9 号煤层开采两带发育高度井下观测研究

吕兴立

（冀中能源股份有限公司 葛泉矿，河北 邢台 054102）

1 概 况

葛泉矿东井开采9 号煤，该区9 号煤赋存较浅，基岩厚度小，煤层厚度大（4～6 m），工作面上覆松散层底部为砾石中等富水含水层，对工作面开采安全威胁大。为保证9 号煤层安全回采，需要明确工作面“两带”发育高度，以留设相应的防水安全煤岩柱。

11915 工作面位于葛泉矿东井一采区，平均埋深188 m，走向长度平均950 m，倾向长度平均63 m。工作面9 号煤层厚度平均5.0 m。煤层倾角10°～22°，平均16°。9 号煤直接顶为粉砂岩，厚度平均0.8 m，煤层底板为铝土质粉砂岩，区内表现较稳定，厚度平均6 m，通过在井下对11915工作面上覆岩层采后破坏程度进行观测，分析得到9 号煤的两带发育高度。

2 “两带”高度观测方法

2.1 “两带”高度观测方法

采用井下钻孔观测法，在井下巷道选取合适位置向采空区顶板施工一定数量的钻孔，通过观测系统测定钻孔注水漏失量并分析确定“两带”最大高度。该方法钻孔工程量小，成本低，每米逐段观测，观测精度高，成果可靠。

2.2 观测方案

此次井下观测施工钻孔数目共3 个，其中1个为对比钻孔，即在工作面回采前首先施工一个钻孔来观测9 号煤层覆岩原始裂隙的发育情况，2个为煤层采后两带发育高度观测钻孔，即在工作面回采结束后再施工2 个钻孔，观测采动裂隙的发育情况。

观测钻孔设在9 号煤层11915 工作面停采线以外的运料巷内。根据理论计算，9 号煤层导水裂隙带预计高度范围为48.3～60 m，平均54.2 m 左右，因此主要对该工作面顶板上方50 m 左右的覆岩受采动影响情况进行探测。

为防止因特殊地质构造（如断层） 引起的覆岩破坏高度过大，应适当加长钻孔长度，因此，观测钻孔必须有一定长度的不漏水孔段，以此作为确定煤层开采两带发育高度顶界的依据。

钻场和钻孔（1、2、3） 布置平面布置如图1所示，钻孔施工参数见表1。

图1 钻场和钻孔（1、2、3） 布置平面布置Fig.1 Plane layout of drilling site and borehole(1,2,3)

表1 钻孔施工要素Table 1 Drilling parameters

2.3 “两带”高度现场实测结果及分析

采用双端堵水器对回采前后钻孔的注水漏失量进行监测，确定回采后各覆岩裂隙发育情况。该系统主要由双端堵水器、耐压软管、观测台等构成。井下各观测钻孔的有效漏失量见表2。

2.3.1 1 号对比钻孔观测数据分析

从观测数据表可以看出，在煤层覆岩原始状态条件下，1 号对比钻孔注水流量有一定变化，变化量为4.75 L/min 左右。煤层顶板岩层原始状态下未受采动破坏影响，从井下现场观测情况看，对比孔试验段均有一定的漏失量，特别是在孔深51～61.5 m 及 69～73.5 m 段，漏失量分别为 3.99 ～7.13 L/min 和3.73～7.15 L/min。注水漏失量分布如图2所示。

1 号对比钻孔注水漏失量主要原因：①岩层发育原生裂隙；②观测系统本身封闭不严有一定漏失；③岩层自身具有一定透水和吸水性，加压后会引起漏失；④观测过程中读数误差；⑤试验段具有一定的空间。

2.3.2 2 号采后观测钻孔数据分析

根据观测数据及有效漏失量绘制采后观测钻孔（2 号钻孔） 分段注水漏失量分布，如图3 所示。

表2 井下各孔观测数据及有效漏失量Table 2 Observation data and effective leakage of each hole in the mine

图2 对比钻孔（1 号钻孔） 分段注水漏失量分布Fig.2 Distribution of water loss by subsection injection of borehole(No.1 borehole)

图3 采后观测钻孔（2 号钻孔） 分段注水漏失量分布Fig.3 Distribution of water loss by subsection injection after mining observation borehole(No.2 borehole)

从采后观测2 号钻孔注水漏失量分布图中可以看出，孔深 75 ～87 m 段漏失量为 6.06 ～7.98 L/min，通过与1 号对比钻孔对比说明此区段岩层处于原始状态；在孔深57～72 m 段钻孔注水漏失量增大，最高达到25.85 L/min，表明这一段孔深是导水裂隙带的顶部。因此，2 号观测孔确定的覆岩导水裂隙带的位置在钻孔中的75 m 处，对应9 号煤层顶板垂直高度为47.2 m。

2.3.3 3 号采后对比钻孔观测数据分析

根据井下各孔观测数据及有效漏失量绘制采后井下仰孔（3 号钻孔） 分段注水漏失量分布，如图4 所示。

图4 采后井下仰孔（3 号钻孔） 分段注水漏失量分布Fig.4 Distribution of subsection water injection loss in the underground inverted hole(No.3 borehole)after mining

从图4 中的采后观测3 号孔注水漏失量分布可以看出，孔深81～91.5 m 段注水漏失量为4.97～9.92 L/min，与1 号采前对比孔对应比较说明该段岩层未破坏；孔深69～79.5 m 段注水漏失量显著增大，注水漏失量最大为16.40 L/min，表明这一段钻孔位于导水裂隙带的顶部。因此，11915 工作面9 号煤回采覆岩导水裂隙带的位置在3 号孔中的81 m 处，对应煤层顶板的垂直高度为46.4 m。

综上可知，煤层回采前顶板岩层未受采动影响，处于原始状态，1 号采前对比钻孔注水漏失量主要进入覆岩原生裂隙中，变化幅度不大。工作面回采结束后，煤层覆岩受到采动破坏的影响，产生了大量新生裂隙，2 号、3 号观测钻孔注水漏失量相比1 号对比孔增大。注水漏失量随着注水位置的增高明显减小并最终趋于稳定。

另外，2 号采后钻孔注水漏失量总体上大于3号采后注水漏失量，这是由于工作面回采后，上覆岩层垮落失稳逐渐趋于稳定，原有的裂隙会随着时间的推移趋于闭合，因此最后观测的3 号采后注水漏失量会小于工作面回采完第一次测量的2 号采后钻孔注水漏失量。

经过上述分析，葛泉矿11915 工作面观测到的最大导水裂隙发育高度见表3。

表3 11915 工作面观测到的最大导水裂隙发育高度Table 3 The maximum development height of water conducting crack observed in 11915 working face

3 结 论

（1） 通过对1 号采前对比钻孔观测数据分析，在煤层顶板岩层原始状态下，钻孔注水漏失量4.75 L/min 左右。2 号采后钻孔注水漏失量19.75 ～25.85 L/min，3 号采后钻孔注水漏失量14.03～16.40 L/min。最后根据实测结果，确定11915 工作面现场实测的最大导水裂隙发育高度的范围为46.4～47.2 m。

（2） 此次研究得到的导水裂隙带高度为46.4～47.2 m，可供葛泉矿类似地质采矿条件下地表水体及松散层含水层下工作面开采时参考使用。

（3） 由于煤矿水文地质的多样复杂性，其它工作面留设防水安全煤岩柱时，在参考11915 工作面导水裂隙带高度实测值的基础上，建议考虑1.2～1.5 的安全系数。