模型，模型左右两侧边界固定其左右位移，模型底部固定其垂直位移，模型中各岩层物理力学参数根据地质报告进行设置，具体数值模型如图2所示。

图2 数值模型示意

根据数值模拟结果得出，工作面回采20 m、100 m、200 m、240 m时，回采导致的覆岩塑性区破坏图如图3所示。

由图3可知，12504工作面回采20 m时，工作面顶板塑性区的发育高度为8.4 m，覆岩的破坏形态呈现为拱形；随着工作面回采作业的进行，覆岩顶板塑性区发育高度不断向上发展，当工作面回采100 m时，覆岩塑性区的发育高度达到32.5 m，此时顶板塑性区的发育高度呈现为“马鞍形”；当工作面回采至220 m时，顶板塑性区的发育幅度大幅降低，回采至该距离时顶板破坏区的发育高度达到52.6 m；随着工作面继续回采作业，当工作面回采至240 m时，塑性区的最大发育高度为54.5 m，此时顶板塑性区发育高度基本达到稳定状态，发育高度基本不再向上发展。

综上分析可知，12504工作面回采后，工作面顶板覆岩的最大破坏高度为54.5 m，即为工作面覆岩导水裂隙带的最大发育高度为54.5 m.

3 导水裂隙带发育高度实测分析

为准确掌握12504工作面覆岩导水裂隙带的发育高度，进一步采用实际探测的方式进行裂隙带发育高度的分析，实测导水裂隙带高度的方法有：钻孔冲洗液法、钻孔电视法、超声成像及数字测井法、钻孔及电法和井下仰孔注水测漏法等[1-3]，基于目前各种研究结果表明，钻孔冲洗液法和钻孔电视法存在成本高、终孔位置难以达到预期的问题，超声成像及数字测井法和钻孔及电法存在着众多不可控因素，会影响预测结果的准确性，在众多因素影响下，预测结果会存在较大的偏差。

根据12504工作面的地质条件，结合目前导水裂隙带发育规律研究现状，确定本次采用井下仰孔压水试验的方式进行测试。井下仰孔压水试验法主要是通过在研究采空区的附近向采空区方向布置测试钻孔，钻孔呈一定的角度向采空区打设，钻孔的打设长度应穿过预计导水裂隙带的发育高度，钻孔的打设长度一般均超过20 m[4-6]，具体井下仰孔压水试验法的探测原理及结构如图4所示。

图4 井下仰孔压水试验法探测原理及结构图

本次井下仰孔压水试验，采用钻孔双段封堵测漏装置，通过该装置沿钻孔封端进行封堵注水，通过测定不同阶段的漏失量变化情况，若漏失量大，则表明该区域裂隙较为发育，若漏失量较小，表明该区域裂隙不发育或岩层致密坚硬。12504工作面导水裂隙带发育高度测试时，在工作面轨道巷内施工一个长×宽×高=4 m×2 m×3 m的钻窝，在钻窝内施工2个实测导水裂隙带倾斜钻孔，钻孔参数如表1所示。

表1 12504工作面导水裂隙带发育高度观测钻孔参数

导水裂隙带发育高度观测钻孔从12504轨道巷向12502采空区内打设，轨道巷与采空区间的煤柱宽度为35 m，由于钻窝长度深度为2 m，故设置钻孔开孔位置距采空区的水平距离为33 m，具体导水裂隙带发育高度观测钻孔布置形式如图5所示。

图5 工作面导水裂隙带发育高度观测钻孔布置示意

观测钻孔打设时，先用D118 mm的钻头进行钻进作业，随着钻孔作业的进行，下放D108 mm的套管，套管安设长度为6 m，套管安设完毕后采用425号普通硅酸盐水泥将钻孔套管外壁和钻孔间的空隙充满。本次井下仰水试验法观测导水裂隙带发育高度采用钻孔分段注水观测，观测步骤为：先注水，当水充满钻杆出现反水后，即可停止注水作业，此时对封隔器进行膨胀打压作业，封孔压力为1.5～2 MPa，注水压力达到后，缓慢开启注水阀门，当注水压力达到规定数值后，保障钻孔压力达到0.5 MPa，在水头压力推进过程中，根据推进长度，钻孔倾角进行水头压力的计算，开动注水阀门，当秒表读数时，观测流量表，每间隔30 s进行一步流量读数，带试验结束后，打开封孔卸压阀，使得孔内的胶囊充分卸压收缩，待储存的水流出后，静置2～3 min，开动钻机继续进行推进，如此重复上述步骤进行堵孔注水观测作业，直至观测钻孔测试完毕。

根据观测结果，得出1号钻孔和2号漏失量曲线如图6所示。

分析图6可知，当1号观测钻孔深度为13 m时(垂距5.5 m)，钻孔处于保护煤柱内，钻孔注水压力为0.55 MPa，在压水时间为30 s时，压水流量为14.9 L/min、保持0.55 MPa的持续压水下，注水过程中无出水现象；当钻孔深度为39 m时(垂距16.5 m)，钻孔处于上区段回采空间上方，此时注水压力为0.66 MPa，持续注水30 s时，压水流量为26.1 L/min，为整个压水流量的最大值，推断该区域处于垮落带内；下一试验段的压水量为24.8 L/min，呈现出下降趋势，据此确定垮落带的高度为顶部垂距为16.5 m；钻孔深度为54 m时(垂距22.8 m)，注水压力为0.73 MPa，压水时间30 s时，压水流量为25.8 L/min，从漏失量曲线图上能够看出此时下降幅度非常快。在钻孔深度为64 m时(垂距27 m)，注水压力为0.77 MPa，注水压力为0.77 MPa，压水时间30 s时，压水流量为12.6 L/min，是上一组压水量的一半，表明钻孔已进入裂隙带范围内；当钻孔深度为74 m时(垂距31.3 m)，压水流量进一步减小，水量几乎注不进，注水表压力升高明显，表明此处裂隙不发育，已经达到裂隙带的发育上限。综合上述分析判定，1号钻孔观测区域垮落带发育高度为16.5 m，导水裂隙带的发育高度为27.0～31.3 m.

采用与上述同等的观测方法进行2号观测钻孔数据的分析，得出2号钻孔导水裂隙带发育高度的上限为44.7～47.6 m.

综合上述现场实测分析结果，结合数值模拟结果可知，实测结果与模拟结果基本一致，最终确定12504工作面垮落带的发育高度约为16.5 m，导水裂隙带的发育高度上限为44.7～47.6 m.

4 结 语

根据12504工作面的地质赋存特征，通过数值模拟软件进行工作面导水裂隙带发育高度的模拟分析，并进一步采用井下仰孔压水试验法进行导水裂隙带发育高度的分析，综合分析结果，确定垮落带的发育高度约为16.5 m，导水裂隙带的发育高度上限为44.7～47.6 m，导水裂隙带发育高度会导通K2、K5含水层，工作面回采前需加强探放水作业。