综放工作面“两带”高度钻探实测分析

焦 昊

（山西煤炭进出口集团有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概况

大平煤业2018年核定生产能力为1.8 Mt/a，主采下二叠系山西组3号厚煤层。根据矿井生产衔接规划，将于近期开采一采区北翼3112工作面。该工作面上方地表有浊漳河流过（最大流量为12.46 m3/s，最小流量为0.08 m3/s），属地表水体下采煤［1-2］，涉及矿井的安全生产。为保证3112工作面在地表河流下正常安全开采，需对工作面“两带”高度［3-4］进行实测，防止回采期间与地表河流导通，致使地面河水灌入井下。为保证观测数据详实可靠，将测点布置在邻近条件相近的3108工作面，工作面布置见图1。

3108工作面位于大平煤矿一采区北翼，工作面宽度约194 m（含两巷），推进长度300 m。工作面上方地势平坦，地面标高约为+886 m，煤层底板标高为+535～+575 m，盖层厚度平均350 m，煤层平均厚度6 m，煤层倾角8°～10°，倾向正西。工作面基本上沿煤层南北走向推进，沿倾向布置。工作面采用综采放顶煤开采，采高为2.4 m，放煤高度3.6 m。

2 钻探方案

2.1 钻孔布置

根据相关规定，结合3108工作面布置情况，在靠近东部标高较高一侧顺槽可观测到导水裂缝带最大发育标高。为此在3108工作面运输巷内侧20 m布置2个观测孔，钻孔分别命名为D1、D2，两孔南北平面间距约40 m，可以起到相互验证的作用，避免单一钻孔实测数据的偶然性。观测孔口实测地表标高约+886 m，3#煤层底板标高约+570～+575 m，顶板埋深约305～310 m。钻孔位置见表1。

图1 工作面布置（见图中标识）

表1 钻孔相对位置参数

2.2 钻孔结构

地质资料显示，此处第四系厚约10～20 m。钻孔开孔直径178 mm，钻孔穿过基岩面5～10 m，下套管对第四系严格止水（防止第四系水进入钻孔，对测量结果造成影响，保证实验数据准确性），套管直径146 mm；进入基岩向下钻进采用清水作为冲洗液，基岩段钻孔直径为Ф89 mm钻进。

2.3 钻孔取芯

为了掌握工作面开采导水裂缝带顶界及上方弯曲下沉带岩层的岩石力学性质和岩层裂缝发展规律，为裂隙带高度判定提供依据，并为以后工作面水体下采煤提供参考，对两个钻孔3号煤层顶板采取岩石力学试样，取芯段均位于孔深约100（距煤层顶板约205 m）～220 m（距煤层顶板约85 m）。

3 钻探观测成果分析

3.1 工作过程描述

（1）D1号钻孔

①D1号下套管深度19 m，实测风化带含水层水位标高为+2.4 m。在钻进深度160 m（40～100 m无芯钻进，100～160 m取芯钻进），钻进过程孔内冲洗液消循环正常，消耗量约为0.01～0.03 m3/m，观测提钻后水位深度为2.4～3.6 m。

②160～190 m区间，取芯钻进冲洗液消耗量有所增大，约为0.03～0.26 m3/m，但冲洗液循环正常；提钻后孔内水位深度3.6～5.3 m，有下降趋势，注水试验显示漏失量不大。将孔内水位灌注至孔口位置，维持注水漏失平衡量为0.08～2.0 m3/h。

③190～220 m层段，冲洗液消耗量明显增加，孔内返浆量明显减小。特别在孔深194 m处，冲洗液消耗量从0.3 m3/h突增至1.7 m3/h；向下消耗量大幅度增加，至208 m孔内冲洗液循环中断。提钻后水位下降较快，由6.4 m陡降至24 m，下降幅度逐渐加大，至孔深208 m以下水位已下降至86 m；至212 m孔内水完全漏失，测不到水位。注水试验显示漏失量加大，加大泵量孔内水位亦不能返至孔口，漏失量已达到最大额定泵量25 m3/h，即停止注水试验。种种现象显示钻孔已联通下部开采导水裂缝带。

④220～304 m3#煤层顶板，采用无芯钻进。钻进过程中冲洗液不循环，能感觉到明显卡钻现象，孔内吸风现象较为明显，局部有掉钻情况发生（3～5 cm）；钻进至孔深272 m，发生一次大幅度掉钻情况，掉幅度约30 cm，预测进入垮落带范围。

