工作面煤层底板采动破坏深度测试在防治水工程中的研究与应用

文/任立武 武文清

一、概述

冀中能源峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司九龙矿15445N工作面位于九龙矿北五采区，利用北五采区三条下山构成生产系统。

井下位置：南为北五采区皮带下山；北为北二皮带下山；东为F35断层以及待掘的15447N工作面；西为北二下部进风巷，工作面标高在-710m～-770m。15445N工作面南北走向长480～496m，倾斜宽度126m，开采面积66236m2。工作面为单斜构造，煤层倾向为 N6°E，倾角 12°～15°，15445N 工作面开采 4# 煤。

地质构造情况：15445N工作面地质较简单，4号煤赋存稳定，煤厚一般为1.3～2.2m，煤层为单一煤层，平均煤厚1.6m。煤层直接顶板为野青灰岩，厚0.7～2.2m，平均2.0m，4号煤底板为砂质泥岩，厚1.1m，深灰色，厚层状，含植物化石。

水文情况：15445N工作面水文地质条件复杂，其充水水源主要为顶板野青灰岩水和底板各薄层灰岩含水层水，充水通道为煤层顶、底板导水裂隙带。底板主要强含水层（奥灰含水层水）在无垂向补给通道、陷落柱等破坏情况下，对上部4号煤开采无影响。因此，工作面底板是否存在隐伏导含水构造，尤其是隐伏导含水陷落柱和导含水断层，是15445N工作面开采的主要危险因素。

二、注水试验钻孔参数与施工工艺

1.注水试验孔布置

为节省施工成本和施工时间，考虑利用15445N工作面现有钻窝。每个钻窝布置一组钻孔，每组布置4个试验孔，钻孔均匀排列，其位置距离煤壁1m，总体控制深度18～35m。此外，为便于得到连续的观测数据，且防止在开采过程中对注水管等设备造成损坏，需要在运输巷道（下巷）外侧引出40m注水管，并安装观测设备。钻孔接头处需要用枕木保护，注水管道应固定在巷道外侧，如图1所示。

图1 总体布置示意图

钻孔布置在点138附近的钻窝，距离开切眼300m左右，方位角为 285°，控制深度为 18～33m。钻孔施工主要参数如表1所示，钻孔平面布置如图2所示。

表1 底板注水钻孔施工主要参数

图2 钻孔平面布置示意图

2.注水试验钻孔结构与施工技术要求

（1）开孔用φ127mm钻头钻进至距设计深度（设计钻孔倾斜长度）1m（依据实际情况确定）时，停止钻进，测量实际长度和钻孔倾角。

（2）下φ108mm套管至钻进深度，后孔底加压注浆直至孔口管外壁冒浆为止。

（3）待浆液充分凝固后，再用φ75mm钻头钻至设计深度，裸孔长度1m。

（4）将 φ75mm钢管变径后通过法兰盘与φ50mm高压注水管连接，孔口需严密封闭。

（5）钻孔施工过程中准确记录实际钻孔长度和倾角。

3.煤层底板破坏深度探测结果分析

为了监测回采前底板原生裂隙的发育情况以及顶板可能对底板破坏深度的影响，观测时间从回采开始前开始，直至回采结束。依据现场情况，采用连续注水和间断观测。

现场监测要求：监测设备安装完成后，每两天观测一次；在工作面开始推进以后，每天观测1～2次，直至不能观测为止。由于工作面停电造成15445下顺槽被淹，造成第一组水表损坏，无法正常观测。到工作面开采结束，仅获取第二组4个孔的监测数据。监测期间各试验孔水压在0.1～1.4MPa之间变化。第二组4个钻孔控制的煤层底板岩层最大垂直深度分别为34m、26.38m、22.5m、18.35m。

（1）5#钻孔监测结果分析（垂直深度34m）。在工作面推过钻孔10m左右后，因煤层底板底鼓使注水孔受到破坏，无法进行正常观测。因此，监测数据为采线距钻孔70m至工作面推过钻孔9.8m的区间，监测结果如图3所示。图中工作面采线与钻孔的距离以钻孔为0点，接近钻孔的距离标注为“+”号，远离钻孔的距离为“-”号，其余钻孔均采取相同的标注方法。

