煤矿井下水流裂缝带发育扩展情况探测

马国逢

（陕西中能煤田有限公司）

袁大滩煤矿地处榆横矿区，是黄河流域典型沙漠滩地地区的煤矿，煤矿回采对第四系、白垩系含水层的扰动强度，直接关系到黄河流域环境保护与高质量发展。为此，范立民等［1-3］提出了保水采煤问题及实现途径，经过长期研发与工程实践，大致形成了保水采煤的理论与技术体系；夏玉成等［4］研究了高强度采煤条件下地下水流场的演化规律。在保水采煤研究与实践中，水流裂缝带是一个关键参数，以往的经验公式适合于采煤强度较小的区域，对于高强度回采的工作面，表现出不适用的特性［5］。为此，毗邻的神府南区采用钻孔探测的方法，准确确定了水流裂缝带发育长度［6-7］，为其他矿区钻孔探测提供了技术方法。

依据矿井相关地质条件对袁大滩煤矿主采煤层导水断裂带发育长度进行分析，观察上覆岩层地质、冲洗液消耗速率、水文等情况，分析研究煤层采动垮落带、水流裂缝带的发育特征，为后期保水开采提供有效的数据支撑。

1 探查方案

1.1 探查工作面概况

11201工作面作为112盘区的首采工作面，主采煤层2煤，位于112盘区北翼西部（下文所说工作面均为11201工作面）。工作面走向长度为5 186 m，倾向长度为300 m，回采煤层厚度在1.95～3.60 m，平均厚度为2.75 m，2020年1月开始回采，2021年4月回采结束。

工作面煤底板高度在+835.9～+882.3 m，埋深在319.95～344.69 m，平均埋深为332.27 m，最浅部位于工作面东南部，最深部位于工作面西北部，地层整体形态为东南高西北低的单斜构造，局部发育几个起伏较小的次级褶曲。

1.2 探查方法

设计施工3个探查钻孔，钻孔水平位置距离工作面切眼300 m，该区域已超过回采时间近6个月，依据地面沉降观察结果，探测时工作面顶板覆岩已处于稳定状态。

钻孔冲洗流体消耗速率观察方法（简称为钻孔冲洗流体法）是一种传统、可靠的确定上覆岩层受采动后水流裂缝带与垮落带发育长度的方法，此方法是通过直接观察钻进过程中的钻孔冲洗流体冲洗液消耗速率、钻孔水位、钻进速度、钻进异常情况（卡钻、掉钻、钻孔吸风）、钻探取心与地质描述等资料来综合判定垮落带与水流裂缝带长度及其破坏特征。

2 探测钻孔布置

2煤回采“两带”长度探测的3个钻孔（T1、T2、T3孔）所处的勘探线地点位于工作面开切眼南方300 m处，为顶板充分垮落的位置。T1孔施工方位在工作面东侧，距离采空区边界150 m，当基岩段岩移角为70°时，采空区作用范围是120 m，不会对T1孔产生影响；T2孔与T3孔均位于采空区上部，T2孔位于采空区西部，T3孔位于采空区中间部分（图1）。

依据地面测量结果，T1孔孔口为+1 233 m水平，终孔孔深为381.82 m，终孔位置在2煤顶板位置处，为采前钻孔。T2、T3孔为水流裂缝带观察钻孔，其中T2孔孔口为+1 232.40 m水平，终孔孔深为351.62 m，终孔位置在2煤采后顶板垮落带处。T3孔孔口为+1 232.40 m水平，终孔孔深为361 m，终孔位置在2煤采后顶板垮落带。

3 水流裂缝带发育扩展探测结果

3.1 T1孔（采前孔）钻井冲洗液消耗速率观察

T1孔为背景值孔，在施工过程中，施工人员对孔内进行了取心、抽水等相关测试实验，将实验结果作为后续孔的参考背景值。T1孔采前钻井冲洗液消耗速率见图2。

冲洗液消耗速率不仅与时间有关，还与进尺有关。由图2分析可知，孔深范围在120～231.33 m时，冲洗液消耗速率较小，并且钻井液返水正常，最小冲洗液消耗量为0.031 m3/h，最大为0.278 m3/h，平均为0.086 4 m3/h；单位时间下，单位进尺最小冲洗液消耗速率为0.001 8 L/（s·m），最大为0.007 4 L/（s·m），平均为0.002 3 L/（s·m）。钻井冲洗液消耗速率在该时段较小，钻井液损耗量正常。代表地层完整，未发生原生裂缝带。

钻孔处于231.33～381.82 m时，出现2次冲洗液消耗速率突增现象。其中孔深242.99 m时，冲洗液消耗量为0.631 m3/h，单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率高于0.014 1 L/（s·m）；孔深311.93 m时，冲洗液消耗量为1.261 m3/h，单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率为0.0362 L/（s·m）；这2个冲洗液消耗速率突增点说明原始地层中存在局部裂缝带，且该裂缝带较弱。

