9103采面下部老空区冒落带、裂隙带高度探测

张 斌

（山西煤炭运销集团盖州煤业有限公司，山西 高平 048400）

盖州煤业为资源整合矿井， 批准开采3#～15#煤层，现开采9#煤层。3#煤已基本采空，15#煤西部、南部原属青龙山煤矿，采用房柱式开采法，为开采9#煤层留下了不少安全隐患和技术难题。 为进一步了解15#煤采后冒落带、裂隙带发育情况，对9#煤层蹬空开采底板稳定性进行分析。 通过钻孔渗漏法，探查15#煤采后冒落带、裂隙带高度，从而为后续9#煤层安全开采提供依据。

1 工程概况

9103 工作面开采9#煤层， 是一采区南翼第二个工作面，顺槽长度为1 820 m、斜长180 m，下部15#煤层被原青龙山煤矿开采，故在9103 工作面回风侧20 m×650 m 范围内存在15#煤层蹬空区，具体采面位置关系见图1。现9103 回风顺槽已掘进完成，尚未发现受15#煤层采空影响所产生的错层、顶板破碎等问题。 9#煤距15#煤层平均层间距35 m，9#、15#煤层顶底板岩性见图2。

图1 9103 工作面与原青龙山煤矿15#煤层采空区位置关系

图2 9#、15#煤层顶底板岩性

9103 采区内布置的GS-1 水文孔单位涌水量为1.944 L/s·m，富水性强，区域9#煤层底板标高高于奥灰水水位标高，不存在底板突水问题。 上部3#煤层采空区可能会存在局部积水， 会对9103 工作面生产造成一定的影响。 结合9103 工作面掘进资料，该区域掘进期间正常涌水量为1 m3/h，主要表现为顶板裂隙水，尚未发现底板出水情况。

2 井下钻孔注水渗漏探测技术

井下钻孔注水渗漏法是近几年发展起来的实用探测技术，该方法的实质是在井下工作面的外围巷道或硐室中向工作面斜打小口径钻孔，钻孔穿过预计的导水裂隙带范围并超过预计顶界一定高度，采用钻孔堵水器对钻孔进行逐段注水，测定各孔段渗流量变化情况，以探测确定围岩破坏规律[1-3]。

为探查15#煤层采空区冒落带、裂隙带高度，采用俯孔作业方式进行施工。 利用静压水，向钻孔注水， 使用自然渗漏法通过观测钻孔冲洗液反出情况，确定冒落带、裂隙带发育高度。

3 探测方案及钻孔布置

3.1 探测方案

（1）导水裂隙带高度理论计算

根据《煤矿防治水细则》，选用经验公式法，对15#煤层回采后导水裂隙带高度计算[4-5]：

式中：Σm 为累计采厚，m。

导水裂隙带高度取上述公式计算结果大值。

15#煤厚最大为3.90 m， 计算得Hil=43.23 m、Hi2=49.50 m。

取15#煤回采后导水裂隙带高度为49.50 m，探测钻孔长度设计依此值进行设计。

（2）钻孔布置

工程布置在9103 回风顺槽，1 400 m 钻场 处施工1 个观测孔，1 500 m 钻场处底板施工2 个钻孔，1 个为数据对比孔、1 个为观测孔， 钻孔施工参数见表1。

表1 探测钻孔施工参数

采用ZYW-1200 矿用全液压坑道式钻机施工，配套直径50 mm 钻杆，直径75 mm 合金钻头。钻孔钻进冲洗液无反水现象停止钻进。 钻孔施工完毕，应采用矿用高强度水泥与水玻璃按重量2:1 的比例搅拌进行封孔，封孔长度不小于15 m，并定期巡查，待水泥凝结，再对钻孔进行耐压试验。

