河流下垮落法开采覆岩破坏范围实测分析

2019-04-28王丙迎

煤 2019年4期

王丙迎

(西山煤电有限责任公司屯兰煤矿，山西太原 030200)

地下开采中由于煤炭资源的回收，在工作面后方的采空区覆岩会向下垮落填补采空区的空间，当覆岩垮落有足够的移动空间时会形成垮落带，当覆岩下方的移动空间不足，而其破坏后又可以保持原有岩层排布，此时称为导水裂隙带，垮落带和断裂带一起构成导水裂隙带[1]。

对于导水裂隙带的研究方法主要有理论计算法[2-3]、实验室模拟法[4-6]和现场实测法[7-9]。其中理论计算法又包括经验公式法、力学模型分析法和数学优化算法等，实验室模拟法主要包括数值模拟法和物理模拟法两种，现场实测方法很多，其中瞬变电磁法和井下压水试验法应用较为广泛，而且技术相对成熟。本文主要采用井下压水试验法对扎旗盟煤矿河流下22021工作面采后的覆岩破坏范围进行实测分析，为矿井安全生产提供具有参考价值的数据。

1 工程概况

扎旗盟煤矿所处区域四季分明，雨水充足，矿井地表有3条河流流经，一条四季常流河，两条夏季河流。扎旗盟煤矿的22021工作面位于东一采区，工作面地表标高约31 m，埋深230 m左右，工作面采厚3.5～5.2 m，平均采厚约4.6 m，煤层倾角约3°，属于近水平工作面，顶板属于中硬偏硬顶板。工作面上方为常流河，河底有大约14 m厚的黏土层，起到了较好的隔水作用，但由于采厚较大，为保证开采过程的安全，必须在开采过程中对覆岩的导水裂隙带高度进行实时监测。

2 实测方法

探测导水裂隙带高度的方法很多，其中压水试验是确定导水裂隙带诸多方法中精度较高的一种方法。压水试验又分为井下压水试验和地表压水试验。井下压水试验具有工程量小、施工方便、试验周期短等优势，且因为井下选择的钻孔位置具有更强的针对性，选择打孔位置和方向的可控性和精度都明显高很多，因此，应用更广。

井下压水试验的工作原理是在巷道向顶板预计导水裂隙带的范围内打孔，钻孔高度一定要高于导水裂隙的范围，一般至少在导水裂隙带上方10～20 m，目的是便于实现端头堵漏。在压水过程中钻孔两端施工堵漏，然后在压水过程中采用分段加压、分段注水的方法来对比分析不同阶段的压水量和压水速度。显而易见，漏水量大和压水速度快的位置就是裂隙发育较高的位置，反之则为岩层完整性较好的位置，进而确定导水裂隙带的发育高度。井下压水试验方法如图1所示。在钻孔过程中要特别注意，钻孔时要高度监测和关注钻孔的出水量，以及在打钻过程中的围岩变形和压力，因为由于覆岩可能有含水层，钻孔过程可能会因此洞穿隔水层，做好防护和监测工作。

图1 井下仰孔压水试验法探测方法

3 实测方案

为观测22021工作面的覆岩三带分布特征，在工作面的运输巷设计两个压水钻孔，定义两个钻孔的编号分别为Z01和Z02，Z01钻孔距离开切眼58 m，钻孔深度102 m，Z02钻孔距离开切眼为76 m，钻孔深度106 m，两个钻孔都是斜向上偏向工作面煤体侧打入，钻孔倾角分别为47°和43°。

在打钻过程中严格按照操作规程执行，保证施工效果和安全。孔开口先用D120 mm钻头钻进，钻进至穿过破碎带(垮落带)，下D100 mm套管，套管外侧焊接1个配套法兰盘并配备闸阀，并用高标号水泥封套管外壁与钻孔中间空隙。然后用D75 mm钻头钻进，直至终孔，终孔后关闭套管闸阀，防止采空区中积水和瓦斯大量涌入工作面。并在打钻过程中对水和瓦斯的含量进行实时监测，做好应急处置方案。

在整个实验压水过程中，首先要保证堵漏位置密封完好，目的是注水压力稳定和不必要水流失量少。为保证统计流速的可对比性，保证水头压力都在0.5 MPa，注水时间都是30 min。为确保水头压力保持0.5 MPa，注水过程中根据水头压力调节注水压力。

4 实测结果分析

整理压水试验过程中的实测数据，数据包括：钻孔深度、注水压力、压水流速和压水时间。

4.1 Z01试验孔分析

Z01试验孔记录得到的数据如表1所示，根据表1数据绘制出22021工作面顶板Z01试验孔漏失量曲线，如图2所示。

从表1和图2中可以看出：

1) 当钻孔深度在25 m以下时注水压力明显小于30 m之后的注水压力，而且在25 m以下时的注水流速明显大于30 m之后的注水流速，25 m内的注水流速都大于等于10.2 L/min，30 m后的注水流速都小于等于6.7 L/min，可见在25～30 m范围内有垮落带和导水裂隙带的分界处，根据钻孔倾角为47°，可以得出垮落带高度在18.3～21.9 m之间。

图2 22021工作面Z01钻孔流速曲线

2) 随着注水深度由30 m增加到90 m过程中的注水压力逐渐增大，注水压力由0.68 MPa增加到1.02 MPa，说明在此过程中裂隙的发育程度逐渐减小，在此区间内的注水流速大都稳定在3.2～6.7 L/min；在95 m后的注水压力明显大于90 m之前的注水压力，95 m后的注水压力都大于等于在1.23 MPa，但95 m后的流速却都小于等于1.6 L/min。相较于90 m之前的数据，95 m后的注水压力大，但注水流速却小很多，说明钻孔深度在90～95 m范围内有导水裂隙带和弯曲下沉带的分界线，根据钻孔倾角为47°，可以得出导水裂隙带的上限在65.8～69.5 m之间。

4.2 Z02试验孔分析

Z02试验孔记录得到的数据如表2所示，根据表2数据绘制出22021工作面顶板Z02钻孔流速曲线，如图3所示。

从表2和图3中可以看出：

1) 当钻孔深度在25 m以下时注水压力明显小于30 m之后的注水压力，而且在25 m以下时的注水流速明显大于30 m之后的注水流速，25 m内的注水流速都大于等于8.2 L/min，30 m后的注水流速都小于等于5.4 L/min，可见在25～30 m范围内有垮落带和导水裂隙带的分界处，根据钻孔倾角为43°，可以得出垮落带高度在17.0～20.5 m之间。

2) 随着注水深度由30 m增加到90 m过程中的注水压力逐渐增大，注水压力由0.74 MPa增加到1.05 MPa，说明在此过程中裂隙的发育程度逐渐减小，在此区间内的注水流速大都稳定在2.7～5.4 L/min；在95 m后的注水压力明显大于90 m之前的注水压力，95 m后的注水压力都大于等于1.24 MPa，但95 m后的流速却都在小于等于1.2 L/min。相较于90 m之前的数据，95 m后的注水压力大，但注水流速却小很多，说明钻孔深度在90～95 m范围内有导水裂隙带和弯曲下沉带的分界线，根据钻孔倾角为43°，可以得出导水裂隙带的上限在61.4～64.8 m之间。