黄泥岩顶板导水裂隙带发育规律与防治水技术

2023-11-26魏启俊

现代矿业 2023年10期

魏启俊

（阳泉煤业集团翼城石丘煤业有限公司）

覆岩导水裂隙带的发育规律决定了矿井的涌水机理［1-3］。现场实测方法是确定导水裂隙带的直接途径，主要包括钻孔注水法、冲洗液漏失量观测法、电阻率测试法、超声波成像法、微震监测法等［4-6］，其中钻孔注水法与漏失量观测法具有装置简单、观测结果可靠等优点而被广泛应用。然而钻孔实测方法的局限性在于仅能部分探测导水裂隙带高度，可通过结合数值模拟方法进行补充验证［7-8］。因此，针对石丘煤业9+10 煤覆岩涌水问题，采用钻孔实测方法与数值模拟方法对导水裂隙带发育规律进行探究，以期为矿井防治水工作提供指导。

1 工程概况

石丘煤业井田内沟谷发育，多为“V”字形分布，发育深度较大的地表沟谷包括有马泉沟、石丘沟，雨季具有极强的储水能力。在井田南部及北部煤层露头地带，雨季大气降水可以直接补给煤层及其直接充水含水层，雨季井下涌水量将明显增大。露头区距补给区近，地下水位埋藏浅，富水性弱—中等，地表水、第四系潜水与上方2 号煤层采空区对9+10 号煤层采空区有一定补给，暴雨期间小山沟的溪水可能会沿岩煤层的风氧化带、煤层顶底板裂隙带或采空区渗入井下，使矿井涌水量增大。覆岩内部存在厚度较大的黄泥岩，由于黄泥岩具有极强的水化性质［9］，更加促进了覆岩裂隙带的导水能力，危害矿井工作面的生产。

2 “三带”发育现场实测

煤层采动应力致使采场顶板发生破断，覆岩发生运移并出现覆岩导水裂隙带。采用钻孔冲洗液漏失量观测方法对石丘煤业9+10号煤层开采“三带”高度进行探查。

2.1 钻探工程施工工艺

依据矿区安全生产及水资源保护的具体需求，在石丘煤业9103 工作面布置3 个导水裂隙带高度观测孔（D1、DZ1、DZ2），包括1 个对照钻孔（D1），2 个三带调查钻孔（DZ1、DZ2），累计钻探进尺843.95 m。工作面倾向长度为350 m，属于超长工作面，推进长度约为6.1 km，开采9+10号煤层，煤层结构简单。

本次钻探工程所使用的钻探设备为GXY-2B 型煤田勘探钻机，钻孔开孔为第四系松散砂层，采用φ127 mm麻花钻干钻判定潜水位，再用取土器泥浆循环取心钻进至基岩界面，随后使用φ113 mm 钻头清水循环钻进至风化基岩底界面下2 m，再使用φ190 mm 扩孔器扩孔钻进至风化底界，下入φ160 mm 止水护壁套管，并使用水泥固管，待水泥凝固之后采用φ98 mm 双壁单动岩心管清水循环取心钻进至9+10号煤层底板下5 m，每个回次的长度不超过4 m，在裂缝带不超过2 m，到达终孔层位。

本次所施工的钻孔一级孔径为127 mm，满足方案要求的钻孔直径不小于91 mm，心径不小于60 mm，满足采样及岩心保存要求。各层段岩心采取特征见图1。

对施工的3 个钻孔岩心采取率进行验收。验收标准为岩心采取率完整岩层不低于75%，破碎带不低于60%。本次钻探施工累计进尺843.95 m，采取岩心总长696.30 m，总采取率82.90%，其中正常岩石地层进尺513.75 m，岩心采长447.20 m，采取率87%。

2.2 钻探结果分析

2.2.1 D1钻孔（对比孔）

该钻孔布置在距离9103 工作面回风顺槽东南方向150 m 处的未采动区。根据图2 所示，在土层区间内冲洗液漏失量变化为0.00～0.60 L/s，平均值0.287 L/s；在黄泥岩基岩区间冲洗液漏失量变化为0.00～0.45 L/s，平均值0.172 L/s。钻孔水位的变化趋势为随着钻孔深度的增加而降低，最小值为0.90 m，最大值为22.46 m。

2.2.2 DZ1钻孔

上述工作贯穿于油田开发的全过程。对此，我们称之为油气生产的战术接替。随着其采出程度的提高和上述各单项措施本身经济效果的相对降低，老油田（区）多种措施的增产难以弥补自然递减以致出现越来越大的综合递减，伴之而来的是经济效益的下降。

该钻孔布置在9103 工作面走向中心位置距离切眼370.00 m。根据图2 所示，在土层区间内冲洗液漏失量变化为0.00～0.76 L/s；在黄泥岩基岩区间冲洗液漏失量变化为0.00～8.80 L/s，平均值0.249 L/s。由于黄泥岩水化性质的影响，黄泥岩基岩区间内冲洗液漏失量在孔深143.89～146.08 m 段由0.50 L/s 增大至8.80 L/s，随后钻孔冲洗液全部漏失。

该钻孔的水位在观测过程中随着孔深的增加而逐渐降低，最小值为0.17 m，最大值为193.70 m，水位在143.89 m 处开始发生降低，由19.27 m 降低51.40 m，在193.70 m 处，冲洗液完全漏失。通过上述分析可知，DZ1 钻孔探测的导水裂隙带发育的顶点为143.89 m。

