盖州煤矿9#煤导水裂隙带高度实测技术应用

赵 毅

(晋能集团晋城有限公司，山西 晋城 048000)

盖州煤矿是晋能集团晋城有限公司的一座整合矿井，设计能力90万t/a，主采9#煤层，上覆的3#煤整合前被小窑用房柱式采煤方法长期破坏，采空区内有不同程度的积水，工作面回采放顶后形成的冒落带和导水裂隙带高度如果发育到3#煤老空水的高度，极易造成透水事故。所以合理确定9#煤层工作面回采后顶板导水裂隙带高度对工作面防治水工作具有重要意义；本文以盖州煤矿9105工作面为例，对工作面顶板采用导水裂隙带高度井下观测技术确定裂隙带高度，为9#煤层防治水工作提供科学依据。

1 工程概况

晋能集团晋城有限公司盖州煤矿9105工作面位于井田一采区，工作面头尾顺槽长度分别为1 820 m、1 825 m，切巷长度为180 m，工作面回采煤层为9#煤层，煤层平均厚度为1.7 m，9#煤层直接顶主要以砂质泥岩、粉砂岩、泥岩为主，基本顶主要以K5灰岩、砂质泥岩、3号煤为主，9#煤层上覆为3#煤层采空区，层间距为48 m。

通过三维地震探测以及井下钻探发现，工作面上覆含有K5灰岩水和3#煤层老空水，对工作面回采有一定影响，工作面在前期前通过对9#煤层施工探水钻孔进行疏放水，共计放水量为800 m3，虽然回采前对9#煤层上覆岩层采空区局部积水区进行疏放，但是回采中有残余老空积水沿顶板裂隙带导入工作面，预计正常涌水量为4.7 m3/h，威胁着工作面安全回采。

2 导水裂隙带高度井下观测技术应用

2.1 导水裂隙带高度井下观测技术原理

当9105工作面回采一段距离后，在工作面运输顺槽指定位置布置钻孔施工钻场，在钻场内分别向9105工作面采空区上方以及9#煤层未采区上方施工同等技术参数的仰斜钻孔，然后对仰斜钻孔内注水并进行封孔处理，最后采用专业观测仪对钻孔内各段注水的流失量进行对比分析，从而确定采空区上浮裂隙岩层高度。

2.2 观测位置及时间的确定

1) 观测位置确定：根据9105工作面顺槽掘进期间实际揭露的地质资料显示，9105工作面回采至861 m位置处时地质构造单一，岩层倾角近水平，无断裂构造发育，工作面运输顺在此处布置钻场位置，进行导水裂隙带高度观测位置最佳；在钻场进行钻孔施工必须符合以下条件：①在钻场内布置的导水裂隙带高度观测孔禁止垂直布置，必须具有一定的仰斜角度，便于水流在重力作用下能够很好的渗入裂隙带内[1]。②钻孔内注水观测为主必须有利于缩短观察孔孔深；同时必须保证钻孔可对导水裂隙带的马鞍形顶部最大值进行观测。

2) 观测时间确定：采空区导水裂隙带高度发育形成主要分为两个阶段，第一阶段为工作面回采结束后随着采空区顶板垮落，顶板裂隙带随时间推移裂隙高度逐渐增高；第二阶段采空区顶板垮落一段时间后，受上覆岩层重力影响导水裂隙带逐渐被压实，裂隙带高度保持不变甚至下降。利用9105工作面附近勘探钻孔岩芯地层的岩石力学成果，开展工作面开采覆岩变形破坏规律数值模拟计算得出推过该位置33天左右时间是最合适的观测时间[2]。

3 钻孔的布置及观测

3.1 钻孔布置方式

通过采用经验公式计算得出导水裂隙带高度为36 m，结合对9105工作面覆岩变形破坏规律进行数值模拟分析的结论。决定对9105工作面侧布置2个导水裂隙带高度观测钻孔，向实体煤侧布置1个对比孔，钻孔深度保证垂深穿透覆岩计算的导水裂隙带高度36 m，并进入其上方5 m，每施工完1个钻孔及时用观测仪进行实测，记录孔内各段注水漏失量，通过对单孔内各段注水漏失量的对比以及观测孔与对比孔内的注水漏失量的对比来准确测定9105工作面回采后的导水裂隙带高度，钻孔设计参数及布置，如图1所示。

图1 9105工作面导水裂隙带高度观测钻孔布置示意图

3.2 观测方法

导水裂隙带高度观测钻孔施工完后决定采用井下导水裂隙带高度观测仪进行观测[3]，观测时由孔口起自下而上逐段(每段1 m)测试每段岩层的导水性能，一直测试到孔底，如图2所示。

图2 导水裂隙带高度观测钻孔观测示意图

1) 井下导水裂隙带高度观测仪的双端堵水器，主要由起胀控制台和注水控制台进行控制联合控制。起胀控制台和注水控制台的一端分别连接起胀管路和注水管路，另一端分别与高压气源和高压水源进行连接[4]。

2) 首先通过起胀控制台使钻孔内双端堵水器的两个胶囊处于无压收缩状态；然后利用钻机钻杆将双端堵水器探头放置到两个胶囊中部；最后再通过操作起胀控制台使两个胶囊处于膨胀状态。

3) 通过操作注水控制台，分别对观测孔和对比孔两个胶囊之间空隙进行注水，并通过注水控制台上的流量表记录单位时间内注水量损失量，然后对比分析，确定该段岩体的透气性[5]。

3.3 观测结果分析

1) 1#观测孔共观测42 m，其中前段区域孔深范围10 m～29 m，垂高9.4 m～27.25 m，岩层渗水量为9.36 L/min～19 L/min，导水性强，后段区域孔深范围29 m～42 m，垂高27.25 m～39.5 m，岩层渗水量为2.5 L/min～3.8 L/min，导水性弱性对较弱。

2) 2#观测孔共观测44 m，前段区域孔深范围10 m～30 m，垂高9.27 m～28.8 m，岩层渗水量为8.7 L/min～18.2 L/min，导水性强，后段区域孔深范围31 m～44 m，垂高28.8 m～40.9 m，岩层渗水量为3.0 L/min～5.1 L/min，导水性弱。

3) 对比孔共观测44 m，观测范围内各段岩层的注水漏失量稳定，孔深10 m～44 m，垂高8.66 m～38.11 m，岩层渗水量为0.5 L/min～4.7 L/min，导水性弱，岩层保持完整状态。

通过两个观测孔和对比孔观测成果综合分析确定：9105工作面覆岩导水裂隙带的高度为H=28.8 m。

4 结语

晋能集团晋城有限公司地测防治水中心通过技术研究对盖州煤矿9#煤层9105工作面采取了导水裂隙带高度井下观测技术，通过实际应用明确了工作面采空区顶板导水裂隙带高度为28.8 m，解决了传统方法无法准确获取裂隙带高度以及施工难度大等技术难题，为进一步提高工作面防治水工作效率提供实践依据，取得了显著效益。