汾源煤業(yè)5-101綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

湯亞南

（霍州煤電李雅莊煤礦 山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)井田可采煤層為2#、3#～1#、5#煤層，其中5#煤層為穩(wěn)定可采煤層，5#煤層內(nèi)平均含有兩層夾矸，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，構(gòu)造簡單，頂板巖層為泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖和中粒砂巖，底板巖層為泥巖和中-細(xì)砂巖。礦井地質(zhì)構(gòu)造類型屬于簡單，水文地質(zhì)類型為中等-復(fù)雜，奧灰水靜水位標(biāo)高為+1 466.58 m，屬帶壓開采礦井[1-2]。

5-101工作面走向長度約800 m，切巷長度105 m，煤層厚度一般為1.85 m～20.06 m，煤層平均厚度為10.5 m，煤層傾角20°～45°，平均35°，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法處理頂板。5-101 工作面工作面上覆太原組砂巖和石灰?guī)r巖溶裂隙水，含水層在井田邊界東部露頭，其中砂巖含水層（距工作面90 m）富水性較弱，灰?guī)r含水層（距工作面192 m）富水性屬于弱-中等型，對工作面的安全回采具有一定的影響，工作面處于突水系數(shù)0.06 MPa 以下?，F(xiàn)為判定工作面回采期間是否會貫通石灰?guī)r含水層，特進(jìn)行工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的分析[3-4]。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測

根據(jù)5-101 工作面的地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對工作面回采后上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行建模分析，模型長×寬×高=500 m×300 m×450 m，底邊及兩側(cè)邊界均做固定約束處理，上部邊界施加工作面等效荷載，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)依據(jù)工作面地質(zhì)條件確定。

工作面初始地應(yīng)力平衡后開始回采作業(yè)，其中回采期間工作面上方覆巖完整性發(fā)生破壞，覆巖塑性區(qū)的發(fā)育特征基本與導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度相對應(yīng)，因此可通過分析覆巖塑性區(qū)的發(fā)育特征進(jìn)而對覆巖導(dǎo)水裂隙帶分析，具體如圖1所示：

圖1 工作面回采不同距離時(shí)塑性區(qū)分布云圖

據(jù)圖可知：煤層開始回采后覆巖自下而上表現(xiàn)為剪切和拉伸破壞，且覆巖破壞最強(qiáng)烈的區(qū)域主要位于工作面開切眼和煤壁處；當(dāng)工作面回采50 m時(shí)，工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度達(dá)到24.6 m，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度在持續(xù)增大；當(dāng)工作面回采150 m 后，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至94.6 m；當(dāng)工作面回采250 m 時(shí)，在工作面煤壁兩端20 m范圍和開切眼處底板的破壞深度不斷加劇，且回采后的采空區(qū)覆巖中部逐漸向上發(fā)育，此時(shí)已經(jīng)貫通頂板太原組砂巖巖溶裂隙含水層，根據(jù)工作面地質(zhì)資料可知，該含水層富水性較弱，故而其對工作面的安全回采影響較?。划?dāng)工作面回采300 m時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度相較于工作面回采250 m時(shí)并無明顯的變化，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶的最大發(fā)育高度為175 m，且裂隙帶整體呈現(xiàn)為馬鞍狀分布。

3 導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測分析

為有效掌握5-101工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，在工作面采空區(qū)內(nèi)布置2個(gè)觀測鉆孔，鉆孔編號分別為D1和D2，其中D1鉆孔布置在距離工作面走向中軸線26 m的位置處，鉆孔與5-101回風(fēng)順槽的距離為125 m，D2 鉆孔布置在距工作面走向中軸線52 m上，鉆孔與5-101 回風(fēng)順槽的距離為100 m，具體工作面導(dǎo)水裂隙帶觀測鉆孔參數(shù)如表1所示。

表1 觀測鉆孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)表

根據(jù)眾多導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度方面的研究成果[4-5]，本次5-101 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測作業(yè)主要通過對鉆孔沖洗液漏失量觀測、水位變化觀測及巖芯工程地質(zhì)編錄的方法進(jìn)行綜合分析。其中，鉆孔沖洗液漏失量法主要是通過觀測鉆孔過程中沖洗液的漏失量、鉆孔水位及鉆具進(jìn)尺的異常情況進(jìn)行觀測分析，具體沖洗液漏失量的觀測系統(tǒng)如圖2所示；巖芯工程地質(zhì)編錄主要是通過描述巖層破碎程度及裂隙發(fā)育程度進(jìn)行巖芯RQD值，以此對裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行一定的判斷。

