仰孔注水测漏法在磁窑沟13102工作面防治水的应用研究

邬飞龙

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

矿井水害会直接或间接对煤矿造成巨大的经济损失，需根据矿井实际工程概况采取科学、有效的防治水方案防治矿井水害。杨达明[1]等通过对比钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟3种方法探测所得导水裂隙带发育高度的情况后可知，钻孔法数据最为精确；杨艳国[2]等采用理论分析和UDEC数值模拟的方法对位于河流下煤层不同开采顺序对导水裂隙发育情况进行分析，通过采取不同开采顺序对煤层开采控制导水裂隙带发育高度来防治水害；杨晓科[3]、汤玉兵[4]、周海涛[5]等采用数值模拟及现场观测的方法对地表河流、水体下开采覆岩破坏变形及裂隙发育规律进行分析，进而根据导水裂隙带发育高度确定防治水方案。这些研究需在确定导水裂隙带发育高度的基础上，针对不同水害类型得出相应的水害防治措施。以磁窑沟煤矿13102工作面为工程背景，通过对比分析不同导水裂隙带高度预计、探测方法的优劣，选用精确度更高的仰孔注水测漏法进行探测，根据导水裂隙带发育高度的情况，分析工作面水害威胁类型及程度，并制定相应的防治水对策。

1 概 况

磁窑沟煤矿13102工作面回采13号煤层，13号煤层平均厚度10.40 m，倾角3.7°，松散层平均厚度38.6 m，基岩平均厚度109.1 m。13102工作面长度240 m，推进长度1 580 m，工作面埋深110.0～188.2 m，采用一次采全层大采高放顶煤采煤方法，采放比1∶1.48；13102工作面上覆为10-2号煤层（已回采）。工作面东部为13103工作面（未形成）；南部为山西华鹿阳坡泉煤矿，留设20 m井田保护煤柱；西部为13101综放工作面（已回采）；北部为131盘区辅助运输大巷/胶带大巷/回风大巷。13102工作面顶底板物理力学参数，见表1。

表1 工作面顶底板物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of working face roof and floor

磁窑沟矿13102工作面顶板含水层自上而下分别为地表含水层、砂岩裂隙和孔隙含水层、石灰岩裂隙和孔隙含水层，均为弱富水性含水层。工作面底板含水层为石灰岩裂隙含水层，与底板最小垂直距离为31 m，13102工作面未处于带压开采区域，不受底板含水层影响。13102工作面顶板及底板含水层对工作面均无无水害威胁。13102工作面上覆10-2号煤层采空区，该采空区积水及地表水可能对工作面产生安全威胁。因此，需通过探测导水裂隙带的发育高度，确定可能产生的水害来源。

2 导水裂隙带发育高度研究

确定导水裂隙带高度的方法主要有经验公式计算法、物探法、模拟实验法和注水测漏法等。

经验公式计算法中的公式是通过汇总相似地质条件下导水裂隙带高度并进行分析所得出的，按照不同的采矿地质条件，采用相适应的公式进行计算。考虑到13102工作面顶板为中硬岩性，根据“三下”开采规范中的公式计算13102工作面导水裂隙带高度：

式中：∑M为累计采厚，m；h2为导水裂隙带高度，m。

式（1）是结合19、20世纪炮采及人工采掘矿井的导水裂隙带高度所得出的经验公式，不适用于当前综合机械化采煤矿井。且13102工作面煤层采厚10.40 m，远大于3 m；上覆10-2号煤层采厚8.40 m，累计开采厚度超过15 m，不满足经验公式计算条件。

物探法通过探测岩体电阻率的变化确定岩体的破坏形态，从而确定导水裂隙带发育高度，但是物探法对于岩层小裂隙的探测存在一定误差。模拟实验法有物理相似模拟实验及数值模拟实验法，物理相似模拟实验可直观观测导水裂隙带及地表变形的大致情况，对导水裂隙带发育高度的确定存在一定误差；数值模拟实验法建立的数值模型过于理论化，与实际工况存在一定出入。

仰孔注水测漏法是根据探测钻孔孔段内注水漏失量的变化情况确定岩层的破坏形态，进而确定裂隙发育高度。井下仰孔注水测漏法具有探测数据可靠、速度快等优点，在导水裂隙带高度探测中使用较为广泛。因此，磁窑沟矿13102工作面选取仰孔注水测漏法探测导水裂隙带高度。

3 仰孔注水测漏法

3.1 仰孔注水测漏法工作原理及组成

仰孔注水测漏法是根据孔段内漏失量的变化情况确定导水裂隙带的发育高度的一种方法。在巷道中向工作面斜上方进行钻孔作业，将钻孔打至预计的导水裂隙带范围内，然后制造一段密闭孔段，向密闭孔段内注水监测其漏失量变化情况。如图1所示。

图1 仰孔注水测漏装置探测示意Fig.1 Inverted hole water injection leakage measurement device detection

