工作面顶板导水裂隙带高度观测方法研究

乔晓峰

（中煤昔阳能源有限责任公司白羊岭煤矿，山西 晋中 045300）

导水裂隙带高度准确观察以及形态研究是合理确定矿井开采上限的重要依据[1-3]，是含水层下采掘施工安全的重要保障。传统井下覆岩导水裂隙带高度观测主要通过地面施工钻孔，根据钻孔内冲洗液消耗量确定裂隙带高度。采用该方法时钻孔施工工程量大、盲目性大、工程施工费用高、测量精度低[4-5]，而且该方法受井下施工条件限制大，如在三下采煤时很难从地面进行钻孔施工。所以提出一种具有低成本、测量精度高的导水裂隙带高度观测方法对煤矿水害防治、水下采煤具有重要意义[6]。本文以白羊岭煤矿15108 工作面为研究背景，通过从井下向15#煤层上覆含水层导水裂隙带施工注水钻孔，准确测量每段注水后流失量判断该区域围岩裂隙情况，从而准确判断导水裂隙带高度。采用该方法进行裂隙带高度测量时具有钻孔施工工程量小、便于操作施工、观测精度高等优点[7-8]，为含水层下采掘施工提供了有力的技术依据和安全保障。

1 工程概述

中煤昔阳能源有限责任公司白羊岭煤矿15108工作面位于一采区+600 m 水平，设计平距长度2695 m（轨道及联巷），方位角180°。巷道15108 轨顺及联巷自东翼辅助运输大巷开口，南距井田边界34 m，北部系统巷道均已施工完毕，巷道西部为设计15108 工作面，东部距15110 采空区煤柱15 m。15110 工作面于2017 年1 月开始回采，至2019 年10 月已回采完毕。

15108 工作面设计走向长度为1450 m，倾向长度为187 m，回采15#煤层。煤层为黑色，块状及粉末状，以暗色为主，厚度4.5～4.8 m，平均4.6 m，局部含有夹矸，夹矸为黑色泥岩，最大厚度约0.1 m。煤层走向238°～260°，倾向148°～170°，倾角约3°～6°。煤层顶底板岩性见表1。

表1 15#煤层顶底板岩性表

2 工作面水文地质条件

根据物探资料显示，15108 工作面上覆以砂岩、粉砂岩及灰岩为主，仅局部裂隙发育处可能有出水现象，积水标高均为+694.7 m。受工作面采动影响，上覆含水层水通过导水通道进入工作面，虽然前期已对上覆含水层水进行疏放，但是在前期回采过程中仍出现顶板淋水现象，正常涌水量为 4.7 m³/h，随着工作面推采垮落，将通过裂隙导入工作面。

为避免工作面回采过程中波及采空区积水造成透水事故，需探测15108 工作面采场覆岩导水裂缝带高度。初步设计在地面布置钻孔向上覆裂隙带打钻，根据冲洗液消耗量确定裂隙带高度。该方法在15106、15104 工作面应用中，存在以下问题：

1）钻孔定位难度大。由于受地面群山、建筑物、森林等影响，从地面向井下施工钻孔时钻孔定位难度大，危险系数高。

2）钻孔施工成本高。白羊岭煤矿15#煤层埋深在420～450 m 范围内，从地面施工钻孔时，单孔施工最大深度达350 m，单孔施工周期达29 d，钻孔施工成本为37 元/m，成本费用高，周期长。

3）测量精度低。采用地面打钻冲洗液消耗量法确定裂隙带高度时，由于钻孔开口往下30～50 m范围内为地表松软层，冲洗液在该区域内消耗量大，对导水裂隙带测量精度影响大。根据15106、15104工作面上覆裂隙带测量精度来看，地面打钻法测量灵敏度低，裂隙带高度测量误差在5～10 m。

3 数值模拟分析

3.1 力学模型的建立

1）结构模型。根据15108 工作面实际情况，设定工程模型埋藏深度为100 m，工作面可采长度为350 m，工作面倾向长度为120 m，煤层倾角为4°，工作面煤层及围岩岩性根据实际情况进行建立。整个数值模型采用24 553个单元和27 899个节点组成。