3.2 T2孔（采后孔）钻井冲洗液消耗速率观察

T2孔在采后6个月后，开始使用该钻孔进行“两带”发育长度测试。位置在T1孔西74 m左右。在施工的同时进行取心及冲洗液消耗速率观察等实验。该孔终孔处于2煤内，终孔深度为351.73 m。

图3是冲洗液消耗速率观察曲线图，从120 m开始进行本次漏液量观察，T2孔采后整个钻孔冲洗液消耗速率变化可以分为3个时段：

（1）时段1。孔深范围在120～155.41 m，冲洗液消耗速率较小，钻井液返水正常，孔深至124.39 m时，冲洗液消耗速率产生突变，最大冲洗液消耗量达到1.137 m3/h，单位时间下，单位进尺最大冲洗液消耗速率为0.051 4 L/（s·m）。此时段相比于T1孔采前孔，单位进尺冲洗液消耗速率与钻孔液冲洗液消耗速率均上升了1个数量级。

（2）时段2。孔深范围在155.41～282.43 m，冲洗液消耗速率不断变化，返水量显著降低。最小冲洗液消耗量为1.131 m3/h，最大为1.693 m3/h，平均为1.378 m3/h；单位时间下，单位进尺最小冲洗液消耗速率为0.029 5 L/（s·m），最大为0.057 1 L/s·m，平均为0.037 2 L/s·m。

（3）时段3。孔深范围在282.43～351.71 m，冲洗液消耗速率抵达最大值，钻井液未返水。冲洗液消耗量超过8 m3/h，单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率为0.086 5～1.453 L/（s·m）。在这个时段，冲洗液消耗速率达到最大值。单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率是原来的2倍。随着钻探向前推进，单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率持续震荡。

3.3 T3孔钻井冲洗液消耗速率观察

T3孔为“两带”发育扩展长度测试钻孔，在回采经过该孔所在位置6个月后开始施工。施工位置距离T1孔偏西225 m处。在施工过程中，进行取心及冲洗液消耗速率观察等相关试验。该孔终孔处于2煤回采后垮落带内，终孔深度达到361.00 m。

对图4中T3孔钻井冲洗液消耗速率观察曲线图分析可知，整个钻孔冲洗液消耗速率变化可以分为3个时段：

（1）时段1。孔深范围在120～155.81 m，在120 m之前冲洗液消耗速率较小，返水正常，当孔深为124.41 m时，冲洗液消耗速率突增，最大冲洗液消耗量达到0.482 m3/h，单位时间下，单位进尺最大冲洗液消耗速率达到0.032 8 L/（s·m）。相比于T1孔采前孔，该时段钻井冲洗液消耗速率与单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率均增加了1个量级，说明附近岩层受到了回采的影响，原岩完整性降低。有裂隙贯通扩展，然而连通性差。

（2）时段2。孔深范围在155.81～279.61 m，冲洗液消耗速率持续升高，返水量降低。最小冲洗液消耗量为0.482 m3/h，最大为1.791 m3/h，平均为0.991 m3/h；单位时间下，单位进尺最小冲洗液消耗速率为0.013 1 L/（s·m），最大为0.027 1 L/（s·m），平均为0.026 2 L/（s·m）。与1孔采前孔相同层段冲洗液消耗速率对比，钻孔液冲洗液消耗速率与单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率均有显著提高，说明该段岩层受到煤层回采影响，导致原岩完整性被破坏，裂隙发育扩展。

（3）时段3。孔深范围在279.52～357.0 m，冲洗液消耗速率激增，冲洗液消耗量大于8 m3/h，平均冲洗液消耗量达到6.861 m3/h，单位时间下，单位进尺平均冲洗液消耗速率为0.189 L/（s·m）。冲洗液消耗速率与单位时间下，单位进尺冲洗液消耗速率显著提高。之后冲洗液消耗速率达到最大值。

3.4 钻井冲洗液消耗速率对比分析

对比3个钻孔钻进进程中冲洗流体冲洗液消耗量（图5），T1孔表示地层原生裂缝发育程度，T2孔与T3孔表示采动影响下顶板岩层受到扰动与破坏后裂缝的发育程度，能够看出，当垂深290 m以上时，T2孔与T3孔冲洗液消耗量与T1孔较为接近，代表岩层完整性较高，当垂深280 m以下时，T2孔与T3孔冲洗液消耗量随着孔深增加而注浆增大，直至冲洗流体全部漏失，未出现反水现象。此刻代表岩层受破坏程度提高，依据冲洗液消耗速率，可以大致判断水流裂缝带顶部处于垂深280 m以下，精确位置需要使用压水试验进一步确定。

4 结 论

工作面回采水流裂缝带发育长度范围在104.36～110.37 m，裂采比范围在32.61～34.49 m。水流裂缝带

顶部处于直罗组地层范围中，距离安定组地层底部41～46 m，距离白垩系地层底部151～157 m，距离第三系离石组地层底部180～186 m，距离第四系萨拉乌苏组地层底部189～195 m。煤层回采未对白垩系含水层、萨拉乌苏组含水层造成扰动与损害。应加强对裂缝带发育扩展范围内的直罗组地层水防治工作。