导水裂隙带发育规律及探放水技术研究

张永忠

(山西煤炭进出口集团 左权鑫顺煤业有限公司，山西 晋中 032699)

1 工程概况

山西煤炭进出口集团鑫顺煤业井田位于沁水煤田的东缘，和顺矿区的南部，井田属海河流域南运河水系，区域内发育有断裂构造，在局部地段奥陶系岩溶含水层与石炭系层间岩溶含水层沟通，奥陶系岩溶水补给矿井，为煤矿涌水的主要水源。井田主要开采4#与15#煤层，4#煤层与15#煤层的平均间距为85 m，4#煤层平均采厚1.32 m，现已全部回采完毕并封闭。15#煤层平均厚度6 m，设计为综采放顶煤开采，开采直接充水水源为煤层顶板的砂岩裂隙水和层间岩溶裂隙水(K2、K3、K4). 通过现场钻孔探水的涌水量可知，钻孔的平均涌水量为15 m3/h，通过采用瞬变电磁物探技术探测到15101工作面上部4#煤层采空区积水量为10.27万m3，严重影响该工作面的安全回采。15#煤层开采过程中在正常地质构造区域受上部4#煤层采空积水的充水影响不大，但在地质构造发育区域存在导通上部4#煤层采空区积水的可能；同时15#煤层位于K2含水层和O2含水层之间，且有局部带压开采地段，为保证15101首采工作面的安全回采，需对工作面开采过程中导水裂隙带的发育高度进行研究，分析工作面发生突水的可能性，并针对分析结果制定具体方案，以此保证15101首采工作面的安全开采。

2 覆岩导水裂隙带发育高度

根据大量的实测资料和已有的研究成果进行分析发现：1) 采高与工作面参数是造成覆岩破坏的根本因素，影响导水裂隙带高度最主要的因素即为采高。2) 工作面上覆岩层的岩性结构及物理力学性质对导水裂隙带高度发育起到控制作用。3) 煤层倾角对导水裂隙带发育高度、分布形态、最大发育高度及破坏范围等均存在着较大影响。4) 导水裂隙带的发育高度还会受时间的影响，在工作面导水裂隙带高度发育至最大后，随着时间的延长导高逐渐稳定，并可能存在降低的情况。5) 断层等地质构造对导水裂隙带范围的影响也较大，当断层位于正常的导水裂隙带范围内时，其对于导水裂隙带内岩层的破坏程度会加剧[1-2].

现根据15101工作面的地质条件，并与影响导水裂隙带的主要影响因素相结合，采用回归分析的方法，将非线性问题处理为线性问题，通过对覆岩导水裂隙发展进行回归分析，得到拟合预测公式。根据相关数值模拟及相似材料模拟的实验结果[3-4]，绘制出6 m采高条件下覆岩导水裂隙带高度规律，见图1.

图1 6 m采高导水裂隙高度散点图

分析图1可知，工作面在6 m采高下工作面推进距离与上覆岩层的导水裂隙发育高度之间不存在线性关系，故拟利用S型可视化曲线进行回归分析，回归方程假设为：

(1)

式中：a、b、k均为回归待定系数，a、b可以根据收集到的数据，利用最小二乘法由下式确定：

(2)

式中：xi，yi(i=1,2,3…，N)表示实际数据点；N为数据点数。相关研究表明，在6 m采厚条件下，根据图1中不同推进距离下导水裂隙带发育高度的数据可知，回归系数a=133，b=187，k=0.051 7，计算得到6 m采高导水裂隙带的回归方程可简化为：

y=133/(1+187-0.051 7x)

(3)

得出回归方程后，通过S型曲线函数得到的方程能够显现出工作面不同推进距离下覆岩导水裂隙带之间是存在着线性密切相关的关系，根据回归方程能够得出不同推进距离下导水裂隙带发育高度的曲线图，见图2.