2）边界条件设定。对模型纵向及横向施加水平位移约束条件，从而控制边界在水平方向上移动，对模型底部施加在垂直方向上的约束条件，控制在垂直方向位移，模型上部边界为自由面，主要模拟上部岩体自重。

3.2 数值模拟结果分析

通过数值模拟计算后，得出工作面回采后覆岩在采动影响下拉伸应力分布图以及塑性区分布云图如图1 所示。工作面在回采过程中，受采动影响上覆岩层出现下沉，导致大部分覆岩产生塑性破坏。根据围岩塑性区分布图可知，工作面回采后上覆岩体塑性流动区主要集中在顶板往上30 m 范围内，最大连续塑性区为29 m，开采期间上覆岩层在拉伸破坏作用下出现大面积破碎垮落，从而在上覆岩层内形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。

图1 采动影响下工作面覆岩应力及塑性区分布云图

根据围岩拉伸应力分布图可知，当上覆岩层处于最大拉应力时围岩垮落带高度达10 m，当覆岩处于最小拉应力时围岩最大裂隙带高度为19.14 m，而覆岩导水裂隙带高度为拉应力下围岩垮落带高度与裂隙带高度之和，即为29.14 m。

通过综合分析以及数值模拟结果可知，工作面回采期间上覆导水裂隙带高度位于塑性变形区和拉应力破坏区内，所以导水裂隙带高度应小于拉应力破坏区高度和塑性变形区高度，由此可判定导水裂隙带高度为29 m 左右。

4 井下导水裂隙带观测方法

4.1 导水裂隙带观测方案

在回采工作面周边布置钻场，在钻场内向采空区上覆导水裂隙带方向施工仰斜钻孔，对每段钻孔进行注水试验，在注水过程中准确记录注水量、注水时间、流失量等参数，最后进行对比分析，判断导水裂隙带高度。该方法与传统的地面钻孔冲洗液法相比，具有钻孔施工工程量小、施工成本费用低、测量精度高等优点[9]。

4.2 钻孔施工

在15108 工作面回风顺槽顶板共计布置2 个钻孔，钻孔编号为1#、2#。1#钻孔为试验孔，2#钻孔为对比孔。其中1#孔深度为43 m，仰角为70°；2#孔深度为46 m，仰角为60°。15108 工作面导水裂隙带高度观测钻孔布置如图2 所示。所有钻孔直径为94 mm，其中1#钻孔与工作面间距为15 m，2#钻孔与工作面间距为50 m。

图2 15108 工作面导水裂隙带高度观测钻孔布置图

4.3 钻孔封孔工艺

1）15108 工作面导水裂隙带高度观测钻孔采用ZYW-1200 型全液压钻机进行施工。钻孔施工后对孔口处安装孔口套管，钻孔扩孔直径为134 mm，扩孔长度为10 m。扩孔后对孔内安装直径108 mm无缝钢管，每节钢管长度为1 m，管与管之间采用内丝外丝连接，丝扣长度为150 mm。在钢管外露端安装法兰盘及阀门。

2）孔口管安装后采用3NBB3.1-15.0/6.0-2.5-1.5型煤矿用变量泥浆泵对孔口管与孔壁之间进行注浆施工。注浆材料采用水泥水玻璃双液浆。

4.4 导水裂隙带高度观测仪结构

1）导水裂隙带高度观测仪主要由堵水器、连接管路以及控制台等部分组成。堵水器主要由起胀胶囊和注水管组成，胶囊共计2 个；连接管路主要有注水管路和起胀管路。

2）控制台包括起胀控制台和注水控制台。起胀控制台利用起胀管路与堵水器2 个胶囊进行连接，从而形成胶囊起胀、收缩控制系统；注水控制台通过注水管路与堵水器注水探管连接，从而形成钻孔注水观测系统。如图3。

4.5 观测方法

导水裂隙带高度观测仪中堵水器主要通过注水控制台和起胀控制台同时控制操作。起胀控制台和注水控制台两端分别连接起胀管路、注水管路以及高压气源和高压水源，具体操作工序如下：

