仰孔注水測(cè)漏法在磁窯溝13102工作面防治水的應(yīng)用研究

鄔飛龍

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

礦井水害會(huì)直接或間接對(duì)煤礦造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，需根據(jù)礦井實(shí)際工程概況采取科學(xué)、有效的防治水方案防治礦井水害。楊達(dá)明[1]等通過對(duì)比鉆孔注水漏失量觀測(cè)、鉆孔電視和數(shù)值模擬3種方法探測(cè)所得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的情況后可知，鉆孔法數(shù)據(jù)最為精確；楊艷國(guó)[2]等采用理論分析和UDEC數(shù)值模擬的方法對(duì)位于河流下煤層不同開采順序?qū)?dǎo)水裂隙發(fā)育情況進(jìn)行分析，通過采取不同開采順序?qū)γ簩娱_采控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度來防治水害；楊曉科[3]、湯玉兵[4]、周海濤[5]等采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法對(duì)地表河流、水體下開采覆巖破壞變形及裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度確定防治水方案。這些研究需在確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同水害類型得出相應(yīng)的水害防治措施。以磁窯溝煤礦13102工作面為工程背景，通過對(duì)比分析不同導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)、探測(cè)方法的優(yōu)劣，選用精確度更高的仰孔注水測(cè)漏法進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的情況，分析工作面水害威脅類型及程度，并制定相應(yīng)的防治水對(duì)策。

1 概 況

磁窯溝煤礦13102工作面回采13號(hào)煤層，13號(hào)煤層平均厚度10.40 m，傾角3.7°，松散層平均厚度38.6 m，基巖平均厚度109.1 m。13102工作面長(zhǎng)度240 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 580 m，工作面埋深110.0～188.2 m，采用一次采全層大采高放頂煤采煤方法，采放比1∶1.48；13102工作面上覆為10-2號(hào)煤層（已回采）。工作面東部為13103工作面（未形成）；南部為山西華鹿陽(yáng)坡泉煤礦，留設(shè)20 m井田保護(hù)煤柱；西部為13101綜放工作面（已回采）；北部為131盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷/膠帶大巷/回風(fēng)大巷。13102工作面頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)，見表1。

表1 工作面頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of working face roof and floor

磁窯溝礦13102工作面頂板含水層自上而下分別為地表含水層、砂巖裂隙和孔隙含水層、石灰?guī)r裂隙和孔隙含水層，均為弱富水性含水層。工作面底板含水層為石灰?guī)r裂隙含水層，與底板最小垂直距離為31 m，13102工作面未處于帶壓開采區(qū)域，不受底板含水層影響。13102工作面頂板及底板含水層對(duì)工作面均無無水害威脅。13102工作面上覆10-2號(hào)煤層采空區(qū)，該采空區(qū)積水及地表水可能對(duì)工作面產(chǎn)生安全威脅。因此，需通過探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，確定可能產(chǎn)生的水害來源。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

確定導(dǎo)水裂隙帶高度的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、物探法、模擬實(shí)驗(yàn)法和注水測(cè)漏法等。

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法中的公式是通過匯總相似地質(zhì)條件下導(dǎo)水裂隙帶高度并進(jìn)行分析所得出的，按照不同的采礦地質(zhì)條件，采用相適應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算。考慮到13102工作面頂板為中硬巖性，根據(jù)“三下”開采規(guī)范中的公式計(jì)算13102工作面導(dǎo)水裂隙帶高度：

式中：∑M為累計(jì)采厚，m；h2為導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

式（1）是結(jié)合19、20世紀(jì)炮采及人工采掘礦井的導(dǎo)水裂隙帶高度所得出的經(jīng)驗(yàn)公式，不適用于當(dāng)前綜合機(jī)械化采煤礦井。且13102工作面煤層采厚10.40 m，遠(yuǎn)大于3 m；上覆10-2號(hào)煤層采厚8.40 m，累計(jì)開采厚度超過15 m，不滿足經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算條件。

