蓋州煤礦9#煤導水裂隙帶高度實測技術應用

趙 毅

(晉能集團晉城有限公司，山西 晉城 048000)

蓋州煤礦是晉能集團晉城有限公司的一座整合礦井，設計能力90萬t/a，主采9#煤層，上覆的3#煤整合前被小窯用房柱式采煤方法長期破壞，采空區(qū)內(nèi)有不同程度的積水，工作面回采放頂后形成的冒落帶和導水裂隙帶高度如果發(fā)育到3#煤老空水的高度，極易造成透水事故。所以合理確定9#煤層工作面回采后頂板導水裂隙帶高度對工作面防治水工作具有重要意義；本文以蓋州煤礦9105工作面為例，對工作面頂板采用導水裂隙帶高度井下觀測技術確定裂隙帶高度，為9#煤層防治水工作提供科學依據(jù)。

1 工程概況

晉能集團晉城有限公司蓋州煤礦9105工作面位于井田一采區(qū)，工作面頭尾順槽長度分別為1 820 m、1 825 m，切巷長度為180 m，工作面回采煤層為9#煤層，煤層平均厚度為1.7 m，9#煤層直接頂主要以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖為主，基本頂主要以K5灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、3號煤為主，9#煤層上覆為3#煤層采空區(qū)，層間距為48 m。

通過三維地震探測以及井下鉆探發(fā)現(xiàn)，工作面上覆含有K5灰?guī)r水和3#煤層老空水，對工作面回采有一定影響，工作面在前期前通過對9#煤層施工探水鉆孔進行疏放水，共計放水量為800 m3，雖然回采前對9#煤層上覆巖層采空區(qū)局部積水區(qū)進行疏放，但是回采中有殘余老空積水沿頂板裂隙帶導入工作面，預計正常涌水量為4.7 m3/h，威脅著工作面安全回采。

2 導水裂隙帶高度井下觀測技術應用

2.1 導水裂隙帶高度井下觀測技術原理

當9105工作面回采一段距離后，在工作面運輸順槽指定位置布置鉆孔施工鉆場，在鉆場內(nèi)分別向9105工作面采空區(qū)上方以及9#煤層未采區(qū)上方施工同等技術參數(shù)的仰斜鉆孔，然后對仰斜鉆孔內(nèi)注水并進行封孔處理，最后采用專業(yè)觀測儀對鉆孔內(nèi)各段注水的流失量進行對比分析，從而確定采空區(qū)上浮裂隙巖層高度。

2.2 觀測位置及時間的確定

1) 觀測位置確定：根據(jù)9105工作面順槽掘進期間實際揭露的地質(zhì)資料顯示，9105工作面回采至861 m位置處時地質(zhì)構造單一，巖層傾角近水平，無斷裂構造發(fā)育，工作面運輸順在此處布置鉆場位置，進行導水裂隙帶高度觀測位置最佳；在鉆場進行鉆孔施工必須符合以下條件：①在鉆場內(nèi)布置的導水裂隙帶高度觀測孔禁止垂直布置，必須具有一定的仰斜角度，便于水流在重力作用下能夠很好的滲入裂隙帶內(nèi)[1]。②鉆孔內(nèi)注水觀測為主必須有利于縮短觀察孔孔深；同時必須保證鉆孔可對導水裂隙帶的馬鞍形頂部最大值進行觀測。

2) 觀測時間確定：采空區(qū)導水裂隙帶高度發(fā)育形成主要分為兩個階段，第一階段為工作面回采結束后隨著采空區(qū)頂板垮落，頂板裂隙帶隨時間推移裂隙高度逐漸增高；第二階段采空區(qū)頂板垮落一段時間后，受上覆巖層重力影響導水裂隙帶逐漸被壓實，裂隙帶高度保持不變甚至下降。利用9105工作面附近勘探鉆孔巖芯地層的巖石力學成果，開展工作面開采覆巖變形破壞規(guī)律數(shù)值模擬計算得出推過該位置33天左右時間是最合適的觀測時間[2]。

