煤1上行开采导水裂缝带观测研究

2018-12-29张凯华

山东煤炭科技 2018年12期

张凯华

（山西省霍州煤电集团辛置煤矿，山西霍州 031412）

辛置煤矿煤1的回采是在煤2、煤4回采后进行的，煤2回采后的导水裂隙带已波及煤1，对煤1上下岩层已造成破坏，同时煤4的回采对其也造成了一定的影响。为了进一步掌握煤2、煤4回采后煤1反采导水裂隙带发育的高度，促进矿井防治水工作，必须对煤1上行开采导水裂缝带进行观测研究。

1 开采技术条件

与辛置煤矿1111工作面导水裂缝带探测关系密切的煤1油2顶板岩层自上而下主要为：（1）泥灰岩，层厚15m。1111工作面泥灰岩层与煤层顶板间距约40m。（2）煤上2，层位较稳定，层厚6.90m。（3）泥岩泥灰岩互层。层厚8.0m，与煤1顶间距约24.87m。（4）煤上1，层位较稳定，层厚11.6m。（5）粉砂岩，层厚8.4m。（6）含油泥岩，层厚4.87m。

2 煤层覆岩导水裂缝带高度观测研究

2.1 煤1油2开采覆岩裂缝带高度预计

辛置煤矿煤1油2属于典型的软弱岩层。根据相应规程覆岩导水裂缝带高度的预计公式为：

式中：

HLi-导水裂缝带高度，m；

∑M-累计采厚，m。

按开采厚度4m计算，HLi为27m。为了确保能够观测到煤1油2开采导水裂缝带的最大高度，观测钻孔设计的终孔位置距离煤1油2顶板的垂直高度应控制在36～40m之间，根据1111工作面顶板实际地层情况，终孔位置应设计在煤上2或泥灰岩中。

2.2 1111工作面导水裂缝带高度观测设计方案

为了有效地观测1111工作面开采导水裂缝带发育的最大高度，根据1111工作面的实况，决定在1111工作面下顺停采线附近设计观测钻窝。在1111工作面下顺施工观测钻窝A，设计一组钻孔，用于观测煤1油2反采覆岩导水裂缝带的发育高度及其发育形态。

3 煤1上行开采导水裂缝带发育高度探测研究

3.1 观测方法

本次观测主要是采用仰孔分段注水观测的方法进行，采用钻孔双端封堵测漏装置进行。布置在观测煤层上方已掘进的专用巷道内，观测原理示意图如图1。

图1 井下仰孔分段注水观测原理图

主要的观测仪器包括：两端封堵测漏装置、供水限压控制系统、供气限压控制系统。

（1）专项结余资金将被收回。财政专项当年未执行完毕，剩余的资金形成结转资金，一般可以继续使用，但是如果到了财政规定的年限，例如厦门市财政专项允许年终结转后继续使用一个季度，仍有余额的，就形成结余资金，结余资金一般都会被财政部门收回。

观测程序：（1）钻孔。采用130钻头施工10m左右，根据施工现场注浆加固，植入120套管，再采用107钻头向深部施工，最后拆卸钻杆。（2）观测装置安装。在钻杆顶部加好两端封堵测漏装置，向深部送进，同时以卡带连接固定好送气管。（3）连接观测装置。当观测装置到达观测孔底部位置后，连接供水限压控制系统和供气限压控制系统，进行测试，正常后再加压测试。（4）进行观测。观测示意图如图2所示。

图2 井下钻孔法观测示意图

由于钻孔塌孔、出水等非人力所能控制的诸多因素，致使采后只完成了A-9一个钻孔的分段注水观测。为了能够比较准确地界定煤1上行开采导水裂缝带发育高度，根据采前2个钻孔和采后1个钻孔的分段注水观测结果，充分利用在采后观测钻孔施工过程中钻孔和工作面出水情况。

3.2 1111工作面回采过程中出水情况

瞬变电磁探测结果，泥岩与泥灰岩互层共圈定较强富水异常区10个，5#和10#异常区富水性相对最强；泥灰岩圈定较强富水异常区4个，靠近停采线位置4#异常区富水性相对最强。

