煤層采后導水裂隙帶探測方法探討

郭鵬舉，張澤新

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 望云煤礦分公司，山西 晉城 048400)

導水裂隙帶是指開采煤層上方一定范圍內(nèi)的巖層發(fā)生垮落和斷裂，產(chǎn)生裂縫，且具有導水性的巖層范圍[1]。在下組煤開采中，導水裂隙帶是溝通上部老空水和頂板水的導水通道，是導致礦井水害的直接原因之一。準確探測導水裂隙帶的發(fā)育高度和規(guī)律對于防止煤礦水害事故的發(fā)生具有重要意義。

1 確定導水裂隙帶高度的常用方法

1.1 經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式計算主要是依據(jù)采高、覆巖巖性、煤層傾角等因素，國內(nèi)計算導水裂隙帶高度比較有權威性的公式是國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)中提供的經(jīng)驗公式[2]。但是規(guī)范給出公式和局限性有兩點：①對于厚煤層僅適用于分層開采方法下的導水裂隙帶高度計算，而目前國內(nèi)很多煤礦對厚煤層已經(jīng)采用綜合機械化一次采全高或綜采放頂煤采礦法；②對于多煤層重復采動導水裂隙帶高度計算精度還沒有得到生產(chǎn)實際的及時驗證。因此，經(jīng)驗公式法并不適用于所有煤礦，且其計算的精度較低。

1.2 地面鉆孔探測法

在導水裂隙帶已經(jīng)發(fā)育穩(wěn)定的采空區(qū)上方進行地面鉆孔，通過觀察鉆進過程中的沖洗液漏失量、水位變化以及在鉆進過程中出現(xiàn)的掉鉆、異常進尺等各種異?，F(xiàn)象判斷導水裂隙發(fā)育帶高度。該方法應用較多，有工作環(huán)境好、技術成熟的優(yōu)點；但不足在于容易受到破碎帶、巖溶發(fā)育地層的干擾，對于上組煤開采完畢后，不易探測下組煤開采后形成的導水裂隙帶[3]。

1.3 鉆孔電視探測法

鉆孔電視法在地面鉆孔和井下仰斜鉆孔均可適用，它是使用監(jiān)控攝像技術觀察鉆孔孔壁地質條件的一種測井方法。該方法通過監(jiān)視器實時觀察拍攝畫面，確定孔壁巖性及孔壁的裂隙、巖溶、破碎帶的大小及分布情況，故可以利用鉆孔電視觀測孔壁的破壞情況，研究導水裂縫帶發(fā)育高度。但是鉆孔電視只能在孔內(nèi)沒有積水或積水透明的裸孔中對孔壁進行觀察[4]。

1.4 井下仰斜鉆孔注水法

在導水裂隙帶已經(jīng)發(fā)育穩(wěn)定的工作面周邊，向采空區(qū)上方的覆巖導水裂隙帶內(nèi)打仰斜鉆孔，采用雙端堵水器觀測導水裂縫帶發(fā)育高度。與傳統(tǒng)的地面打鉆孔，采用鉆孔沖洗液消耗量觀測法相比，該方法工程量小、成本低、精度高、簡單易行，是近年來國內(nèi)新興的導水裂縫帶實測方法。整個觀測儀器由三部分組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺，如圖 1所示。起脹控制臺、起脹管路和雙端堵水器的兩個膠囊相連通，構成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統(tǒng)；注水控制臺、注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構成一個控制和觀測巖層導水性的注水觀測系統(tǒng)。試驗中通過對分隔出的一段鉆孔進行注水觀測，觀測出這段巖層單位時間的注水滲流量，從而測試出這段巖層的透水性能，進而確定導水裂縫帶發(fā)育層位和高度。

1.5 井下仰斜鉆孔電阻率動態(tài)監(jiān)測法

在待回采工作面周邊，在面向工作面回采的方向上斜向上打仰斜鉆孔，然后在孔內(nèi)埋設電阻率動態(tài)監(jiān)測線纜和電極。該方法不僅可以對導水裂隙帶的發(fā)育高度進行確定，還可以得出導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，也是近年來國內(nèi)新興的導水裂縫帶探測方法。該方法根據(jù)巖石的電阻率差異，當煤層采動引起覆巖破壞導致巖石的孔隙度和孔隙結構發(fā)生變化時必然導致上覆巖層原有電場特征和電阻率發(fā)生改變，試驗中通過監(jiān)測電阻率變化特征來分析導水裂縫帶的發(fā)育高度和變化規(guī)律[5]。

