趙 毅

(晉能集團晉城有限公司，山西 晉城 048000)

蓋州煤礦是晉能集團晉城有限公司的一座整合礦井，設(shè)計能力90萬t/a，主采9#煤層，上覆的3#煤整合前被小窯用房柱式采煤方法長期破壞，采空區(qū)內(nèi)有不同程度的積水，工作面回采放頂后形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度如果發(fā)育到3#煤老空水的高度，極易造成透水事故。所以合理確定9#煤層工作面回采后頂板導(dǎo)水裂隙帶高度對工作面防治水工作具有重要意義；本文以蓋州煤礦9105工作面為例，對工作面頂板采用導(dǎo)水裂隙帶高度井下觀測技術(shù)確定裂隙帶高度，為9#煤層防治水工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

晉能集團晉城有限公司蓋州煤礦9105工作面位于井田一采區(qū)，工作面頭尾順槽長度分別為1 820 m、1 825 m，切巷長度為180 m，工作面回采煤層為9#煤層，煤層平均厚度為1.7 m，9#煤層直接頂主要以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖為主，基本頂主要以K5灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、3號煤為主，9#煤層上覆為3#煤層采空區(qū)，層間距為48 m。

通過三維地震探測以及井下鉆探發(fā)現(xiàn)，工作面上覆含有K5灰?guī)r水和3#煤層老空水，對工作面回采有一定影響，工作面在前期前通過對9#煤層施工探水鉆孔進行疏放水，共計放水量為800 m3，雖然回采前對9#煤層上覆巖層采空區(qū)局部積水區(qū)進行疏放，但是回采中有殘余老空積水沿頂板裂隙帶導(dǎo)入工作面，預(yù)計正常涌水量為4.7 m3/h，威脅著工作面安全回采。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度井下觀測技術(shù)應(yīng)用

2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度井下觀測技術(shù)原理

當9105工作面回采一段距離后，在工作面運輸順槽指定位置布置鉆孔施工鉆場，在鉆場內(nèi)分別向9105工作面采空區(qū)上方以及9#煤層未采區(qū)上方施工同等技術(shù)參數(shù)的仰斜鉆孔，然后對仰斜鉆孔內(nèi)注水并進行封孔處理，最后采用專業(yè)觀測儀對鉆孔內(nèi)各段注水的流失量進行對比分析，從而確定采空區(qū)上浮裂隙巖層高度。

2.2 觀測位置及時間的確定

1) 觀測位置確定：根據(jù)9105工作面順槽掘進期間實際揭露的地質(zhì)資料顯示，9105工作面回采至861 m位置處時地質(zhì)構(gòu)造單一，巖層傾角近水平，無斷裂構(gòu)造發(fā)育，工作面運輸順在此處布置鉆場位置，進行導(dǎo)水裂隙帶高度觀測位置最佳；在鉆場進行鉆孔施工必須符合以下條件：①在鉆場內(nèi)布置的導(dǎo)水裂隙帶高度觀測孔禁止垂直布置，必須具有一定的仰斜角度，便于水流在重力作用下能夠很好的滲入裂隙帶內(nèi)[1]。②鉆孔內(nèi)注水觀測為主必須有利于縮短觀察孔孔深；同時必須保證鉆孔可對導(dǎo)水裂隙帶的馬鞍形頂部最大值進行觀測。

2) 觀測時間確定：采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育形成主要分為兩個階段，第一階段為工作面回采結(jié)束后隨著采空區(qū)頂板垮落，頂板裂隙帶隨時間推移裂隙高度逐漸增高；第二階段采空區(qū)頂板垮落一段時間后，受上覆巖層重力影響導(dǎo)水裂隙帶逐漸被壓實，裂隙帶高度保持不變甚至下降。利用9105工作面附近勘探鉆孔巖芯地層的巖石力學(xué)成果，開展工作面開采覆巖變形破壞規(guī)律數(shù)值模擬計算得出推過該位置33天左右時間是最合適的觀測時間[2]。

