郭家河煤礦導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及規(guī)律研究

楊國棟

（陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505）

一、前言

郭家河煤礦位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)、麟游縣北部，礦井煤厚最大達(dá)20m，平均厚度11.57m，采用走向長臂綜采放頂煤開采。在近幾年來的建設(shè)和生產(chǎn)過程中，礦井局部出現(xiàn)“離層”突水現(xiàn)象嚴(yán)重，對工作面的安全生產(chǎn)造成了較大影響，特別是煤層頂板白堊系洛河組含水層地層沉積厚度較大，對煤礦開采造成威脅較大。為準(zhǔn)確評價煤礦地下水對煤礦安全開采的影響程度，研究開采過程中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度和發(fā)育規(guī)律，對進(jìn)一步研究礦井涌水的水源、通道、機理，對“離層”突水采取合理有效的防治技術(shù)措施，指導(dǎo)以后防治水工作具有重要意義。

二、工作面簡況

1302 工作面是郭家河煤礦第七個回采工作面，為1307 工作面的接續(xù)面。工作面走向可采長度1325m，傾向長度270m，可采面積為3.5775×105m2。工作面煤層厚度為3.0～13.1m，平均8.0m。煤層底板標(biāo)高為+720～+810m，最大高差90m，煤層底板起伏變化較大。煤層頂板到白堊系底板間距為218～232m，從工作面回風(fēng)順槽往皮帶順槽逐漸增大。

三、“兩帶”探查

主要采用鉆液漏失量觀測、鉆孔井下電視窺視兩種方法確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。在采后2-7 個月進(jìn)行了探查，探查孔位置選在工作面靠近相鄰采空區(qū)側(cè)順槽向工作面內(nèi)40m 處，并且位于向斜軸部附近（煤厚9m），能代表導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度位置。

鉆孔揭露地層界限信息統(tǒng)計表 （單位：m）

四、頂板導(dǎo)水裂縫帶高度綜合確定

（一）鉆孔沖洗液消耗量觀測分析導(dǎo)水裂縫帶高度

鉆孔鉆進(jìn)過程中0～211.79m，沖洗液消耗量約為0.1～0.45m3/h，屬于鉆進(jìn)過程中的正常消耗量；211.79～216.78m，沖洗液全部漏失；對216.78m 處進(jìn)行堵漏后，繼續(xù)鉆進(jìn)至341.86m，期間沖洗液消耗量約為0.15 ～0.45m3/h，屬于正常施工消耗；341.86m～343.28m，沖洗液再次全部漏失；堵漏后繼續(xù)鉆進(jìn)至353.34m 時又出現(xiàn)沖洗液全部漏失現(xiàn)象。之后反復(fù)進(jìn)行堵漏及鉆進(jìn)施工操作（其中353.34m ～357.3m 處，361.85m ～365.77m 處，372.77m～373.79m 處沖洗液全部漏失，其它位置堵漏后尚能繼續(xù)鉆進(jìn)），至396.17m 處時，無法進(jìn)行堵漏，頂漏鉆進(jìn)施工至610.05m（至煤層頂板上方）。之后進(jìn)行常規(guī)測井和井下窺視，探頭無法正常下入孔底，在經(jīng)多次透孔順孔，最終常規(guī)測井測至580m 遇阻，井下窺視至387m 遇阻。

本次施工黃土層時，沖洗液消耗量屬于生產(chǎn)過程中的正常消耗，說明導(dǎo)水裂隙帶尚未發(fā)育進(jìn)入黃土地層，但是在地表已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多條裂縫，說明該地層處于上“三帶”理論中的“彎曲下沉帶”范圍內(nèi)；基巖段施工時，353.34m～396.17m 局部堵漏后尚能繼續(xù)施工，396.17m 以下沖洗液全部漏失，說明自洛河組底部開始，宜君組、安定組和直羅組地層已經(jīng)受到不同程度的擾動破壞。

施工中對鉆孔沖洗液消耗量進(jìn)行了詳細(xì)觀測，并做了相關(guān)曲線圖，見圖。

自396.17m 處開始，沖洗液消耗量出現(xiàn)突變，由1.08m3/h·m 突變?yōu)?.8 m3/h·m，之后沖洗液循環(huán)中斷。由此可推斷出該地層已受工作面的采煤擾動影響，且導(dǎo)水裂縫帶頂部約在396.17m 處，位于安定組地層上部。

