工作面导水裂隙带高度观测分析

张 陆

（西山煤电马兰矿 ，山西 古交 030200）

以上覆岩层的破坏程度为例，根据岩层的变形破坏特征可分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中，垮落带随着工作面的推进不断垮塌，裂隙带岩层的完整性也遭到破坏，导水裂纹大量生成，因此，在矿井顶板水灾害防治中，将垮落带和裂隙带并称为导水裂隙带。众多学者开展了广泛研究[1～5]，取得了丰硕成果。在进行水下煤层开采或者具有顶板突水可能性的煤层开采过程中，导水裂隙带高度的确定对于顶板水害的防治具有重要的意义。

1 导水裂隙带高度观测系统原理及系统组成

1.1 探测原理

双端封堵的注水观测方法在进行导水裂隙带高度探测时，其工作原理可以概括为通过在顶板岩层中的钻孔进行分段封堵注水，根据封堵区域水量的流失分析不同高度岩层的破坏、松动和裂隙规律，进而确定整个导水裂隙带的高度和分布规律。

首先，在回采工作面或者顺槽内选择合适的设备布置和钻孔施工的场所，然后利用钻机在不同方位的顶板岩层钻探不同角度和深部的钻孔，将探测装置安装和调试完成后，即可进行顶板导水裂隙带高度的测定。

1.2 观测系统组成

图1 钻孔多段封堵注水导高观测系统

图1 所示为改进的分段封堵注水导高观测系统，主要包括前端探测系统、动力推进系统、水源供给系统和封堵系统4部分。通过封堵系统向钻孔内注入空气形成多段双端封堵的探测单元，多个探测单元形成连续的探测系统，然后通过供给系统向探测单元注水，在一定范围的顶板岩层测试完成后，利用推进系统将探测系统继续向前推进，进行更远范围顶板岩层导水裂隙带分布情况的探测。

2 工程概况

2.1 工程地质条件

山西某矿主采为8号煤层，煤层厚度为2.4～4.7m，平均厚度为3.08m，平均倾角为6°，煤层中间加有一层厚度为20cm泥岩夹肝，煤层结构较为简单，属于赋存较稳定煤层。煤层上有30cm煤质泥岩，直接顶板为中粒石英砂岩，属中硬岩层；直接底板为细、粉砂岩；采用随采随垮的全部垮落法顶板管理。图2为煤层综合柱状图。

图2 煤层综合柱状图

2.2 导水裂隙带高度预计

由于煤层上覆岩层为中砂岩、泥岩、砂质泥岩、属于中等稳定岩层。根据本井田勘探资料和实际开采情况，按顶板为中硬岩层考虑，对工作面开采后的垮落带和导水裂隙带最大发育高度进行预计。

1）预计垮落带最大高度。

式中：H跨为垮落带最大高度，m；∑m为累计采厚，m。

H跨=±2.2=9.2±2.2，预计垮落带最大高度范围为7.0～11.4m。

2）预计裂隙带最大发育高度。

式中：H裂为裂隙带最大发育高度，m；

H裂=±5.6=36.12±5.6，即裂隙带最大发育高度预计为30.52～41.72。

3 导水裂隙带实际观测

3.1 观测方案和钻孔布置

根据开采现场巷道及工作面的布置情况，决定在回采工作面附近的巷道进行观测钻孔的施工布置。另外，根据计算得到导水裂隙带最大高度为53.12m。因此，为了保证观测结果的准确性，观测钻孔在该高度的基础上还要再延伸7～10m。如图3为钻孔布置示意图，为更准确的探测导水裂隙带的高度，布置1个采前钻孔和2个采后钻孔，其中1#钻孔为采前钻孔，即该钻孔位置的岩层未受到工作面回采的影响，钻孔指向下区段，与水平方向成65°倾角；2#、3#为两个采后钻孔，指向首采面的采空区，与水平方向分别成45°和60°夹角。施工过程中没有出现夹钻、卡钻及钻空等现象，说明钻孔没有直接进入采空区。具体如图3所示，施工过程中没有出现夹钻、卡钻及钻空等现象，说明钻孔没有直接进入采空区。

