新疆侏罗系6煤层开采导水裂隙带高度研究

2022-11-02费贤瑞

中国煤炭工业 2022年9期

文/费贤瑞

新疆侏罗系煤田是我国中生代煤层的主要赋存区，也是西北地区国家能源战略转移开发的重点。相较于陕北和内蒙古地区，新疆呼图壁白杨河矿区煤炭资源开发大型矿井较少，开采历史较短，积累的原地实测地质数据有限，特别是“两带”高度发育规律不清，给煤矿防治水精准施策带来不利因素。

中煤能源新疆天山煤电有限责任公司为确定106煤矿导水裂隙带的发育高度，采用理论计算与“双端堵水”试验方法，分析了侏罗系6号煤层开采后的导水裂隙带高度发育规律，为煤矿精准制定防治水措施提供了科学依据。

一、概述

106煤矿位于新疆呼图壁县城南约83km，属白杨河矿区新生界松散层下开采煤层的大型矿井，开采地质及水文地质条件复杂，之前未开展过导水裂隙带发育规律的系统研究。本次实测的1602工作面位于呼图壁河东岸，地势陡峻，沟谷发育。所采煤层为中侏罗统西山窑组6号煤层，工作面走向长1079.5m，倾斜长185.6m，煤层倾角16°，采高平均为2.82m，直接顶为砂质泥岩，老顶为粉砂岩和细砂岩，致密，性脆。

工作面上方赋存的直接充水含水层为中侏罗统西山窑组砂岩，含水层厚50.93～75.66m，平均厚度62.86m，其中主要为裂隙、承压孔隙水。含水层主要由粗颗粒砂岩组成，如薄层砾岩、中砂岩、粗砂岩等，含水层整体上为富水性，含水层内的水主要为原始裂隙水，不具备良好的水力导通能力。预计正常涌水量为2～5m3/h，最大涌水量为15m3/h左右。为掌握6号煤层开采后导水裂隙发育特征，并为煤层防治水注浆封堵工程提供相对准确的参数，采用“双端堵水”法观测工作面充分回采后的顶板裂隙发育高度。

二、顶板导水裂隙现场测试

1.“双端堵水”法测试原理

“双端堵水”法测试原理，是基于导水裂隙带发育形态和工作面实际条件，在有利位置设计施工倾斜实验钻孔和对照钻孔，实验钻孔设计在导水裂隙带范围内，对照钻孔设计在未扰动的岩体内，利用钻机将双端堵水器推送至测试孔段，通过一个管路对囊袋进行充气，封闭住钻孔两端，然后开启另一注水管路，对封闭后的孔段进行注水，待水压稳定后开始记录水表初始读数，1分钟后读取末端，得到一定时间内的钻孔漏失量。将实验钻孔的数据与对照钻孔的测试数据进行对比分析，同一层漏失量差值越大说明采动裂隙越发育，最终判断得出导水裂隙发育高度。

2.“双端堵水”试验仪器设备

（1）1602工作面现场注水探测系统包括双端堵水器、水管、气管、钻杆、水管和气管供水操作台以及井下高压水源等。

（2）双端堵水器包括两个主要部件，即封堵囊袋和中部注水管。中部注水管孔壁上开设有注水孔，圆管直径为60mm，长度为1000mm。

（3）双端堵水器中分布有两条管路，分别连接注水探管与双端堵水胶囊。

3.观测钻孔设计

（1）理论计算“两带”高度。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，煤层覆岩为中硬岩层时，煤层采后覆岩导水裂隙带高度的预计公式为：

式中： Hli—导水裂隙带高度，m；

∑M—累计采厚，m。

冒落带的发育高度经验公式为：

式中： Hm—冒落带高度，m；

∑M—累计采厚，m。

工作面煤厚1.80～3.35m，平均2.68m，按平均采高2.82m计算，由公式（1）预计采后覆岩裂隙带高度约为29.16～40.36m；由公式（2）预计采后覆岩冒落带高度约为10.36～15.36m。