图3 5#孔单位注水量与工作面推进距离关系图

注水试验前期 （采线距钻孔76.93～31.3m）：钻孔单位注水量与工作面推进无关，单位注水量为0，总体无变化。

注水试验中、后期（采线距钻孔31.3～-9.8m）：在工作面推进到距离钻孔31.3m时，单位注水量开始有小幅增加，在距离采线22.3m达到最大注水量（0.038L/min）。以后随着工作面推进，单位注水量呈逐渐下降趋势。

上述变化特征表明，5#钻孔34m深度范围内原生裂隙不发育且连通性较差。在工作面采线与钻孔距离大于31.3m时，工作面开采对该深度范围内的岩体基本无影响；在工作面采线与钻孔距离小于31.3m后，工作面开采对该深度范围内的岩体有轻微破坏。

（2）6#钻孔结果分析（垂直深度26.38m）。在注水试验过程中，随着工作面的推进，单位注水量前期的变化不大，后期逐渐上升。在注水试验的前期阶段，当钻孔距离工作面的位置较远时，单位注水量基本为0。当工作面推进至距钻孔39.2m时，钻孔的单位注水量增大到0.035L/min，以后随着工作面向钻孔的推进，单位注水量呈现跳跃上升趋势。当工作面推过钻孔7.5m后，单位注水量达到最大的0.12L/min，如图4所示。

图4 6#孔单位注水量与工作面推进距离关系图

上述变化特征表明，此深度范围内原生裂隙不发育且连通性较差，但在煤层开采后，煤层底板应力会重新分布，并且煤层底板经历了压缩和膨胀的交替变化过程，使底板产生次生裂隙或发生裂隙扩展，从而引起注水量的变化。随着工作面与注水孔的距离不断减少，煤层采动对底板的影响明显增大，随着工作面推进与钻孔的距离减少，单位注水量呈跳跃式增长，说明此深度范围内的煤层底板遭到了破坏。

（3）7#钻孔结果分析（垂直深度22.5m）。在注水试验过程中，随着工作面的推进，单位注水量总体上呈现由前期的基本不变到后期的突然上升的变化趋势。在注水试验的前期阶段，当注水钻孔距离采线的位置较远时，单位注水量变化比较小，基本为0。当采线推进至距钻孔12m时，钻孔的单位注水量突然增大到0.23L/min，以后随着采线面向钻孔的推进，单位注水量呈现明显的上升趋势，当采线推进至距钻孔9m时最大单位注水量达到0.28L/min，此后单位注水量稳步下降，如图5所示。

图5 7#孔单位注水量与工作面推进距离关系图

上述变化特征表明，前期注水量变化不大说明在此深度范围内原生裂隙发育较差且连通性较差。随着工作面与注水孔的距离不断减少，煤层采动对底板的影响明显增大，使得底板产生新裂隙或原生裂隙连通，单位注水量增加。采线推至钻孔附近，注水量的稳步下降说明新的应力场趋于稳定。表明此深度范围内，底板受到采动影响明显，煤层底板发生破坏。

（4）8#钻孔结果分析（垂直深度18.35m）。采线推进距8#钻孔59.33m时，因8#钻孔孔内出水，水压大于注水压力，造成无法向孔内注水，致孔口跑水，无法观测8#钻孔。

在注水试验过程中，随着工作面的推进，前期单位注水量变化不大，后期注水量突然上升。在注水试验的前期阶段，当钻孔距离采线的位置较远时，单位注水量变化比较小，基本为0。当采线推进至距钻孔67.13m时，钻孔的单位注水量开始增大，当采线钻孔到59.33m时，最大单位注水量达到11L/min，如图6所示。

图6 8#孔单位注水量与工作面推进距离关系图

前期注水量变化不大说明在此深度范围内原生裂隙发育较差且连通性较差。但在工作面推进过程中，煤层底板应力重新分布，使底板扩展原生裂隙或产生次生裂隙，从而引起注水量的变化，导致后期注水量的迅速上升。说明此深度范围的底板明显受到采动影响，煤层底板发生破坏。

三、结论

现场探测研究能够直观地反映不同深度的煤层底板的变形和破坏情况。综合以上对监测数据的分析，得出如下结论：

1.开采对监测点开始产生影响的距离为66m左右，监测点越浅影响距离越远；最大破坏位置位于工作面前方5m处，采动影响范围为工作面前后20～55m范围内。

2.现状条件下，15445N工作面监测点实测最大底板破坏深度为34m，计算机数值模拟底板破坏深度在34.25m左右。