（2）D2号钻孔

①D2下套管深度18 m，实测风化带含水层水位标高为+2.40 m。孔深18～40 m层段为基岩风化带取芯钻进。孔深40～170 m层段，其中40～105 m为无芯钻进，钻进过程孔内冲洗液循环正常，约为0.01～0.03 m3/m，消耗量非常小，观测提钻后水位为2.4～5.3 m；105～170 m取芯钻进，钻进过程中冲洗液循环正常，消耗量有所增加，达到0.1～0.5 m3/m，变化幅度较大，提钻后水位下降较大，孔内水位在6.5～8 m之间波动。该层段下部注水试验显示漏失量较小，约为0.1～1.8 m3/h。

②170～200 m 进尺区间，取芯钻进，冲洗液消耗量有所增大，一般为0.3～0.6 m3/m，且冲洗液循环正常，孔内正常返浆；提钻后孔内水位下降趋势较为明显，一般集中在10～15 m，来回波动；注水试验显示漏失量不大，将孔内水位灌注至孔口位置，维持注水漏失平衡量为0.6～2.5 m3/h。

③200～220 m层段，冲洗液消耗量明显增加，达到1.5 m3/m，孔内返浆量明显减小。在孔深202.4 m时，冲洗液漏失量达到4.6 m3/m，冲洗液循环时断时续；至205 m孔内冲洗液循环中断，孔内不再返浆。孔深202 m处提钻后水位下降较快，由14.8 m陡降至42.5 m，下降幅度非常大；至孔深205 m，水位已下降至106 m；至213.6 m孔内水完全漏失，测不到水位。注水试验显示漏失量加大，由1.9 m3/h 陡增至8 m3/h，加大泵量孔内水位尚不能返至孔口；216 m处注水漏失量已达到最大额定泵量25 m3/h，测不到孔内留存水位，即停止注水试验。

④220～304.8 m3#煤层顶板，采用无芯钻进。钻进过程中冲洗液一直不循环，存在明显卡钻现象，且孔内有吸风现象。至孔深281 m发生一次大幅度掉钻现象，围岩冒落严重。

3.2 水文观测结果

根据D1和D2两个钻孔在钻进过程中简易水文观测结果，绘制得到D1和D2两个钻孔的钻孔深度与冲洗液消耗量、水位和注水量等水文参数的变化曲线图（见图2、图3），以掌握水文参数随孔深不断向煤层采空区接近变化情况，以此确定不同层位岩层破坏和裂隙发育情况。

图2 D1号钻孔深度与水文参数变化曲线

图3 D2号钻孔深度与水文参数变化曲线

3.3 两带高度实测结果

通过两个钻孔的冲洗液消耗量，水位和注水量等水文数据进行分析可得：

（1）D1号孔导水裂缝带发育顶点孔深为192.38 m，垮落带顶点孔深为272 m；结合D1钻孔及其所在位置煤岩层相关参数，考虑孔口地表下沉影响，得到裂缝带和冒落带高度分别为111.62 m和32 m，见图4（a）。

（2）D2号孔导水裂缝带发育顶点孔深为199.27 m，垮落带顶点孔深为281 m；结合D1钻孔及其所在位置煤岩层相关参数，考虑孔口地表下沉影响，得到裂缝带和冒落带高度分别为105.53 m和23.8 m，见图4（b）。

表2 回采工作面“两带”高度观测综合成果

图4 覆岩破坏形态

通过对D1和D2两个综放覆岩破坏观测孔水文观测数据的综合分析，得到特定开采技术条件下两带发育规律。3108综放工作面导水裂缝带发育高度为顶板以上105.53～111.62 m，垮落带高度为顶板以上23.8～32 m，裂采比为19.18～19.42，冒采比为4.33～5.52，见表1。

4 结语

根据3112回采工作面地质情况，选择邻近条件相近的3108工作面，采用钻探法对综放工作面裂隙带和冒落带高度进行了实测。通过上下钻动水位、冲洗液消耗量及相关层段的注水试验结果综合分析，得到大平煤业3108综放工作面导水裂缝带发育高度为顶板以上105.53～111.62 m，垮落带高度为顶板以上23.8～32 m，裂采比为19.18～19.42，冒采比为4.33～5.52。为大平煤业3112工作面在浊漳河下采煤提供了数据参考。