物探法通過探測(cè)巖體電阻率的變化確定巖體的破壞形態(tài)，從而確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，但是物探法對(duì)于巖層小裂隙的探測(cè)存在一定誤差。模擬實(shí)驗(yàn)法有物理相似模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法，物理相似模擬實(shí)驗(yàn)可直觀觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶及地表變形的大致情況，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的確定存在一定誤差；數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法建立的數(shù)值模型過于理論化，與實(shí)際工況存在一定出入。

仰孔注水測(cè)漏法是根據(jù)探測(cè)鉆孔孔段內(nèi)注水漏失量的變化情況確定巖層的破壞形態(tài)，進(jìn)而確定裂隙發(fā)育高度。井下仰孔注水測(cè)漏法具有探測(cè)數(shù)據(jù)可靠、速度快等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)中使用較為廣泛。因此，磁窯溝礦13102工作面選取仰孔注水測(cè)漏法探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度。

3 仰孔注水測(cè)漏法

3.1 仰孔注水測(cè)漏法工作原理及組成

仰孔注水測(cè)漏法是根據(jù)孔段內(nèi)漏失量的變化情況確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度的一種方法。在巷道中向工作面斜上方進(jìn)行鉆孔作業(yè)，將鉆孔打至預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，然后制造一段密閉孔段，向密閉孔段內(nèi)注水監(jiān)測(cè)其漏失量變化情況。如圖1所示。

圖1 仰孔注水測(cè)漏裝置探測(cè)示意Fig.1 Inverted hole water injection leakage measurement device detection

由圖1可知，仰孔注水測(cè)漏裝置主要由鉆機(jī)、鉆桿、測(cè)試探頭裝置、注水操作平臺(tái)、封堵操作平臺(tái)組成；測(cè)試探頭裝置（雙端堵水器）主要由轉(zhuǎn)換閥、膠囊、油管及花管組成。鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)后，鉆桿將測(cè)試探頭裝置推送至測(cè)試孔段；封堵操作臺(tái)向測(cè)試探頭裝置中的膠囊注放水實(shí)現(xiàn)膠囊的膨脹、收縮，膠囊在注水后開始膨脹，膨脹到緊貼鉆孔內(nèi)壁后就會(huì)形成一定長(zhǎng)度的雙端密閉封堵孔段；注水操作臺(tái)由調(diào)壓閥、進(jìn)水閥、壓力表、流量表、防水閥及高壓膠管組成，對(duì)封堵孔段注水，觀測(cè)漏失量的變化情況。

3.2 仰孔注水測(cè)漏法工作流程

仰孔注水測(cè)漏法通過測(cè)量各孔段單位時(shí)間、單位長(zhǎng)度漏失量變化情況確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。注水漏失量大于6 L/min且連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)有較大的流量段為導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，注水漏失量小于6 L/min，且出現(xiàn)較多0值的注水量段為導(dǎo)水裂隙帶范圍外。仰孔注水測(cè)漏法工作流程如圖2所示。

圖2 仰孔注水測(cè)漏法工作流程Fig.2 Inverted hole water injection leakage measurement method working process

由圖2可知，首先使用鉆具在指定位置打至預(yù)計(jì)高度的鉆孔，鉆孔完畢后通過鉆桿將轉(zhuǎn)換閥與膠囊推送入鉆孔；然后操作封堵平臺(tái)膠膨脹囊并形成一段密閉封堵孔段；隨后操作注水操作臺(tái)向密閉封堵孔段定壓注水，在注水前調(diào)節(jié)調(diào)壓閥與放水閥使壓力達(dá)到定值，在壓力達(dá)到定值并穩(wěn)定后關(guān)閉放水閥并打開進(jìn)水閥，注水并觀測(cè)測(cè)試孔段的漏失量變化情況。測(cè)試孔段的流量觀測(cè)結(jié)束后，停止向封堵孔段注水，釋放封堵孔段內(nèi)的水流并收縮膠囊，使用鉆桿將膠囊推送至下一測(cè)試段進(jìn)行觀測(cè)，重復(fù)以上操作，直至將整個(gè)鉆孔內(nèi)的漏失流量觀測(cè)完畢。