圖2 沖洗液漏失量觀測系統(tǒng)圖

3.1 鉆孔沖洗液漏失量

根據(jù)觀測記錄結(jié)果得出D1 鉆孔的沖洗液漏失量變化曲線及水位變化曲線如圖3所示：

圖3 D1鉆孔期間沖洗液及水位變化曲線圖

分析圖3可知，D1鉆孔孔深8.5 m時(shí)，沖洗液單位時(shí)間的漏失量為0.90 L/s～1.50 L/s，經(jīng)停鉆觀測得出鉆井附近20 m處存在著地表裂隙；鉆孔孔深166 m時(shí)，沖洗液的漏失量出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，當(dāng)孔深168.5 m時(shí)沖洗液單位時(shí)間漏失量達(dá)到最值為1.8 L/s，循環(huán)進(jìn)入到中斷狀態(tài)，當(dāng)鉆孔孔深172 m時(shí)，沖洗液的漏失量又處于于正常穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)，據(jù)此判定得出巖層內(nèi)部可能存在著原生裂隙；鉆孔孔深172 m～228 m時(shí)，沖洗液的漏失量處于正常循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)沖洗液單位時(shí)間的平均漏失量為0.16 L/s，鉆孔內(nèi)部水位的變化處于穩(wěn)定狀態(tài)；在鉆孔孔深228.18 m時(shí)，沖洗液漏失量出現(xiàn)迅速增大且循環(huán)中止的現(xiàn)象，此時(shí)沖洗液漏失量達(dá)到7.8 L/s，繼續(xù)鉆進(jìn)至229 m 時(shí)，此時(shí)上鉆后得出鉆孔水位埋深為180.47 m，沖洗液漏失量呈現(xiàn)出無循環(huán)規(guī)律特征，當(dāng)鉆孔持續(xù)鉆進(jìn)至358.60 m時(shí)，此時(shí)沖洗液全部漏失；當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至359.80 m時(shí)，此時(shí)鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)頻繁掉鉆現(xiàn)象，鉆孔鉆進(jìn)終止于361.20 m。

基于D1 鉆孔沖洗液漏失量及水位變化情況的分析結(jié)果，初步判定鉆孔在孔深228.18 m位置巖層為裂隙帶的頂界面，在鉆孔孔深為358.60 m的位置處為垮落帶的頂界。根據(jù)鉆孔埋深395 m，計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為166.82 m。

根據(jù)D2鉆孔鉆進(jìn)期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出鉆孔沖洗液漏失量及水位變化曲線圖如圖4所示：

圖4 D2鉆孔期間沖洗液及水位變化曲線圖

分析圖4 可知，鉆孔在孔深為0 m～124.50 m 的范圍內(nèi)，鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量均較小且循環(huán)穩(wěn)定，鉆孔單位時(shí)間單位進(jìn)尺的平均漏失量為0.25 L/s·m，鉆孔內(nèi)部的平均水位埋深為24 m；當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至125 m時(shí)，此時(shí)鉆孔沖洗液的漏失量增大至2.0 L/s，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至252 m 時(shí)，此時(shí)鉆孔沖洗液單位時(shí)間漏失量達(dá)到3.72 L/s，單位時(shí)間單位進(jìn)尺的漏失量達(dá)到7.54 L/s。在進(jìn)行提鉆后水位埋深達(dá)到142.63 m，根據(jù)此時(shí)取出巖芯的觀測得出巖芯內(nèi)存在著橫向裂隙，通過對該深度進(jìn)行注水試驗(yàn)可知，孔內(nèi)能觀測到水位但水位呈現(xiàn)出下降的趨勢，進(jìn)而初步判定251.60 m 為裂隙帶的頂界面。隨著鉆孔繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)鉆進(jìn)至385 m時(shí)，此時(shí)出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，在進(jìn)行提鉆后，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)無水且從孔中傳出呼呼的風(fēng)聲，且取出的巖芯極為破碎，據(jù)此初步判定鉆孔在382.90 m的深度處進(jìn)入到垮落帶的范圍。

綜合上述分析可知，D2鉆孔處裂隙帶的頂界面為孔深251.60 m 處，在孔深382.90 m 處為垮落帶的頂界面?；贒2鉆孔區(qū)域的埋深為427 m，計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為175.40 m。

3.2 巖芯觀測

表2 巖芯采取率數(shù)據(jù)表

從鉆孔巖芯的發(fā)育情況能夠看出孔深251.82～382.5 m處巖層內(nèi)部發(fā)育著大量的裂隙（砂泥巖互層），巖層整體處于完整狀態(tài)。在孔深382.50 m～385 m深度處，巖芯整體處于破碎狀態(tài)（泥巖），進(jìn)一步驗(yàn)證了裂隙帶和垮落帶的分布區(qū)域。

圖5 現(xiàn)場鉆孔巖芯照片

4 結(jié)論

根據(jù)5-101 工作面的水文地質(zhì)特征，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測分別進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶的預(yù)測與實(shí)測，其中基于模擬結(jié)果得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為175 m，根據(jù)D1和D2鉆孔的實(shí)測結(jié)果得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度分別為166.82 m和175.40 m。綜合判定出工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為166.82 m～175.40 m，貫通頂板太原組砂巖含水層，未貫通頂板灰?guī)r含水層，工作面構(gòu)造區(qū)域采取相應(yīng)的探放水措施即可保障工作面的安全回采，5-101工作面回采期間無突水危險(xiǎn)性。