金辛达煤业201 工作面导水裂隙带的发育研究

高刚刚

（山西焦煤汾西矿业集团 金辛达煤业，山西 临汾 041000）

1 概 况

水害是我国煤矿安全生产的五大灾害之一，同时我国也是世界上煤矿水害最严重的国家之一。近年来，随着煤矿资源开采规模的逐渐增大以及布置大采宽工作面的发展趋势，造成了煤层顶底板围岩裂隙带规模的增大，致使矿井水害的危险程度增大，煤矿水害事故日益增多。生产实践表明，煤矿顶底板突水与围岩运动破坏和导水裂缝带密切相关，如果导水裂缝带连通上部老窑水、含水层等，往往会发生突水事故。

金辛达煤业位于吕梁山南段东侧，山高沟深，地形复杂，森林、植被发育，最高点在井田北西部的山梁，标高1 420.5 m，最低点位于西部西沟村河床，标高1 182.0 m，相对高差238.50 m，属中山区。井田内交通便利，地处山西省西部，主采煤层为2 号煤和11 号煤。最近主要采掘区域为201工作面，回采煤层为2 号煤层。采掘区域上方存在山谷地形，2 号煤层回采过程中存在沟通顶板局部富水区域和地表水体的危险，下方11 号煤层回采过程中有可能沟通上部2 号煤层采空区积水并诱发2 号煤层导水裂隙发育进而沟通地表水体的危险。因此，掌握煤层开采上覆岩层导水裂隙发育规律是金辛达煤业矿井水害防治和保水开采的基础；掌握含水层及隔水层空间赋存结构、揭示导水裂隙发育规律是保障金辛达煤矿安全高效及绿色开采的重要基础。

2 201 工作面导水裂隙带的发育

2.1 201 工作面回采现状

金辛达煤业201 回采工作面位于井田北部，地面相对位置是山脉和沟壑，工作面回采1 886 m处地面为狼凹村。如图1 所示，201 回采工作面走向长2 403 m，倾向长260 m，地面标高为+1 279—+1 402 m。工作面对应地面整体地势中间高两边低。

图1 201 工作面采掘工程平面示意Fig.1 The plane of mining and excavating engineering in No.201 face

201 回采工作面东部为井田边界，与晋牛煤业毗邻；西部为停采线，与2 号辅运大巷毗邻，南部为原鑫沟煤矿2108 进风顺槽与原鑫沟煤矿2106 工作面采空区；北部为202 回采工作面（未采）。根据201 辅运、胶带顺槽、切眼掘进期间实际揭露情况可知，201 工作面煤层总厚0.9～1.2 m，平均厚度1.05 m，煤层倾角0～3°，起伏相对较缓。煤层顶底板具体情况见表1。

表1 煤层顶底板情况Table 1 The situation of coal seam roof and floor

工作面回采到2 167 m 处（201 辅运顺槽）、回采到2 224 m 处（201 胶带顺槽） 遇S1 背斜轴，位于井田西北部，两翼基本对称，地层倾角7°～11°，井田内延伸长度约2.0 km，轴部出露地层为P2s1。工作面回采期间，会受褶曲构造的影响，回采起伏较大。201 工作面断层带水是直接充水水源，对工作面回采有一定影响。

2.2 201 工作面采动覆岩裂隙演化规律

水源、水量、导水通道是矿山突水问题中的3个基本要素。金辛达煤业201 工作面的水源和水量通过物探、钻探、地下水动态观测等水文地质勘探手段获取；对于工作面内除断层、陷落柱等地质构造类导水通道外，采动裂隙萌生、扩展、汇集能否形成导水通道是该工作面水害防治的关键，因此有必要探讨工作面采动的裂隙演化规律。

如图2 所示，冒落带随着煤层的回采受力不均，会掉落下不定形状的岩块，冒落带是煤层顶板最下方的岩层，贴合煤层工作面。随着掉落的岩石被不断压实，将慢慢形成新的顶板。冒落带的上方连接为裂隙带，组成裂隙带的岩石结构差异较大。在裂隙带的上层是弯曲下沉带，这一层岩体在自身重力的作用下产生弯曲变形但不再破裂。