圖1 井下仰斜鉆孔注水法實測導水裂隙帶示意

2 望云礦導水裂隙帶探測方法探討

2.1 工程背景

望云礦井田東區(qū)3號煤層目前已經(jīng)回采完畢，由15號煤層接續(xù)3號煤層生產(chǎn)迫在眉睫。但是15號煤層部分工作面上覆3號煤層局部采空區(qū)存在一定量的積水，且3號至15號煤層在井田部分區(qū)域層間距較小，根據(jù)經(jīng)驗公式計算的15號煤層導水裂縫帶可能溝通局部3號煤層采空區(qū)，采空區(qū)積水可能成為15號煤層開采的水患因素。而望云礦現(xiàn)有的導水裂縫帶發(fā)育高度評價準確度不高，難以較為準確地對3號煤層采空區(qū)積水影響下15號煤層開采安全性進行評價。因此，需要對15號煤層工作面回采期間形成的導水裂縫帶發(fā)育高度進行專項研究和探測。根據(jù)望云礦實際情況，筆者設計出探測望云礦導水裂隙帶鉆孔布置方案和三種方法。

2.2 鉆孔布置方案

由于望云礦現(xiàn)開采的15號煤層上部已形成3號煤層采空區(qū)，因此地面鉆孔探測法并不適用，擬在井下施工4個仰斜鉆孔，采用不同方法對15號煤層導水裂隙帶進行探測。在15102工作面回風巷道內(nèi)(切眼附近)設置觀測鉆場，向15101工作面施工鉆孔LD-1和LD-2，在15103工作面回風巷道南部450 m處，施工鉆孔LD-3和LD-4，觀測鉆場選擇及鉆孔布置平面圖如圖2、圖3所示，剖面如圖4、圖5所示。

2.3 導水裂隙帶探測方法

結合望云礦實際情況，經(jīng)過比選和分析，確定在望云礦15號煤層井下采用鉆孔電視探測、井下仰斜鉆孔注水和井下仰斜鉆孔電阻率動態(tài)監(jiān)測三種方法對導水裂隙帶進行綜合探測。

圖2 LD-1、LD-2布置平面

圖3 LD-3、LD-4布置平面

圖4 “導高”觀測鉆孔(LD-1、LD-2)布置剖面(A-A′)

圖5 “兩帶”觀測鉆孔(LD-3、LD-4)布置剖面(B-B′)

針對15101工作面導水裂隙帶探測孔LD-1、LD-2為采后孔，相距30 m，鉆孔各要素一致，兩孔互相對比和驗證，鉆孔形成后依次進行導高觀測儀進行井下仰斜鉆孔測量、鉆孔電視窺測工作。

針對15103工作面導水裂隙帶探測孔LD-3、LD-4為采前鉆孔，LD-3鉆孔專門探測垮落帶各個地質要素，鉆孔形成后埋設電阻率傳感器后封孔，在回采中、回采后進行電阻率動態(tài)監(jiān)測；LD-4鉆孔探測垮落帶和導水裂隙帶，可以和15101工作面“導水裂隙帶”探測孔進行回采前后的對比，通過井下電視影像和導高觀測儀注水漏失量的對比，來確定15號煤層的導水裂隙帶高度?；夭汕笆褂脤Ц哂^測儀進行井下仰斜鉆孔測量導高和鉆孔電視窺測，然后埋設電阻率傳感器后封孔，在回采中、回采后進行電阻率動態(tài)監(jiān)測。

3 結 語

導水裂隙帶發(fā)育特點受煤礦地質條件、開采方法影響很大，發(fā)育高度的規(guī)律具有區(qū)域性的特點，應具體區(qū)域具體分析、“因礦制宜”，經(jīng)過試驗綜合研究，確定適合本地區(qū)、本礦的導水裂隙帶經(jīng)驗公式。

以望云礦為例，通過鉆孔電視探測、井下仰斜鉆孔注水和井下仰斜鉆孔電阻率動態(tài)監(jiān)測三種方法對導水裂隙帶進行綜合探測，確定15號煤層采后導水裂縫帶發(fā)育高度和發(fā)育規(guī)律，對望云礦防治水工作具有重要意義。