鉆孔孔內(nèi)水位隨孔深變化曲線圖

導(dǎo)水裂縫帶高度計算：

綜合分析后可以判定，導(dǎo)水裂縫帶已發(fā)育至安定組，本次選取孔深396.17m 處為導(dǎo)水裂縫帶的頂點。

因此，導(dǎo)水裂縫帶高度為：

H導(dǎo)=H-M-h+W

式中：H導(dǎo)——導(dǎo)水裂縫帶最大高度；m

H——煤層底板距離孔口垂深；（615.00m）

M——煤層平均采厚；（取平均開采厚度9.0m）

h——導(dǎo)水裂縫帶頂點距離孔口垂深；（396.17m）

W——打鉆觀測時裂縫帶巖層的壓縮值（由于是采后孔，在此取W=0m）；

經(jīng)計算得出導(dǎo)水裂縫帶最大高度H導(dǎo)=209.83m，約為采厚的23.31 倍。

（二）鉆孔井下電視觀測分析導(dǎo)水裂縫帶高度

井下電視窺視情況：距工作面推采過孔位置7個月左右，對孔進(jìn)行了一次井下電視窺視，較為清晰窺視了0～387.00m 段的孔內(nèi)情況，其中0 ～200.12m 處為黃土層護(hù)壁套管，水位在258.60m 處，200.12～385m 孔壁較為規(guī)則，358m、362m、366m 和376m 處有橫向裂隙，全孔未見明顯的豎直裂隙；386m 開始至387m 有明顯垮落現(xiàn)象。

根據(jù)巖芯編錄結(jié)果，洛河組地層底部在356.8m處，宜君組地層底部在386.32m 處，分析認(rèn)為358m至376m 處的幾處橫向裂隙是由于巖層強度不同引起的沉降不均而形成的，自386m 處向下，宜君組底部及下部軟硬結(jié)合處地層不排除有離層空間發(fā)育的可能。見圖。

鉆孔窺視圖像

（三）煤層開采導(dǎo)水裂縫帶高度計算

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》提供的頂板導(dǎo)水裂縫帶計算公式為：

而該公式適用于單層采厚1～3m，累計采厚不超過15m 的情況。在公式總結(jié)時，尚未出現(xiàn)綜放采煤開采方法，煤層開采基本在300m 以淺區(qū)域，且研究地層主要為石炭二疊紀(jì)煤田，因此計算公式存在一定局限性，其不適用與綜放采煤覆巖頂板導(dǎo)水裂縫帶高度的預(yù)計，計算結(jié)果僅可供參考。

據(jù)國內(nèi)公開發(fā)表論文查詢，目前國內(nèi)開展綜放條件頂板導(dǎo)水裂縫帶實測的礦井多達(dá)40 余個，有關(guān)學(xué)者初步總結(jié)了中硬、軟弱頂板條件下覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)

育高度計算公式，適用性目前待進(jìn)一步檢驗，相關(guān)計算公式見表1，國內(nèi)實測資料及本區(qū)實測資料見表2、3。

表1 綜放條件“兩帶”高度相關(guān)計算公式

表2 國內(nèi)綜放裂高采厚比統(tǒng)計表

表3 彬長礦區(qū)及鄰區(qū)實測數(shù)據(jù)

現(xiàn)將國內(nèi)綜放開采中硬覆巖頂板條件下實測裂高數(shù)據(jù)與各種計算公式裂高曲線疊加見圖。

各公式裂高曲線與實測裂高對比圖

自圖中可看出，采用《“三下”采煤規(guī)程》厚煤層分層開采計算公式所預(yù)計的裂高均小于實測裂高值，隨采厚增大與實測值差距也隨之增大，表明分層綜采裂高計算公式不適用于綜放條件下裂高預(yù)計。許延春[1-2]根據(jù)國內(nèi)實測資料總結(jié)的綜放裂高計算公式，在采厚＜9.0m 時，與實測裂高值符合程度較高，在采厚＞9.0m 時，預(yù)計的裂高值與實測值差距較大?？涤廊A[3-4]根據(jù)兗州興隆莊研究資料總結(jié)的計算公式在采厚＞8.0m 時與實測裂高值符合程度相對較高。滕永海[5]推薦的在沒有實測數(shù)據(jù)時綜放開采裂高計算公式，其裂高預(yù)計值多高于實測裂高值，表明其預(yù)計結(jié)果具備一定的安全性。

五、結(jié)論

1.導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度除了與煤層采厚、采煤方法、頂板管理方法、覆巖巖性以及采后時間過程相關(guān)外，還和工作面布置有一定的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)礦區(qū)及臨區(qū)實際情況，把導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度依據(jù)工作面布置寬度情況，分為工作面寬度〈120m 和工作面寬度〉120m 兩種情況。

在工作面寬度90～120m 情況下，裂高采厚比平均13.69 倍；

在工作面寬度180～200m 情況下，裂高采厚比平均20.13 倍。

2.本次主要通過鉆孔沖洗液消耗量觀測法、鉆孔井下電視窺視法，綜合分析認(rèn)為郭家河煤礦1302工作面綜放開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度約為209.83m，約為采厚的23.31 倍，裂縫帶高度發(fā)育至安定組頂部。

3.黃隴侏羅紀(jì)煤田綜采放頂煤開采受頂板砂巖“離層”突水威脅，以陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司為例，主要采用鉆液漏失量觀測、鉆孔井下電視窺視兩種方法實測確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度。并與國內(nèi)及鄰區(qū)礦井進(jìn)行對比，進(jìn)一步驗證了實測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和符合現(xiàn)場實際，確定了開采過程中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度和發(fā)育規(guī)律，對進(jìn)一步研究礦井涌水的水源、通道、機理，對“離層”突水采取合理有效的防治技術(shù)措施，指導(dǎo)以后防治水工作具有重要意義。