1）收缩胶囊。通过操作起胀控制台使堵水器两端的胶囊内空气排出，处于完全无压收缩状态。

2）探头移动。通过操作钻机使钻杆将双端堵水器探头推移至指定钻孔位置，并进行固定。

3）胶囊起胀。双端堵水器探头推移到位后通过操作起胀控制台，对双端堵水器两端的胶囊进行充气加压，胶囊充气膨胀后对固定段钻孔进行封堵形成封闭注水空间。

4）加压注水。胶囊起胀后通过控制注水控制台对胶囊形成的环形封堵空间进行高压注水。注水时通过注水控制台安装流量表实时观察注水量以及注水时间，注水完成后通过对注水损失量进行监测从而推测该段岩体透水性能。

4.6 导水裂隙带观测仪法观测优点

导水裂隙带高度观测仪观测法是一种全新高精度裂隙带探测方法，其主要优点表现在以下几方面：

1）钻孔施工工程量小。采用观测仪观测法时打孔施工深度小于100 m，钻孔布置在裂隙带探测区域内，施工工序简单，钻孔施工精度及效率高。与传统地面钻孔冲洗液法相比，施工工程费用可减少70%

2）检测精度高。采用观测仪法进行裂隙带高度测量时，测漏灵敏度为0.1 L/min，探测钻孔深度达百米以上，深度误差不超过1%。

3）施工受环境影响小。相比传统地面钻孔冲洗法，该测量方法受施工环境影响小，适用于水体下采煤工作面导水裂隙带高度测量，实用性强[10]。

5 注水观测效果分析

5.1 1#钻孔观测结果分析

根据现场观测数据绘制出1#钻孔隔断岩体注水漏失量图如图4。在钻孔观测范围内根据注水漏失量分为两个区域，即注水漏失量较大的I 区域和注水漏失量较小的Ⅱ区域。

图4 1#钻孔岩体注水漏失量测量图

I 区域钻孔深度为10～29 m，垂直高度为9.5～27.48 m。现场观察发现该区域内注水后漏失量为9.7～18.9 L/min，注水漏失量大，说明该区域受采动影响围岩裂隙发育，钻孔处于裂隙带区，岩体导水性能强。Ⅱ区域钻孔深度为29～42 m，垂直高度为27.48～39.7 m。该区域注水漏失量为2.3～3.4 L/min，该段岩体渗水率低，说明该段岩体完整体好，裂隙不发育，岩体隔水性能好，导水性能差。

在注水观测过程中发现，在垂直高度26～27 m段钻孔最大渗水量为9.6 L/min ，而在垂高为27.48 m 处钻孔最大渗水量骤减至3.4 L/min，由此可见1#钻孔最大导水裂隙高度为27.48 m。

5.2 2#钻孔观测结果分析

由于2#钻孔布置在距工作面30 m 外，受工作面采动影响相对较小。在孔深10～44 m，垂高为8.67～39.2 m 范围内，每个试验段注水漏失量在0.9～4.1 L/min；在垂高为27～29 m 段注水漏失量相对较大，为5.2 L/min，该区域局部存在裂隙带。由此可见，2#钻孔整体围岩完整性好，隔水性能好。

通过综合分析可知，15108 工作面在回采过程中产生扰动对顶板岩体稳定性影响较大，造成顶板岩体裂隙发育，导致裂隙带向上覆含水层延伸，最大延伸高度为27.48 m，工作面回采影响范围为工作面前方0～30 m 范围，所以回采过程中应加强对该区域淋水现象观察，必要时采取超前钻探施工。

6 结语

白羊岭煤矿对15108 工作面回采期间上覆含水层导水裂隙带采用导水裂隙带高度观测仪进行观测，确定了工作面前方30 m 范围内导水裂隙带高度为27.48 m，30 m 后导水裂隙带高度小。与传统地面打钻法相比，观测仪观测法钻孔施工量小，减少钻孔施工工程费用70%，测漏精度达 0.1 L/min，且观测施工受施工环境影响小，满足不同施工条件下采掘工作面导水裂隙带观测要求，取得了显著应用成效。