3 鉆孔的布置及觀測

3.1 鉆孔布置方式

通過采用經(jīng)驗公式計算得出導(dǎo)水裂隙帶高度為36 m，結(jié)合對9105工作面覆巖變形破壞規(guī)律進行數(shù)值模擬分析的結(jié)論。決定對9105工作面?zhèn)炔贾?個導(dǎo)水裂隙帶高度觀測鉆孔，向?qū)嶓w煤側(cè)布置1個對比孔，鉆孔深度保證垂深穿透覆巖計算的導(dǎo)水裂隙帶高度36 m，并進入其上方5 m，每施工完1個鉆孔及時用觀測儀進行實測，記錄孔內(nèi)各段注水漏失量，通過對單孔內(nèi)各段注水漏失量的對比以及觀測孔與對比孔內(nèi)的注水漏失量的對比來準確測定9105工作面回采后的導(dǎo)水裂隙帶高度，鉆孔設(shè)計參數(shù)及布置，如圖1所示。

圖1 9105工作面導(dǎo)水裂隙帶高度觀測鉆孔布置示意圖

3.2 觀測方法

導(dǎo)水裂隙帶高度觀測鉆孔施工完后決定采用井下導(dǎo)水裂隙帶高度觀測儀進行觀測[3]，觀測時由孔口起自下而上逐段(每段1 m)測試每段巖層的導(dǎo)水性能，一直測試到孔底，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶高度觀測鉆孔觀測示意圖

1) 井下導(dǎo)水裂隙帶高度觀測儀的雙端堵水器，主要由起脹控制臺和注水控制臺進行控制聯(lián)合控制。起脹控制臺和注水控制臺的一端分別連接起脹管路和注水管路，另一端分別與高壓氣源和高壓水源進行連接[4]。

2) 首先通過起脹控制臺使鉆孔內(nèi)雙端堵水器的兩個膠囊處于無壓收縮狀態(tài)；然后利用鉆機鉆桿將雙端堵水器探頭放置到兩個膠囊中部；最后再通過操作起脹控制臺使兩個膠囊處于膨脹狀態(tài)。

3) 通過操作注水控制臺，分別對觀測孔和對比孔兩個膠囊之間空隙進行注水，并通過注水控制臺上的流量表記錄單位時間內(nèi)注水量損失量，然后對比分析，確定該段巖體的透氣性[5]。

3.3 觀測結(jié)果分析

1) 1#觀測孔共觀測42 m，其中前段區(qū)域孔深范圍10 m～29 m，垂高9.4 m～27.25 m，巖層滲水量為9.36 L/min～19 L/min，導(dǎo)水性強，后段區(qū)域孔深范圍29 m～42 m，垂高27.25 m～39.5 m，巖層滲水量為2.5 L/min～3.8 L/min，導(dǎo)水性弱性對較弱。

2) 2#觀測孔共觀測44 m，前段區(qū)域孔深范圍10 m～30 m，垂高9.27 m～28.8 m，巖層滲水量為8.7 L/min～18.2 L/min，導(dǎo)水性強，后段區(qū)域孔深范圍31 m～44 m，垂高28.8 m～40.9 m，巖層滲水量為3.0 L/min～5.1 L/min，導(dǎo)水性弱。

3) 對比孔共觀測44 m，觀測范圍內(nèi)各段巖層的注水漏失量穩(wěn)定，孔深10 m～44 m，垂高8.66 m～38.11 m，巖層滲水量為0.5 L/min～4.7 L/min，導(dǎo)水性弱，巖層保持完整狀態(tài)。

通過兩個觀測孔和對比孔觀測成果綜合分析確定：9105工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度為H=28.8 m。

4 結(jié)語

晉能集團晉城有限公司地測防治水中心通過技術(shù)研究對蓋州煤礦9#煤層9105工作面采取了導(dǎo)水裂隙帶高度井下觀測技術(shù)，通過實際應(yīng)用明確了工作面采空區(qū)頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為28.8 m，解決了傳統(tǒng)方法無法準確獲取裂隙帶高度以及施工難度大等技術(shù)難題，為進一步提高工作面防治水工作效率提供實踐依據(jù)，取得了顯著效益。