4 工程應(yīng)用

4.1 導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)

在13102工作面回風(fēng)順槽內(nèi)距停采線15 m處施工2個(gè)直徑為133 mm的鉆孔；1號(hào)鉆孔終孔位置距工作面頂板垂直高度為95 m，距工作面水平距離為45 m；2號(hào)鉆孔終孔位置距工作面頂板垂直高度為95 m，距工作面水平距離為40 m。從鉆孔4 m深度開始注水探測(cè)，注水漏失流量如圖3所示。

由圖3可知，1號(hào)探測(cè)孔注水漏失流量在距工作面上方40 m范圍內(nèi)處于6 L/min左右，注水漏失流量在距離工作面上方40～93 m內(nèi)遠(yuǎn)大于6 L/min，說明裂隙帶高度范圍位于工作面上方40～93 m；2號(hào)探測(cè)孔注水漏失流量在6 L/min左右浮動(dòng)，孔內(nèi)漏失流量無明顯變化。因此，磁窯溝煤礦13102工作面裂隙帶高度范圍為40～93 m，需要重點(diǎn)防治的水害類型為上覆10-2號(hào)煤層采空區(qū)積水和大氣降水匯集形成的地表水。

圖3 注水漏失流量曲線Fig.3 Water injection leakage flowcurve

為確定上覆10-2號(hào)煤層采空區(qū)積水的具體位置，采用瞬變電磁法對(duì)13102工作面進(jìn)行勘探。圖4為頂板上位巖層相對(duì)低阻異常區(qū)分布。

圖4 1 31 02工作面頂板上40 m處巖層相對(duì)低阻異常區(qū)分布Fig.4 Distribution of relative low resistance abnormal area in 40m above roof of 13102 working face

相對(duì)低阻異常區(qū)位于13102工作面頂板上40 m左右層位，說明13102工作面上方40 m處巖層裂隙開始相對(duì)發(fā)育，低阻異常區(qū)疑似采空區(qū)積水， 預(yù)計(jì)積水量共9 600 m3，采取相應(yīng)措施進(jìn)行防治。

4.2 防治水方案

通過對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的探測(cè)可知，對(duì)13102工作面有影響的水害為上覆10-2號(hào)煤層采空區(qū)積水和大氣降水形成的地表水，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行防治。

（1）根據(jù)13102工作面瞬變電磁探測(cè)法所得的工作面頂板上位巖層相對(duì)低阻異常區(qū)分布，對(duì)低阻異常區(qū)及上覆各采空巷道進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，進(jìn)行鉆孔防水，共施工46個(gè)定向鉆孔，其中6個(gè)鉆孔出水，共計(jì)放水總量約為9 450 m3，采空區(qū)內(nèi)積水已基本排放完畢，不會(huì)對(duì)回采工作產(chǎn)生影響。

（2）13102工作面距切眼243～1 046 m對(duì)應(yīng)地表為東西高中部底的山坡，山坡底部為南高北低的溝谷，工作面回采范圍及周邊地表無水體，需要在工作面回采期間及時(shí)回填出現(xiàn)的塌陷裂縫，防治大氣降水。

5 結(jié) 論

為治理磁窯溝煤礦13102工作面水害，采用仰孔注水測(cè)漏法確定工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，制定相應(yīng)的防治水方案。

（1）仰孔注水測(cè)漏法通過測(cè)量各孔段單位時(shí)間、單位長(zhǎng)度漏失量變化情況，確定13102工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為40～93 m。

（2）13102工作面需要重點(diǎn)防治的水害類型為上覆10-2號(hào)煤層采空區(qū)積水和大氣降水匯集形成的地表水。

（3）采取向上覆10-2號(hào)煤層采空區(qū)鉆孔探測(cè)并放水和及時(shí)回填地表塌陷裂縫的方法，防治采空區(qū)積水與大氣降水形成的地表水。