图3 钻孔施工布置剖面示意图

3.2 观测结果

采前钻孔可观测未受到采动影响的顶板岩层的原始裂隙分布状态，因此可作为采后钻孔导水裂隙带观测数据的对比。

1）采前钻孔观测数据分析。

图4 采前钻孔漏水量变化曲线

图5采后钻孔漏水量变化曲线

图4 可以看出1号、2号两个钻孔注水漏失量随着钻孔深度的变化情况及变化趋势相仿。

从1号钻孔漏水量随孔深变化情况可以看出，1号钻孔孔口（1～5m）范围内漏水量突然增加，主要是因为巷道围岩收到巷道自身掘进及钻孔施工扰动，岩层破坏，围岩由于受到应力集中影响裂隙发育，造成此范围内水漏失量较其它范围内大；22～26m和30～39m孔深范围内，孔内钻孔同样漏水严重，测量出漏水量最大值达到了4.2L/min和3.8L/min，该段范围受到巷道掘进及钻孔施工影响较小，出现漏水量较大的原因是该层岩层是砂岩，原有的节理及裂隙发育联通；从图4中可以看出2号钻孔测量数据在40～47m孔深范围内，与1号钻孔测量数据相比，漏水了有了小幅度上升，数据变化不明显，检查数据并未出现错误，分析原因主要是该段范围内裂隙发育，在注水压力作用下，向裂隙中渗透；除去1～5m、22～26m、30～39m、40～47m几个阶段漏水量严重以外，采前钻孔其他范围内漏水量均小于1.5L/min，表明该段范围内岩层结构完整，裂隙发育程度低。

2）采后钻孔观测数据分析。

图5是采后钻孔注水漏水量变化曲线，从图中检测数据变化可知，1号钻孔漏水量数据较采前钻孔漏水量增加明显，数据变化剧烈，异常数据点较多。从监测数据分析可知，采后的1号及2号钻孔漏水量均在0～22m、33～57m钻孔深度范围内明显增加，平渗漏量的平均值约为19L?min-1，较采前1号及2号钻孔漏水量值大的多，表明该段受到工作面回采影响大，岩层出现大的裂隙，破坏严重；在37～45m这个范围，钻孔漏水最为严重，漏失量处于20～30L/min范围内，此段范围内的岩层受采动影响最为严重。在59～66m孔深范围内，钻孔漏水量较为稳定，且漏水量处于0～4L/min范围内，漏水量交底。因此，综合判定，在工作面回采结束后，1号钻孔孔深54m处为实测裂缝带的上界，按照钻孔倾角45°计算，从煤层顶界到此处的垂高为41.72m。

采后2号钻孔漏水量在13～20m范围漏水量远超钻孔其他段内的漏水量，因此，可以推测该范围在冒落带，以孔深20m为冒落带最大发育高度，按照钻孔倾角75°计算，从煤层顶界到此处的垂高为19.2m。其它段漏水量变化趋势与采后孔1#基本一致。在46m～58m范围内钻孔漏水量在6L/min～29L/min范围内；58～66m范围内钻孔漏水量均处于低位，因此可以断定采后2号钻孔孔深58m处为实测裂缝带的上界。

根据以上开采前后钻孔漏失量变化分析，可以断定最大裂隙带发育高度为2#采后孔，导水裂隙带发育高度为55.68m。

4 结 论

通过对回采工作面垮落带和弯曲下沉带理论计算得出，最大导水裂隙带高度为53.12m；现场使用多段双端堵水器进行测定导水裂隙带，共布置4个测量钻孔，总钻孔布置深度为230m，可以有效的测定回采工作面导水裂隙带高度。采后1号钻孔实测出来的导水裂隙带高度为41.72m、最大采裂比为13.55，采后1号钻孔实测出来的导水裂隙带高度为55.68m、最大采裂比为18.08。