2.2.3 DZ2钻孔

该钻孔布置在9103 工作面走向中心位置距离切眼666.48 m。根据图2 所示，在土层区间内冲洗液漏失量变化为0.00～0.80 L/s；在黄泥岩基岩区间冲洗液漏失量变化为0.00～2.00 L/s，平均值0.249 L/s。由于黄泥岩水化性质的影响，黄泥岩基岩区间内冲洗液漏失量在孔深147.12～149.63 m 段由0.040 L/s 增大至2.00 L/s，随后钻孔冲洗液全部漏失。

钻孔水位的变化趋势为随着钻孔深度的增加而降低，最小值为5.23 m，最大值为177.08 m，水位在147.12 m 处由13.20 m 降低130.08 m，在177.08 m 处，冲洗液完全漏失。通过上述分析可知，DZ2钻孔探测的导水裂隙带发育的顶点为147.12 m。

由冲洗液消耗量观测法综合分析可知，DZ1钻孔导水裂隙带发育的顶界位置为143.89 m，DZ2 钻孔导水裂隙带发育的顶界位置为147.12 m。

3 导水裂隙带发育规律数值模拟

准确掌握石丘煤矿冒落带、裂隙带的发育高度，对矿井安全及水害防治和水资源、生态环境保护具有重要的意义。为了确定导水裂隙带发育规律，对钻孔探测结果进行补充验证，利用离散单元法模拟开采过程中覆岩移动特征和导水裂隙发育特征，得到导水裂隙带的发育规律等。

3.1 数值模型建立

3.2 导水裂隙带发育规律分析

根据图3 所示，当工作面推进至90 m 时，工作面顶板发生破断，顶板的冒落高度约为32 m，导水裂隙发育高度约为70 m。随着工作面的继续推进，覆岩所受支承力逐渐降低，顶板发生周期破断，当工作面推进距离为200 m 时，采空区裂隙已经达到123 m。工作面推进距离达到300 m 时，地表出现弯曲下沉裂隙，并与黄泥岩基岩区域形成贯通。根据数值模拟结果可知，导水裂隙带高度约为159 m，是采高的26.50倍。

为多方位分析导水裂隙带的发育高度，对数值模拟的最大主应力结果进行分析，通过应力的分布状态判断导水裂隙带的发育高度。图4 为随着工作面的推进，最大主应力的分布特征。最大主应力范围随着工作面的逐渐推进而不断扩大，最大主应力的发育形貌特征与裂隙带的离层运移特征较为相似。在工作面推进90 m 时，采空区两侧的最大主应力为10～15 MPa，工作面推进200 m时，采空区两侧的最大主应力为15～20 MPa，在工作面推进300 m时，采空区两侧的最大主应力为20～25 MPa。

由于黄泥岩的性质较为软弱，在遇水状态下，将会导致应力向顶板的中间区域集中，导致采空区中部出现应力集中区域，采空区中部的部分裂隙压实闭合，反映了黄泥岩在实际工程中遇水向采空区中间位置汇集的运移特性。两侧裂隙带发育至地表，当发生覆岩涌水时，由于黄泥岩向中部汇集，导致采空区两侧的顶板裂隙带联通程度较高，因此，导水通道主要为采空区两侧裂隙。

根据数值模拟分析结果，初次来压步距90 m，当工作面推进300 m 时，与表土层发生贯通，采空区中部的部分裂隙压实闭合，9+10 号煤层开采覆岩稳定后，裂隙带高度约159 m，是采高的26.50 倍，冒落带高度为30 m，是采高的5 倍，弯曲下沉带高度为110 m。

4 水患防治措施

9+10号煤层开采后形成的导水裂隙带高度143～159 m，可影响煤层顶板以上各含水层及地表，其间裂隙水可沿导水裂隙带向矿井充水，成为矿井充水的充水水源。顶板黄泥岩常以渗水、淋水的形式进入矿井，回采工作面应做好探查与预疏放工作。具体的防治工作可总结为“探测+疏放+注浆”综合防治水技术：①首先对顶板水富水性探测，通常采用瞬变电磁探查顶板含水层的分布，对富水异常区进行钻探验证。②掘进中注意观测顶板的出水情况，对有异常的要预疏放；对顶板水进行预疏放，为工作面回采大幅度降低水压，减少工作面涌水对回采的影响；一般采取采动疏干即可，必要时采用井下水文钻孔，对煤层顶板黄泥岩水井下疏放。③采取注浆方式降低黄泥岩的水化性质。④注意顶板涌水的颜色特征，如为黄泥岩遇水软化造成的顶板导水裂隙带贯通，则一般表现为采空区中部淋水颜色泛黄，而采空区两侧涌水颜色较浅。

矿井充水方式主要为顶板淋水或涌水，2 号煤层与9+10 号煤层间距为50～60 m，9+10 号煤层开采后导水裂隙带最大高度可达到2 号煤层，可导通2 号煤层采空区积水，通过9+10 号煤层采空区形成的导水裂隙带补给9+10 号煤层，说明2 号煤层形成的积水对9+10 号煤层开采有充水影响，通过导水裂隙进入矿井的水量较大，井下排水设施一定要满足矿井排水的要求。对于煤及顶板富水异常区，当掘进到富水异常区附近时应进行验证，必要时提前进行疏放。