利用“钻孔双端封堵测漏装置”观测“两带”高度

2014-05-02王文龙,庞树臣

山东工业技术 2014年10期

关键词：导水覆岩岩层

王文龙，庞树臣
（山东能源临矿集团田庄煤矿，山东济宁 272100）

如何准确开采后的覆岩冒裂带发育高度，现场实测是一种极为重要的手段。提出的“钻孔双端封堵测漏”法具有工程量少，精度高等优点，具有很高的推广应用价值。

双端封堵测漏；两带高度；精度；推广应用

前言

我们本次观测拟采用井下“钻孔双端封堵测漏装置”钻孔（仰孔）分段注水法，是在煤矿井下采煤工作面周围选择合适的观测场所，例如可在相邻工作面的顺槽或所测工作面的停采线或开切眼以外的巷道中开掘钻窝，向采空区上方打仰斜钻孔。钻孔应避开垮落带区域而斜穿导水裂缝带，达到预计的导水裂缝带顶界以上一定高度，如图1所示。使用“钻孔双端封堵测漏装置”沿钻孔进行分段封堵注水，测定钻孔各段的漏失流量，以此了解岩石的破裂松动情况，确定导水裂缝带的上界高度。

图1 井下钻孔法观测示意图

1 钻孔双端封堵测漏装置的优点

“钻孔双端封堵测漏装置”是进行井下仰孔分段注水观测的主要设备，它包括孔内封堵注水探管和孔外控制阀门及观测仪表系统。孔内封堵注水探管两端有两个互相连通的胶囊，平时处于静止收缩状态，呈圆柱形，可用钻杆或人力推杆将其推移到钻孔任何深度。通过细径耐压软管、调压阀门和指示仪表向胶囊压水或充气，可使探管两端的胶囊同时膨胀成椭球形栓塞，在钻孔内形成一定长度（设计为1m）的双端封堵孔段。通过钻杆或人力空心推杆（兼作注水管路）、调压阀门和压力流量仪表向封堵孔段进行恒压注水，可以测出单位时间注入孔段并经孔壁裂隙漏失的水量。

2 覆岩导水裂缝带高度预计

覆岩导水裂缝带高度的大小是关系到开采工作安全与否的一个重要因素，并由此决定了覆岩安全保护层带的厚薄或存在与否，根据山东科技大学多年来对覆岩导水裂缝带高度的研究，认为受采动影响上覆岩层连续性遭到破坏，在层面方向上产生离层破坏，而在垂直方向上受剪切及层向拉力的作用，形成垂直的覆岩破坏带。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，导水裂缝带高度应根据覆岩类型按下面公式计算：

煤层顶板上覆岩层类型为坚硬时：

式中：HLi——导水裂缝带高度（m）

∑M——累计采厚(m)

根据武所屯生建煤矿16105工作面的开采参数及地质采矿条件，工作面顶板岩层为十下灰，岩性、厚度变化均较小，岩石致密坚硬，属于坚硬类型，煤层厚度按0.85m考虑，由公式(1)计算可得煤层开采后覆岩裂缝带高度为28.1±8.9m。因此，在设计观测孔时，主要对覆岩采动破坏高度在20～35m范围内的覆岩破坏情况进行控制研究。

3 观测工程设计

3.1 观测工程布置

观测剖面位置的确定首先应考虑采前、采后观测钻孔施工的可行性与观测的方便性，其次要考虑钻孔开工处（钻窝）围岩的完整性，以便于巷道硐室的维护和观测孔孔口的完整，还应考虑水源、通风行人的方便。综合考虑上述因素，决定将观测剖面设在16105上顺联络巷里，武所屯村庄保护煤柱中，大约距停采线15m处。直接在16105上顺联络巷内施工采前、采后观测钻孔，采前孔布置在16105上顺联络巷未采动一侧。

3.2 观测钻孔的设计与施工

采前钻孔用于观测未受采动影响的煤层覆岩岩层的原始裂隙状态，以作为采后观测对比的基础；采后观测用于控制覆岩导水裂缝带的最大发育深度，应在采后覆岩移动基本稳定后施工。根据武所屯生建煤矿基岩塌陷角数值，基岩上山方向移动角77°，基岩下山方向移动角74°，基岩走向方向移动角75°，以及预计的导水裂缝带发育高度，绘制了16105工作面沿走向的覆岩裂隙破坏发育示意图。

4 导水裂缝带高度观测资料分析

4.1 16105工作面采动覆岩裂缝带高度观测结果

本次观测设置为采前孔、采后孔观测，采前钻孔用于观测未受采动影响的煤层覆岩岩层的原始裂隙状态，以作为采后观测对比的基础；采后观测用于控制覆岩导水裂缝带的最大发育高度。

4.2 观测资料分析

根据已经取得的观测数据，对照煤层顶板的岩层分布对三个观测钻孔的注水漏失量情况进行了定量和定性分析，结果如下。

A.采前孔（1#）

设计的采前1号孔开孔位置在16105上顺联络巷里，方位垂直上顺联络巷向着16105工作面未开采区方向，倾角30° 。根据测试结果，采前1号孔在整个孔段均有大小不一的漏失量，注水漏失量大多在每米孔段1L/m in以上。根据施工过程中的顶板岩层情况以及漏失量的大小，判断注水漏失量大的范围内有可能是原生裂隙的存在或受16105工作面采动引起的微弱影响，同时也不排除个别孔段封堵装置封闭效果不好，导致注水有漏失。另外还有可能就是钻孔施工位置恰好位于坚硬顶板断裂处，硬岩中的原始裂隙或采动裂隙即使受采动影响也很难再次闭合，从而形成永久性的裂隙发育地带。

B.采后孔（2#）

设计的采后2号孔开孔位置在16105上顺联络巷里，方位垂直上顺联络巷向着16105工作面采空区方向，倾角35° 。根据测试结果，采后2号孔从孔深15-18m有明显漏水，漏失量均在5L/m in以上，说明该段岩层已经遭到破坏，而在19.5-27m之间，漏失量均在5L/m in以下，在孔深28.5m-33m之间，呈连续明显漏水，最大漏水位置在孔深33m处，漏失量明显减少则从孔深34.5m开始。

因此以孔深33m为采后1号孔实测裂缝带上界，该孔倾角35°,此处至煤层顶界的垂高为18.93m，裂缝带最发育层位位于孔深28.5-33.0m段。

C.采后孔（3#）

设计的采后3号孔开孔位置在16105上顺联络巷里，方位垂直上顺联络巷向着16105工作面采空区方向，倾角30° 。在孔深13.5-28.5m之间均有明显漏水，漏失量大多在5L/min以上，说明该段岩层已经遭到破坏，而在30.0-30.15m之间，漏失量稍微减小，在孔深33m-37.5m之间，呈连续明显漏水，最大漏水位置在孔深37.5m处，漏失量明显减少则从孔深39m开始。

因此,以孔深37.5m为采后1号孔实测裂缝带上界，该孔倾角30°,此处至煤层顶界的垂高为18.75m，裂缝带最发育层位位于孔深33.0-37.5m段。