工作面下顺距开切眼240m揭露一小断层，落差1.1m，倾角80°，工作面在240～310m开采范围涌水量不断减小，表明这一小断层对工作面涌水没有产生明显的作用。

1111工作面于2012年9月1日采至680.8m停采，停采后一段时间工作面涌水量基本稳定在5m3/h左右；9月27日16时（停采26d），工作面回撤到最后一架支架时，顶板开始大面积淋水，工作面涌水量约15m3/h，同时，A-9孔锐减至1m3/h；9月28日（停采27d）工作面涌水量增至30m3/h，9月29日（停采28d）逐渐减小，9月30日（停采29d）涌水量减至10m3/h，10月5日（停采34d）以后涌水量基本稳定在5m3/h。图3为停采后工作面涌水量与时间关系图，由此推断1111工作面导水裂缝带在采后26～27d发育最充分或达到最大发育高度。

图3 停采后工作面涌水量与时间关系图

工作面回采过程中的出水情况，涌水量峰值与泥岩与泥灰岩互层的相对富水区有比较明显的相关性，而与泥灰岩相对富水异常区相关性较差。由以上工作面出水特征，推断煤1油2反采导水裂缝带最大高度主要波及泥岩与泥灰岩互层含水层，而未波及泥灰岩含水层。

3.3 观测成果

（1）采前A-1号钻孔观测结果

A-1孔所处位置离下部煤2、煤4开采区比较远，岩层状态基本不受煤2和煤4开采的影响，所测注水漏失量反映地层的原生裂隙及裂缝的发育状态。

（2）采前A-7号钻孔观测结果

A-7孔所处位置靠近下部煤2、煤4开采区，岩层状态受煤2、煤4开采的影响，所测注水漏失量反映地层的煤1油2开采前、煤2和煤4开采后的裂隙及裂缝发育状态。

（3）采后A-9号孔观测结果

在施工A-9孔时，分两段施工。第一段用Φ50钻具钻进至42m，再用Φ89钻具扩孔至42m，完成第一段钻孔分段注水观测，所观测地层为粉砂岩和煤上1，钻孔还未揭露互层，故此段观测时孔内出水量相对较小；第二段从42m处继续施工至62.45m。42.5m见互层，钻至43m时出水量25～35m3/h，水压0.8MPa，由于钻孔出水，且水压大于胶囊封堵压力和注水压力，此时所测漏失量为零，观测失效。当探管推至56m时，观测读数不为零，观测工作正常。

根据以上开采前后钻孔漏失量的变化可以确定A-9孔的导水裂缝带上界在孔深59.0m处，即泥岩与泥灰岩互层和煤上2的交界处。导水裂缝高度由下式计算：

式中：

H裂-导水裂缝带高度，m；

a-钻孔倾角，（°）；

β-沿钻孔方向的煤层伪倾角，（°）；

l-导水裂缝带上界孔深，m；

h-开采高度，m；

h'-孔口距煤层底板的高度，m；

h''-回采顶板到煤顶板的距离，m。

将l=59.0m，a=45°，β=7°，h=3.97m，h'=2.0m，h''=1.9m代入（2）式，得A-9孔实测导水裂缝带高度H裂=36.5m。

3.4 1111工作面煤1反采导水裂缝带发育高度

辛置煤矿煤1油2采用综采工作面，开采高度一般为3.97m。粉砂岩原生裂隙和裂缝发育相对较弱，采动后有大量的新生裂隙和裂缝产生；煤上1地层原生裂隙和裂缝发育比较均匀，受煤1油2开采影响大，产生了大量的新生导水裂隙和裂缝；泥岩与泥灰岩互层原生裂隙、裂缝和溶洞发育极不均匀，互层中泥灰岩的原生裂隙、裂缝和溶洞发育较强，而互层中的泥岩原生裂隙和裂缝发育相对较弱，受煤2煤4开采影响大，产生了较为明显的新生裂隙和裂缝，煤1油2开采产生了大量的新生裂隙和裂缝；煤上2地层受煤2、煤4及煤1油2开采影响小，基本上是整体下沉形式，没有产生明显的新生裂隙和裂缝，原生裂隙和裂缝发育相对较弱，具有阻隔水作用。

综合工作面回采过程工作面涌水情况及采后A-9钻孔的实测结果，最大导水裂缝带高度发育至泥岩与泥灰岩互层和煤上2的交界面，A-9孔实测高度为36.5m，按正常情况下平均采高3.97m计算，裂高采厚比约9.2。导水裂缝带高度发育的最大高度与岩层的岩性有着密切的关系，煤上1地层采前与采后比较地层未产生明显的导水裂缝通道，但其上的泥岩与泥灰岩互层却产生了明显的新生裂缝，但由于煤上1的阻水作用，其导水裂缝带发育最大高度不会超过煤上1地层，这时裂高采厚比显得意义不大。