由图1可知，仰孔注水测漏装置主要由钻机、钻杆、测试探头装置、注水操作平台、封堵操作平台组成；测试探头装置（双端堵水器）主要由转换阀、胶囊、油管及花管组成。钻机进行钻孔作业后，钻杆将测试探头装置推送至测试孔段；封堵操作台向测试探头装置中的胶囊注放水实现胶囊的膨胀、收缩，胶囊在注水后开始膨胀，膨胀到紧贴钻孔内壁后就会形成一定长度的双端密闭封堵孔段；注水操作台由调压阀、进水阀、压力表、流量表、防水阀及高压胶管组成，对封堵孔段注水，观测漏失量的变化情况。

3.2 仰孔注水测漏法工作流程

仰孔注水测漏法通过测量各孔段单位时间、单位长度漏失量变化情况确定导水裂隙带发育高度。注水漏失量大于6 L/min且连续多个测点有较大的流量段为导水裂隙带范围内，注水漏失量小于6 L/min，且出现较多0值的注水量段为导水裂隙带范围外。仰孔注水测漏法工作流程如图2所示。

图2 仰孔注水测漏法工作流程Fig.2 Inverted hole water injection leakage measurement method working process

由图2可知，首先使用钻具在指定位置打至预计高度的钻孔，钻孔完毕后通过钻杆将转换阀与胶囊推送入钻孔；然后操作封堵平台胶膨胀囊并形成一段密闭封堵孔段；随后操作注水操作台向密闭封堵孔段定压注水，在注水前调节调压阀与放水阀使压力达到定值，在压力达到定值并稳定后关闭放水阀并打开进水阀，注水并观测测试孔段的漏失量变化情况。测试孔段的流量观测结束后，停止向封堵孔段注水，释放封堵孔段内的水流并收缩胶囊，使用钻杆将胶囊推送至下一测试段进行观测，重复以上操作，直至将整个钻孔内的漏失流量观测完毕。

4 工程应用

4.1 导水裂隙带高度探测

在13102工作面回风顺槽内距停采线15 m处施工2个直径为133 mm的钻孔；1号钻孔终孔位置距工作面顶板垂直高度为95 m，距工作面水平距离为45 m；2号钻孔终孔位置距工作面顶板垂直高度为95 m，距工作面水平距离为40 m。从钻孔4 m深度开始注水探测，注水漏失流量如图3所示。

由图3可知，1号探测孔注水漏失流量在距工作面上方40 m范围内处于6 L/min左右，注水漏失流量在距离工作面上方40～93 m内远大于6 L/min，说明裂隙带高度范围位于工作面上方40～93 m；2号探测孔注水漏失流量在6 L/min左右浮动，孔内漏失流量无明显变化。因此，磁窑沟煤矿13102工作面裂隙带高度范围为40～93 m，需要重点防治的水害类型为上覆10-2号煤层采空区积水和大气降水汇集形成的地表水。

图3 注水漏失流量曲线Fig.3 Water injection leakage flowcurve

为确定上覆10-2号煤层采空区积水的具体位置，采用瞬变电磁法对13102工作面进行勘探。图4为顶板上位岩层相对低阻异常区分布。

图4 1 31 02工作面顶板上40 m处岩层相对低阻异常区分布Fig.4 Distribution of relative low resistance abnormal area in 40m above roof of 13102 working face

相对低阻异常区位于13102工作面顶板上40 m左右层位，说明13102工作面上方40 m处岩层裂隙开始相对发育，低阻异常区疑似采空区积水， 预计积水量共9 600 m3，采取相应措施进行防治。

4.2 防治水方案

通过对导水裂隙带高度的探测可知，对13102工作面有影响的水害为上覆10-2号煤层采空区积水和大气降水形成的地表水，需要采取相应措施进行防治。

（1）根据13102工作面瞬变电磁探测法所得的工作面顶板上位岩层相对低阻异常区分布，对低阻异常区及上覆各采空巷道进行钻探验证，进行钻孔防水，共施工46个定向钻孔，其中6个钻孔出水，共计放水总量约为9 450 m3，采空区内积水已基本排放完毕，不会对回采工作产生影响。

（2）13102工作面距切眼243～1 046 m对应地表为东西高中部底的山坡，山坡底部为南高北低的沟谷，工作面回采范围及周边地表无水体，需要在工作面回采期间及时回填出现的塌陷裂缝，防治大气降水。

5 结 论

为治理磁窑沟煤矿13102工作面水害，采用仰孔注水测漏法确定工作面导水裂隙带发育高度，制定相应的防治水方案。

（1）仰孔注水测漏法通过测量各孔段单位时间、单位长度漏失量变化情况，确定13102工作面导水裂隙带发育高度为40～93 m。

（2）13102工作面需要重点防治的水害类型为上覆10-2号煤层采空区积水和大气降水汇集形成的地表水。

（3）采取向上覆10-2号煤层采空区钻孔探测并放水和及时回填地表塌陷裂缝的方法，防治采空区积水与大气降水形成的地表水。