（2）探测钻孔设计。鉴于1602工作面已回采结束，巷道损害无法施工，本次探测在下部7号煤层1702工作面的运输巷设置钻场及观测站，在1702工作面运输巷距1602工作面停采线30m，施工3个观测孔和1个对比孔，钻孔终孔垂高要求施工至预计导水裂隙带高度之上20m。对比孔设计在1602工作面未采区，观测孔设计在1602工作面已采区。其中对比孔观测回采前上覆岩层的原始裂隙发育情况；观测孔用于观测采空区采动裂隙发育情况，均为仰角钻孔。共设计4个钻孔，孔深分别为：1#孔102.5m，2#孔98m，3#孔103m，4#孔102.5m，总设计工程量为406m。

4.注水探测

（1）注气堵孔和注水观测。先打开气管阀门，使得囊袋压力值达到2.0MPa，封堵住测试孔段。然后打开注水阀门，注水压力值应当通过测试段的高程确定，注水压力为高程静压值加0.1MPa测试值。高程静压值可通过设计钻孔角度和测试时使用的钻杆长度确定。

（2）观测孔段漏失量。观测操作台上的水管流量数值，流量稳定后记录60s内的流量，并记录数值。

（3）解除封孔。打开注气管路泄压阀，囊袋收缩，封孔失效，中部剩余储水流出。

（4）推移探管。利用钻机将双端堵水器向内推进1m。

重复上述步骤，进行下一孔段的测试，直至达到终孔位置。

三、探测成果分析

1.对比孔

对比钻孔于2021年11月24日早班开孔，12月8日早班终孔，终孔深度为102.5m。钻孔注水漏失量最小值为0.40L/min，最大值为3.40L/min，平均值为1.26L/min，在未受采动影响的上覆岩层范围内，局部有零星的漏水点，现场观测分析表明，这些漏水点的出现为原生裂隙导水原因所致。

2.观测孔

1#钻孔注水漏失量最小值为0.40L/min，最大值为12.87L/min，平均值为4.90L/min；与6号煤垂高10.51～13.13m范围内，处于工作面采空区上覆层停采线外侧，注水漏失量为6.86～7.00L/min，大于对比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，判断该范围受采空区影响，处于导水裂隙带范围内；与6号煤垂高14.01～33.13m范围内，注水漏失量明显增大，为6.86～12.87L/min，处于导水裂隙带范围内；与6号煤垂高34.12～56.85m范围内，注水漏失量逐渐明显减小，为0.40～2.50L/min，小于对比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范围为原生裂隙发育区，未受采动影响。根据1#钻孔注水漏失量数据判断，6号煤导水裂隙带高度为33.13m。

2#钻孔注水漏失量最小值为0.40L/min，最大值为14.87L/min，平均值为4.89L/min；与6号煤垂高10.63～16.81m范围内，处于工作面采空区上覆岩层停采线外侧，注水漏失量为3.72～3.92L/min，大于对比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，判断该范围受采空区影响，处于导水裂隙带边界；与6号煤垂高17.69～38.00m范围内，注水漏失量明显增大，为5.52～14.87L/min，处于导水裂隙带范围内；与6号煤垂高38.88～57.42m范围内，注水漏失量明显减小，为0.40～1.50L/min，小于对比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范围为原生裂隙发育区，未受采动影响。根据2#钻孔注水漏失量数据判断，6号煤导水裂隙带高度为38.00m。

3#钻孔注水漏失量最小值为0.40L/min，最大值为11.95L/min，平均值为6.02L/min；与6号煤垂高10.23～34.94m范围内，注水漏失量明显增大，为6.07～11.95L/min，处于导水裂隙带范围内；与6号煤垂高35.79～51.12m范围内，注水漏失量明显减小，为0.42～3.36L/min，小于对比孔注水漏失量的最大值3.40L/min，此范围为原生裂隙发育区，未受采动影响。根据3#钻孔注水漏失量数据判断，6号煤导水裂隙带高度为34.94m。