图2 6 m采高导水裂隙回归方程曲线图

通过分析图2可知，回采工作面推进初期，工作面上覆岩层导水裂隙的发展较为平缓，当回采工作面推进至90 m时，上覆岩层导水裂隙带的发育高度出现明显的上升，导水裂隙带的发展速度明显加快；在回采工作面推进至155 m之后，上覆岩层导水裂隙带的发育高度逐渐趋于平缓，随着回采工作面的推进，导水裂隙带最终基本不再发生变化，据此并具体结合预测方程曲线能够得出，15101工作面6 m煤层开采后，工作面上覆岩层导水裂隙带的发育高度基本在130 m左右，根据15101工作面覆岩导水裂隙带发育高度的分析结果可知，最大导水裂隙带的发育高度为130 m，已超过4#煤层与15#煤层的层间距，在15101工作面回采前必须对上覆岩层进行探放水作业。

3 探放水方案与效果分析

3.1 方案设计

根据15101工作面前期探放顶板4#煤老空水钻孔的涌水情况，结合15101工作面上部4#煤老空区可疑富水区域的具体位置，对15101工作面顶板含水层及老空水的探放方案进行设计，具体如下：设计施工探放水钻场规格为：长4 m×宽4 m×高3.5 m，共布置2个钻场，命名为1#和2#，钻探放水钻孔布置在1#钻场与2#钻场内，钻场内采用锚网索支护，该次探水作业共施工9个探放水钻孔，各组钻孔具体参数如下：

1) 1#探放水钻场内施工钻孔具体参数如下：1#钻场位于原15#煤层集中轨道下山下端头向上原第一个钻场位置处，钻场内施工6个探放水钻孔，钻孔呈扇形布置。1#钻场内探放水钻孔的各项参数见表1.

表1 1#钻场内探放水钻孔的各项参数表

2) 2#探放水钻场钻孔设计参数如下：2#探放水钻场内设计施工3个探放水钻孔，钻孔呈扇形布置，控制15101工作面上方标高较高处的两个4#煤可疑富水区域。2#钻场内探放水钻孔的各项参数见表2.

表2 15101工作面2#钻场探放水钻孔设计参数表

3.2 效果分析

通过对该次探放水作业的数据进行统计分析，能够得出具体探放日期与累计探放水总疏放水量的趋势图，见图3.

图3 探放4#煤老空水总疏放水量趋势图

通过分析图3可知，该次探放水共计探放15101工作面安全回采的顶板水11.6万m3，在探放水前期，由于排水钻孔打设的较少，并且存在着较多探水钻孔被堵等情况，造成前期探放水疏放水总量变化幅度较小；在探放水作业中期，对各出水钻孔经透孔、扩孔的作业，使得钻孔中单孔水量出现明显增大的现象。随着探放水作业的进行，钻孔疏放水半径范围内剩余的富水量明显减少，且在疏水作业后期，钻孔的累计放水量出现的变化逐渐趋于平缓，这表明影响15101工作面安全回采的顶板含水层及剩余4#煤老空水水量已大部分疏放完毕，待钻孔水量降低至某一稳定流量时，可对1#探放水钻场内探放上部4#煤老空水的钻孔实施注浆封孔处理。

根据探放水数据可知，1#探放水钻场累计疏放15#煤层顶板水11.6万m3，1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#钻孔探放水因后期出水量较小现均已全长注浆封孔；2-1#、2-2#、2-3#钻孔因所揭露均为实体煤，现已注浆封孔；1-6#钻孔尚未注浆封孔，其水量保持40 m3/h，关闭时钻孔水压1.37 MPa，现处关闭状态，另外对比施工钻孔出水量及其水压变化、探放水水源水质化验特征，截止至2013年7月18日，探放区域的4#煤老空水已基本疏放完毕，后期钻孔疏放水源主要为地表雨补给水及15#煤层顶板各含水层水，疏放水源中老空水特征已基本消失。

4 结 论

根据15#煤层顶板各含水层及4#煤层老空区积水的现状，采用回归分析的方法确定了15101工作面覆岩导水裂隙带发育高度在130 m左右。据此可知，必须在1101工作面回采前进行顶板的探放水作业，结合工作面地质条件具体设计探放水方案，该次探放水实现探放水量11.6万m3，根据钻孔校验孔水量水压的校验结果可知，15101工作面安全回采的顶板多含水层及4#煤层老空区积水已成功探放，为15101工作面安全回采提供了保障。