图2 201 工作面覆岩裂隙区域划分示意Fig.2 Overlying strata fracture area division of No.201 Face

3 201 工作面导水裂隙带发育高度研究

目前，关于导水裂隙带高度的确定主要通过工程地质比拟、相似材料模拟试验、数值模拟、工程现场探测等方法确定。

根据已知金辛达煤业地质资料，结合现场探测环境，201 工作面采用井下仰孔注水测漏法和钻孔电视观测法对其导水裂隙带发育高度进行探测。

3.1 井下仰孔注水侧漏法

3.1.1 方法介绍

井下仰孔注水测漏法是在工作面周围的巷道中向工作面内部斜上方打孔，使钻孔穿过裂隙带的一种方法，这种方法在导水断裂带观测中使用广泛，如图3 所示。

图3 井下仰孔注水测漏法示意Fig.3 The schematic of underground upward hole water injection leak detection method

3.1.2 现场实测方案设计

201 工作面导水裂隙带高度观测设计2 个钻孔，钻杆直径63.5 mm，钻孔直径110 mm。由于钻孔深度较大，为了防止钻孔塌陷破坏，每完成1个钻孔后，随即进行注水观测，依次完成各钻孔的观测试验工作。通过经验公式计算，201 工作面导水裂隙带高度处于煤层顶部43.47 m 处，再考虑一定的富余系数，设计的导水裂隙带观察孔与煤层垂距为55 m。如图4 所示，设计2 个向工作面采空区方向的观测孔，钻孔仰角分别为58.4°和54.9°，测试导水裂隙带的最大高度。

图4 201 工作面观测钻孔布置剖面示意Fig.4 The profile of observation borehole layout in No.201 face

3.1.3 数据采集及结果分析

依照设计施工钻孔，通过分析各测孔校正后的结果数据，可确定最大导水裂隙带高度。

（1） 1 号钻孔裂隙带实测及分析。1 号孔的观测由下往上进行，即从钻孔深度33 m 至53 m 依次分段观测，观测到孔深53 m 时停止，实测数据见表2 和图5。

表2 1 号孔注水观测实验数据Table 2 The experimental data of water injection observation in No.1 hole

图5 1 号钻孔注水漏失量示意Fig.5 The schematic diagram of No.1 borehole water injection leakage

依据表2 和图5 可知，当孔深由45 m 推进到46 m 时，注水漏失量由11.5 L/min 突然下降到5.2 L/min，且孔深46 m 后的钻孔注水漏失量无上升，由此将钻孔观测范围内的注水漏失量分为注水漏失量大的I 阶段与漏失量小的II 阶段。

I 阶段孔深为33～45 m，垂高28.11～38.33 m，钻孔注水漏失量8.9～14.8 L/min，岩层注水漏失量较大，说明钻孔穿过了裂隙带，该范围内岩层裂隙较为发育，导水性较强；II 阶段孔深为46～53 m，垂高39.18～45.14 m，钻孔注水漏失量为2.9～5.2 L/min，注水漏失量较小，表明该范围内岩层裂隙不发育，导水性较弱，裂隙带发育高度未到此处。

在观测过程中，钻孔深度由45 m 增加至46 m时，即垂高从38.33 m 增至39.18 m 时，岩层的漏失量由11.5 L/min 骤减至5.2 L/min，说明39.18 m为1 号观测孔测到的导水裂隙带发育的最大高度。

（2） 2 号钻孔裂隙带实测及分析。同理，2 号孔的观测由下往上进行，即从钻孔深度35 m 至53 m 依次分段观测，观测到孔深53 m 时停止，实测数据见表3 和图6。

表3 2 号孔注水观测实验数据Table 3 Experimental data of water injection observation in No.2 hole

图6 2 号钻孔注水漏失量示意Fig.6 The schematic diagram of No.2 borehole water injection leakage

