余吾矿S5203回采工作面导水裂隙带发育高度探测

李 敏

（山西潞安集团余吾煤业有限责任公司 ，山西 长治 046100）

1 采面地质概述

余吾矿为一年生产能力达到750万t的大型现代化矿井，主采煤层有3号煤层厚度在5.02～7.23m，平均厚度在6.1m，该煤层全井田可采，属稳定型煤层，煤质具有低硫、低灰发热量等优点，是优质的动力煤。井下布置的S5203回采工作面位于矿井南5采区，开采3号煤层，采面设计走向长度为1330m，切眼斜长为250m，煤层开采储量为589万t，采用一次采全高开采工艺，全部垮落法管理顶板。煤层倾角在2～7°，埋藏深度在460～520m间。工作面的顶底岩层及岩性见表1。

2 分段注水探测

2.1 基本原理

在井下采用仰空分段注水法对煤层开采后顶板导水裂隙带高度探测的基本原理是：煤层开采之后，顶板覆岩遭受破坏，会在竖向及平行方向上发育裂隙，破坏程度越严重，裂隙越为发育，根据钻孔不同段注水量的漏失情况可以对顶板覆岩内裂隙发育程度进行判定，从而实现对导水裂隙带高度的探测[1～3]。具体的探测系统结构组成如图1所示。

表1 S5203采面顶底板岩性

在回采工作面的停采线或者切眼临近巷道布置钻场，向采面采空区上方施工仰斜钻孔，在布置钻孔时应尽量避开冒落带，直接斜穿至裂隙带顶部界限10m以上。使用双端封堵装置对钻孔的两端进行封堵，并分段注水，测量完成一段后，将封堵器卸压，后向深部继续推移，并再次进行注水探测漏水量、周而复始，完成对整个钻孔的注水漏失量的观测，根据钻孔不同阶段的漏失量来确定采面顶板导水裂隙带发育高度上限[4～6]。

2.2 探测方案

煤层开采之后，顶板覆岩破坏发育需要一定时间。在达到最大发育高度以后，随着回采工作面推进、上部覆岩压力作用以及时间延长，采空区覆岩裂隙会出现一定程度闭合，导水裂隙带的上部边界会出现一定程度的下降，其中以采空区中部下降量大，边界上下降低较小。根据有关研究资料，顶板覆岩稳定时间与顶板覆岩岩性、结构类型、采煤工艺、煤层厚度等有关，一般情况下硬岩在30～60d时顶板覆岩导水裂隙带发育至最高位置。S5203采面覆岩为硬岩，为了更为准确的探测出3号煤层开采后顶板导水裂隙带发育高度，待回采工作面停采60d后，在采面进风巷停采线外10m位置斜向采空区方向施工2个探测钻孔。施工的探测钻孔应避免通过冒落带，因此，采用经验公式先对冒落带、裂隙带发育高度进行预测，为后续的探测钻孔参数设计提供参考。

当顶板为中硬岩时具体的冒落带以及裂隙带经验计算公式为[7]：

其中：H冒，H裂分别为冒落带、裂隙带高度（m）;m为开采煤层厚度（m），文中取值为6.1m。计算得到冒落带高度在10.6m～15.0m；裂隙带高度在40.1 m～51.3m。

具体的钻孔布置如图1、图2所示，钻孔施工参数见表2。

图2 1号探测钻孔布置示意图

图3 2号探测钻孔布置示意图

表2 探测钻孔参数

2.3 探测程序

1号及2号探测钻孔施工完毕之后，首先应对探测系统的密封性进行检查，将探测系统与供给系统连接。将探测装置放入到钻探钻孔内，从孔深3.5m位置开始进行探测，每次探测深度为1.6m。具体的操作程序为：

1）打开供给系统的供水阀，将供水压力调整为0.5MPa,通过密封系统向封堵装置两侧的封堵胶囊内注气，实现封孔，对探测系统的密封性进行检查；

2）供给系统中通过钻杆内部空间向两端密封段的钻孔内注水。在钻杆的连接端用麻绳缠绕，确保连接端的密封掩饰，调节供水阀，将注水压力保持在0.25MPa，并对每分钟的注水量进行观测记录；

3）停止向钻孔内注水，并打开进水阀，使得注水段两端的密封胶囊卸压收缩，并观测压力表显示的压力值，此时的读数为探测高度的静水压力；

4）钻孔每添加2根钻杆（钻杆长度为800mm），探测系统向深部推进1.6m，进行一次探测。注水压力应在上一测试段高程静水压力基础上增加0.25MPa，并对供给系统每分钟的注水量进行记录；

5）按照上述步骤，逐段的对钻孔进行探测，探测到裂隙发育段时钻孔注水的漏矢量数据较大，可以根据漏水量数值判断导水裂隙带发育高度。

3 探测数据分析

采用1号钻孔作为探测钻孔，2号钻孔作为对比钻孔，对钻孔注水漏矢量进行比对分析。1号钻孔探测以及2号钻孔的探测点均超过50个，根据钻孔的倾角，将不同探测点的高程转换成距离3号煤层顶板垂直高度，具体的漏失量数据对比如图4所示。

从图4中可以看出，1号钻孔在钻孔施工时可以避开3号煤层开采引起的冒落带，钻孔在3号煤层上方20m以内时，注水的漏矢量数据较低，普遍小于6L/min；随着与煤层距离增加，钻孔漏失量值明显提升，在距离3号煤层顶板20～63m范围时，钻孔的漏失量较大，普遍高于11L/min，最大漏矢量接近20L/min，表明该高程范围内受到3号煤层开采影响较为明显，采用裂隙发育；高度高于64m后，漏失量数值显示减少，之后的漏失量值在2L～3L/min波动，表明钻孔已经进入到弯曲下沉带。

2号钻孔由于在未采动的实体煤上方施工，整个探测过程中漏失量值均不高，绝大部分漏失量值均在4L/min以内，仅有部分位置漏失量值达到8L/min。综合分析可以将漏失量值8L/min作为判定导水裂隙带高度的指标。结合1号钻孔漏失量数据，3号煤层开采后顶板导水裂隙带探测的发育高度最大值为64m。

图4 钻孔漏失量探测数据

在S5203采面地表采用高密度法对裂隙带发育高度进行探测，共进行2次。2探测出导水裂隙带发育高度分别为58m、62m，该高度正好处于顶板主关键层（厚度35m的砂质泥岩，较密实）下部高度。高密度法探测结果与井下注水探测结果相近。

4 总 结

1）在余吾矿S5203采面采用分段注水法对3号煤层开采后的顶板导水裂隙带高度进行探测，并以8L/min作为导水裂隙带上限边界判定条件，探测出导水裂隙带的最大发育高度在64m，裂采比（H/m）为10.5:1。井下分段注水法探测出的导水裂隙带发育高度与地表采用高密度法探测出的导水裂隙带高度接近，避免探测结果可靠。

2）S5203采面开采后的导水裂隙带发育上界面为距离3号煤层顶板约63m的厚度在35m的砂质泥岩，从该层下界面向上为弯曲下沉带。