3 鉆孔的布置及觀測

3.1 鉆孔布置方式

通過采用經(jīng)驗公式計算得出導水裂隙帶高度為36 m，結合對9105工作面覆巖變形破壞規(guī)律進行數(shù)值模擬分析的結論。決定對9105工作面?zhèn)炔贾?個導水裂隙帶高度觀測鉆孔，向實體煤側布置1個對比孔，鉆孔深度保證垂深穿透覆巖計算的導水裂隙帶高度36 m，并進入其上方5 m，每施工完1個鉆孔及時用觀測儀進行實測，記錄孔內(nèi)各段注水漏失量，通過對單孔內(nèi)各段注水漏失量的對比以及觀測孔與對比孔內(nèi)的注水漏失量的對比來準確測定9105工作面回采后的導水裂隙帶高度，鉆孔設計參數(shù)及布置，如圖1所示。

圖1 9105工作面導水裂隙帶高度觀測鉆孔布置示意圖

3.2 觀測方法

導水裂隙帶高度觀測鉆孔施工完后決定采用井下導水裂隙帶高度觀測儀進行觀測[3]，觀測時由孔口起自下而上逐段(每段1 m)測試每段巖層的導水性能，一直測試到孔底，如圖2所示。

圖2 導水裂隙帶高度觀測鉆孔觀測示意圖

1) 井下導水裂隙帶高度觀測儀的雙端堵水器，主要由起脹控制臺和注水控制臺進行控制聯(lián)合控制。起脹控制臺和注水控制臺的一端分別連接起脹管路和注水管路，另一端分別與高壓氣源和高壓水源進行連接[4]。

2) 首先通過起脹控制臺使鉆孔內(nèi)雙端堵水器的兩個膠囊處于無壓收縮狀態(tài)；然后利用鉆機鉆桿將雙端堵水器探頭放置到兩個膠囊中部；最后再通過操作起脹控制臺使兩個膠囊處于膨脹狀態(tài)。

3) 通過操作注水控制臺，分別對觀測孔和對比孔兩個膠囊之間空隙進行注水，并通過注水控制臺上的流量表記錄單位時間內(nèi)注水量損失量，然后對比分析，確定該段巖體的透氣性[5]。

3.3 觀測結果分析

1) 1#觀測孔共觀測42 m，其中前段區(qū)域孔深范圍10 m～29 m，垂高9.4 m～27.25 m，巖層滲水量為9.36 L/min～19 L/min，導水性強，后段區(qū)域孔深范圍29 m～42 m，垂高27.25 m～39.5 m，巖層滲水量為2.5 L/min～3.8 L/min，導水性弱性對較弱。

2) 2#觀測孔共觀測44 m，前段區(qū)域孔深范圍10 m～30 m，垂高9.27 m～28.8 m，巖層滲水量為8.7 L/min～18.2 L/min，導水性強，后段區(qū)域孔深范圍31 m～44 m，垂高28.8 m～40.9 m，巖層滲水量為3.0 L/min～5.1 L/min，導水性弱。

3) 對比孔共觀測44 m，觀測范圍內(nèi)各段巖層的注水漏失量穩(wěn)定，孔深10 m～44 m，垂高8.66 m～38.11 m，巖層滲水量為0.5 L/min～4.7 L/min，導水性弱，巖層保持完整狀態(tài)。

通過兩個觀測孔和對比孔觀測成果綜合分析確定：9105工作面覆巖導水裂隙帶的高度為H=28.8 m。

4 結語

晉能集團晉城有限公司地測防治水中心通過技術研究對蓋州煤礦9#煤層9105工作面采取了導水裂隙帶高度井下觀測技術，通過實際應用明確了工作面采空區(qū)頂板導水裂隙帶高度為28.8 m，解決了傳統(tǒng)方法無法準確獲取裂隙帶高度以及施工難度大等技術難題，為進一步提高工作面防治水工作效率提供實踐依據(jù)，取得了顯著效益。