根据表3 和图6 显示，同样可分为两阶段。I阶段孔深35～46 m，垂高28.64～37.63 m，岩层注水漏失量为8.8～15.6 L/min，岩层注水漏失量较大，表明观察钻孔穿过裂隙带，说明此范围内岩层次生裂隙较为发育，岩层的导水性能较强；II 阶段孔深47～53 m，垂高38.45～43.36 m，岩层注水漏失量为3.7～5.6 L/min，岩层注水漏失量较小，表明此阶段范围内岩层次生裂隙不发育，岩层内主要为原生裂隙，岩层的导水能力较小，说明裂隙带发育高度未波及到此。

在观测过程中，钻孔深度由46 m 增加至47 m时，即垂高从37.63 m 增至38.45 m 时，岩层的渗水量由13.2 L/min 减小到5.2 L/min，说明38.45 m为2 号钻孔观测到的导水裂隙带发育的最大高度。

3.2 钻孔电视观测法

3.2.1 方法介绍

钻孔电视成像仪器可对钻孔内壁进行全程录像，并可对关键部位进行抓拍，用于探测钻孔的成孔质量及效果，测量钻孔在地层中的轨迹和深度，观测裂隙的大小和方向等。这种方法适合上覆岩层导水裂隙带等的探测。

3.2.2 钻孔电视实测成果分析

（1） 1 号钻孔实测成果分析。

使用GD3Q-GA 钻孔电视对1 号钻孔进行现场观测，拍摄录像40 min，观测深度65.24 m，通过观看录像甄别截取主要观测成果，具体如图7所示。

图7 1 号钻孔现场观测图像Fig.7 Field observation image of No.1 borehole

从图7 可以看出，孔深7.2 m 和27.3 m 处的钻孔内壁完整，观察不到裂隙，说明从开孔位置到孔深27.3 m 位置，钻孔内裂隙不发育。孔深29.6 m和45.6 m 处的钻孔内壁存在裂隙，可观察到明显的横向离层裂隙，利用三角函数进行转换，孔深29.6 m 位置与采空区的垂直距离为25.1 m，该范围内的岩层由上往下是砂质泥岩和石灰岩，推测此横向离层裂隙为受采动影响的砂质泥岩和石灰岩产生的离层裂隙，说明孔深29.6 m 位置已处于采空区上方，进入了导水裂隙带范围。孔深29.6 m 和45.6 m 处裂隙较为发育，说明此阶段处于导水裂隙带范围内。孔深45.6 m 后不存在明显的裂隙，说明孔深45.6 m 之后的钻孔不在导水裂隙带范围内。因此判断孔深45.6 m 处为导水裂隙带顶部，与采空区的垂直距离为38.71 m，这与1 号孔漏失量观测的结果基本一致。

（2） 2 号钻孔实测成果分析。

使用GD3Q-GA 钻孔电视对2 号钻孔进行现场观测，拍摄录像36 min，观测深度达到63.51 m，通过观看录像甄别截取，具体如图8 所示。

图8 2 号钻孔现场观测图像Fig.8 Field observation image of No.2 borehole

从图8 可以看出，从开孔位置到孔深27.5 m位置，钻孔内裂隙不发育；从孔深27.5 m 至孔深45.7 m，裂隙较为发育，以横向离层裂隙为主，横向和竖向裂隙交叉分布，部分段较为破碎；从45.7 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。孔深45.7m 为导水裂隙带顶部，与采空区的垂直距离为37.4 m，与2 号孔通过漏失量观测的结果基本一致。

3.3 201 工作面导水裂隙带高度确定

此次对导水裂隙带高度观测钻孔进行注水漏失量观测和钻孔电视观测，2 个钻孔通过两种方法观测到的导水裂隙带发育高度相互验证，最终确定201 工作面导水裂隙带发育高度约为39.18 m。

4 结 语

本文以金辛达煤矿2 号煤层顶板水害防治为研究背景，通过对201 工作面采动覆岩裂隙的研究，总结出其导水裂隙带的发育规律，综合采用2 种实测手段确定了导水裂隙带的发育高度，研究成果丰富了岩层控制理论与顶板突水机理有着重要的理论意义，对防治水工程实践有重要的指导意义，为煤矿安全高效开采奠定了基础。