3.2 数据观测结果

采用俯孔钻探渗漏法探查15#煤采空区冒落带、裂隙带发育高度，重点观测钻孔返水情况。

（1）探测记录

1 400 m 钻场处1 号观测孔实测剖面俯角为-48°，平面实测轨迹方位角为284°，终孔42.42 m可见15#煤空洞。

1 500 m 钻场处2 号对比孔实测剖面俯角为-52°，平面实测轨迹方位角为281°，终孔41.42 m可见15#煤空洞；3 号观测孔测剖面俯角为-52°，平面实测轨迹方位角为279°终孔41.39 m 可见15#煤空洞。 具体探测钻孔探测记录见表2。

（2）冒落带、裂隙带高度确定

①裂隙带高度确定

1 400 m 钻场处1 号观测孔施工期间无异常，钻孔施工至37.6 m 时开始不返水， 钻孔倾角为-48°， 经计算， 该段位于9#煤层底板下27.94 m（37.6 m×sin48°）处，推断15#煤层采空区裂隙带发育高度为7.03 m（层间距减去不导水间距，即为35-27.94=7.03 m）。

表2 探测钻孔探测记录

同理，1 500 m 钻场处3 号观测孔钻进至31.2 m处出现钻孔不反水情况，钻孔施工倾角为52°，得到裂隙带高度为10.41 m。 最终确定裂隙带高度为10.41 m。

②冒落带高度确定

1 400 m 钻场处1 号观测孔终孔42.42 m 见15#煤空洞， 此位置距9#煤层底板31.52 m （42.42 m×sin48°），冒落带高度为3.48 m。

同理，1 500 m 钻场3 号观测孔钻进至39.2 m可见15#煤空洞， 此位置距9#煤层底板30.89 m（39.2 m×sin52°），由此可判定15#煤层冒落带高度为4.11 m。 最终确定冒落带高度为4.11 m。

综上分析， 采用钻孔渗漏法测定的15#煤层裂隙带、冒落带高度分别为10.41 m、4.11 m。

钻孔渗漏法与经验公式计算得到的裂隙带、冒落带高度存在较大差异的主要原因是由于15#煤采用房柱式开采方式， 采空区内遗留有大量的煤柱，加之15#煤层顶板岩性较为坚硬， 造成煤层开采后裂隙带、冒落带高度显著降低。

4 钻孔成像验证

采用钻孔成像技术对1 400 m、1 500 m 钻场处内探测钻孔进行探测。

在1 400 m 施工的探测钻孔窥探过程中，探测至14.75 m，发现钻孔周边岩层出现垂向裂隙，探测至36 m， 正式进入到15#煤顶板采空破坏区域，探测至42.15 m， 发现15#煤层采空塌陷空洞。 裂隙带、冒落带高度分别为8.25 m、3.68 m。

在1 500 m 钻场探测15#煤采空区（底板）钻孔影像截屏，窥探过程中，探测至15.92 m，发现钻孔周边岩层出现垂向裂隙，探测至31.88 m，发现15#煤顶板采空破坏区域，探测至40.86 m，发现15 m煤层采空塌陷空洞。 裂隙带、 冒落带高度分别为9.87 m、2.80 m。

钻孔成像得到的裂隙带、 冒落带高度分别为9.87 m、3.68 m，与采用钻孔渗漏法确定的15#煤层裂隙带、冒落带数据接近。

5 结语

采用钻孔渗透法对15#煤层开采后采空区上覆冒落带、裂隙带高度进行探测，并采用钻孔成像技术进行验证，取得以下主要成果：

1）采用理论分析法得到的15#煤层采空区导水裂隙带高度为49.50 m， 采用钻孔渗透法测定的裂隙带、冒落带高度分别为10.41 m、4.11 m。 理论计算结果与实测值相差较大的主要原因是15#煤层采用房柱式开采方式， 开采后裂隙带及冒落带发育高度显著降低。

图3 1 500 m 钻场2 号探测钻孔成像

2）9#煤层与15#煤层层间距为35 m，15#煤层开采后引起的冒落带、裂隙带总计高度为14.52 m，9#煤层下方与15#煤层采空区间仍有厚度20.48 m厚稳定岩层。

3）结合9103 采面回采巷掘进情况，在受15#煤采空区影响的区域， 掘进巷道底板未出现裂隙、下沉等情况，预计15#煤层采空区不会对9103 工作面回采产生影响。