“双端封堵侧漏技术”在探测大采深工作面煤层底板裂隙中的应用

黄 彪，冯有利

(河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000)

0 前言

我国作为原煤开采量第一大国，煤炭资源丰富且地域分布辽阔，拥有良好的发展前景。同样由于我国煤田水文地质条件的相对复杂性，我国也是煤矿水害的易发区和灾难区。我国山西、河南、河北等地的华北型石炭二叠纪煤田煤系地层多为奥陶纪石灰岩，岩溶发育，含水性能好;其次连接含水层与煤层之间的断层、裂隙也是加重灾害发生的存在。区域内的矿井在开采过程中都不同程度的受到底板以下承压水的威胁。而且随着采深的加深、开采水平方向的延伸、采面的扩大。这种对矿井安全生产的威胁也将越来越大。

我国对煤层底板的研究起步比较晚［1］，最开始都是集中在一些浅部煤层进行研究，相继针对我国煤层存在的问题提出了一些有特色的理论方法。例如“数值模拟［2］”“相似材料模拟”和“塑性理论分析法［3］”。基于各个理论的观点和出发点不同又相继出现诸多的研究方法，如张文泉等［4］采用的钻孔注压水法、王家臣等［5］的电剖面法、刘传武等［6］经行的钻孔检层法、刘盛东［7］结合孔中电法和联合CT技术的测试手段等等。

1 “钻孔双端封堵侧漏”装置

钻孔双端封堵侧漏装置是近几年由山东科技大学发明的专利技术，该装置包含的主体部件有(图1):注水操作台、堵孔操作台、钻机和孔内封堵器。其他的部件还有一些耐压细径导水软管、软管接口、铁夹等，用以连接各主体部件。

图1 双端封堵测漏监测仪装置Fig.1 The machine of double sides seal for leaking

1.1 双端封堵侧漏装置测试原理

“双端封堵侧漏装置”工作原理的前提是岩层中存在裂隙。首先通过对孔内封堵器经行加压膨胀，闭合将要测试的测试段形成一个独立的小空间，在这个空间内如果围岩不存在裂隙，那么通过操作台注入的高压水就不会出现渗漏的现象，一旦存在裂隙，则注入水就会出现漏失从而反应在操作台上。

漏失量的大小反应了围岩内裂隙的空间大小范围。裂隙发育漏失量就会偏大，反之围岩内裂隙不发育或不受影响，漏失量就会偏小甚至为零。孔内封堵器一般设计为1m，每测定完一个1 m长度的孔段后，将封堵器的胶囊卸压，胶囊收缩复原，便可将封堵器移到下一个测段，继续进行封孔注水观测，直到测完整个钻孔。根据各段注水漏失量的变化情况确定裂隙发育规律与下界，以此探测确定底板岩层破坏规律。

1.2 技术关键

1.2.1 封堵胶囊

2703工作面推进期间，先期的钻孔会出现变形或踏孔的现象，孔壁难以做到绝对的光滑，保证不了封堵胶囊与围岩摩擦出现破裂的情况，起不到封堵的效果;另外，单层的胶囊也很难承受得住较高的水压，经技术改造，在单层的胶囊外面设有限位保护层。选取内外两层胶囊时，内层胶囊材料的起胀压力控制在0.2MPa，外层胶囊材料起胀压力高于这个数值，控制在0.6～1MPa。

1.2.2 注水阀门的操作

2703工作面采用的是同一根外接水源供水，一个压水系统要同时完成封堵和注水两个独立的系统，为确保两者之间的协调，通过调节注水阀门的开启和关闭，将其人为的分成两个独立系统。具体操作既可以做到使胶囊起胀封住钻孔首先形成一个密闭空间，再开启注水操作台往密闭空间内注水。在向测漏孔注水时，保证孔内的水压始终低于胶囊内的水压，从而可以保证外界过大的水压对封堵胶囊的影响，不会对胶囊的封堵作用起到破坏的作用。操作台上的各种单向注水阀门存在不同的回差，采用气门芯式注水阀门能很好的降低回差的大小，从而起到不错的试验效果。

1.2.3 导管与连接

实验中不可缺少的除各主体部分之外，还有起连接和导水作用的细径耐压软管。

所选用的塑料软管都改用的耐高压的细径软管(图2)，软管的内径壁厚1.8mm，内径为12mm，外径15.6mm。软管中间层编织有24股纤维可抗高水压，一般在2～4MPa。软管接口最好能选择螺旋纹类，尽量避免光滑接口。

2 城郊矿2703工作面底板破坏深度测

2.1 2703回采工作面概况

2703对拉工作面位于城郊煤矿东翼七采区。工作面整体为一宽缓的单斜构造，工作面外段较平缓，煤层倾角1°～7°，里段煤层倾角较大，约6°～14°。工作面上胶带顺槽走向长1043m，下胶带顺槽走向长926m，轨道顺槽走向长993m，倾斜长342.2m，面积325404m2。根据采区三维地震资料及巷道掘进期间实际揭露情况，工作面二2煤赋存稳定，煤厚最大3.52m，最小1.10m，平均2.77m，资源储量108.52 ×104t，可采储量103.10 ×104t。采煤方法为一次采全高的综合长壁采煤法，工作面底板的地层结构和岩性如表1所示:

表1 煤层底板结构和岩性特征Table 1 The structure and lithology of the coal floor

2.2 钻孔设计和施工要求

钻孔的设计与施工除应符合探测目的需要外.还有如下要求:

(1)钻孔深度应能保证超过预计的最大导水裂缝带高度，而且需要进入完整岩体一定深度。

(2)孔口位置应设在预计的最大冒落带范围以外，以防孔口及浅部孔段垮落。

(3)钻孔倾角在能够施工的前提下应尽量大一些，避免钻孔穿过冒落带，同时易于排碴洗孔，利于分封段封堵。实践证明，倾角大一点的钻孔，采后变形、塌孔的程度要小得多，这对需要保留的采前观测孔尤为重要。

(4)钻孔施工要尽量保证孔形端正、孔壁光滑，终孔后及时清渣扫孔。

本次实验中，选取ZK3作为分析对象，ZK3(图2)的参数为:方位角 172°、俯角30°、孔深 80m、孔内径89mm。

图2 ZK3剖面示意图Fig.2 ZK3 profile sketch

在采前和开采到孔口附近都采集了相关的数据，ZK3的选择基本满足设计的要求，实验数据可信度较高。

3 测试结果分析

在工作中，对ZK3进行了采前和采后实验数据的采集并绘制成图3，图3是采面距钻孔末端水平距离100多米外时测试的实验数据，这个时候回采对测试段的地层没有影响，测试时存在注水漏失的现象，得出的实验数据反映了原岩本身已经存在的裂隙等。图3中，可以将注水漏失曲线分为两段:一段是沿钻孔方向0～30m，即垂直煤层底板方向0～15m的范围，在这个范围段内，存在一定规模的裂隙，这可能是由于前期巷道的掘进造成的结果;而且明显能够看出:细粒砂岩中裂隙的发育程度要比砂质泥岩中裂隙的发育程度好，说明煤层底板的岩性对裂隙的发育存在影响。另外一段是钻孔后30～80m范围，在这个范围段内没有出现较为明显的漏失，证明在垂直方向15m以下的岩层中并没有明显的裂隙发育。

图3 岩层未受影响条件下注水漏失曲线Fig.3 The leaking curve of the uneffected condition

在煤层回采工作面回采至离ZK3钻口30m附近时进行了实验测试，测试的技术手段和注水压力等条件和第一次测试时保持一样。测试的结果绘制成如图4，图中注水漏失曲线发生了较为明显的变化。在钻孔方向前30m范围内，注水漏失量的变化反而趋向于变小，这可能是因为在回采的过程中，一是顶板通过支护对底板施加的压力;二是因为煤层的消失，更深层次的岩层鼓起对这段岩层施加的力，两种力作用在煤层下浅部岩层上，造成这段岩层被挤压压实，裂隙减少。而在另外一段的30～80m范围内，受到的影响较大，尤其是30～70m范围内，裂隙发育强烈，注水漏失量较大，70m之后的10m范围内，虽然有裂隙的发育，但是却急剧降低，到79m处趋向于0。

图4 岩层受影响条件下注水漏失曲线图Fig.4 The leaking curve of the effected condition

图5是根据前后两次数据进行对比换算后确定的数据，即将采前获得的数据作为初始值△1，采后的数据作为影响变动后的影响值△2，运用公式:

图5 采前采后注水漏失变化曲线图Fig.5 The leaking change curve from the beginning to the end

影响值Δ2-初始值Δ1=裂隙发育量

若裂隙发育量为正值，则说明回采期间受到影响，存在煤层底板裂隙发育或原有裂隙的扩大加深;反之如果裂隙发育量为负值，则说明裂隙不发育。

4 结论

对最终数据统计换算得到的煤层底板裂隙的发育程度曲线如下，总结出规律如下:

(1)回采过程中，煤层底板会受到工作面推进的影响，集中发育在煤层底板垂直深度13～31m范围段内。

(2)煤层最大破坏深度在斜孔78、79m的深度，在垂直深度方向发育到煤层底板下39m处。

(3)煤层底板破坏受到底板岩性的影响较大，砂岩的裂隙发育程度较泥岩的裂隙发育程度高，在泥砂互层中，泥岩中漏失量普遍较砂岩中漏失量低。出现这种情况的可能性比较多:一是在相同的外力作用在泥岩和砂岩上时，两者均破碎，但是泥岩有自我修复的特性;二是砂岩本身裂隙发育比较高，在外部作用力的施加下，更加促使裂隙的发育。

(4)煤层底板下10m左右的范围内，在图上显示这个范围段的裂隙发育程度是比较低的，和煤层段的应力重新分布有关系，可能导致近煤层面的一些裂隙被压实消失。

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