郭鵬舉，張澤新

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 望云煤礦分公司，山西 晉城 048400)

導(dǎo)水裂隙帶是指開采煤層上方一定范圍內(nèi)的巖層發(fā)生垮落和斷裂，產(chǎn)生裂縫，且具有導(dǎo)水性的巖層范圍[1]。在下組煤開采中，導(dǎo)水裂隙帶是溝通上部老空水和頂板水的導(dǎo)水通道，是導(dǎo)致礦井水害的直接原因之一。準(zhǔn)確探測導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度和規(guī)律對于防止煤礦水害事故的發(fā)生具有重要意義。

1 確定導(dǎo)水裂隙帶高度的常用方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主要是依據(jù)采高、覆巖巖性、煤層傾角等因素，國內(nèi)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度比較有權(quán)威性的公式是國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)中提供的經(jīng)驗(yàn)公式[2]。但是規(guī)范給出公式和局限性有兩點(diǎn)：①對于厚煤層僅適用于分層開采方法下的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算，而目前國內(nèi)很多煤礦對厚煤層已經(jīng)采用綜合機(jī)械化一次采全高或綜采放頂煤采礦法；②對于多煤層重復(fù)采動導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算精度還沒有得到生產(chǎn)實(shí)際的及時驗(yàn)證。因此，經(jīng)驗(yàn)公式法并不適用于所有煤礦，且其計(jì)算的精度較低。

1.2 地面鉆孔探測法

在導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)發(fā)育穩(wěn)定的采空區(qū)上方進(jìn)行地面鉆孔，通過觀察鉆進(jìn)過程中的沖洗液漏失量、水位變化以及在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的掉鉆、異常進(jìn)尺等各種異?，F(xiàn)象判斷導(dǎo)水裂隙發(fā)育帶高度。該方法應(yīng)用較多，有工作環(huán)境好、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)；但不足在于容易受到破碎帶、巖溶發(fā)育地層的干擾，對于上組煤開采完畢后，不易探測下組煤開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶[3]。

1.3 鉆孔電視探測法

鉆孔電視法在地面鉆孔和井下仰斜鉆孔均可適用，它是使用監(jiān)控?cái)z像技術(shù)觀察鉆孔孔壁地質(zhì)條件的一種測井方法。該方法通過監(jiān)視器實(shí)時觀察拍攝畫面，確定孔壁巖性及孔壁的裂隙、巖溶、破碎帶的大小及分布情況，故可以利用鉆孔電視觀測孔壁的破壞情況，研究導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。但是鉆孔電視只能在孔內(nèi)沒有積水或積水透明的裸孔中對孔壁進(jìn)行觀察[4]。

1.4 井下仰斜鉆孔注水法

在導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)發(fā)育穩(wěn)定的工作面周邊，向采空區(qū)上方的覆巖導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)打仰斜鉆孔，采用雙端堵水器觀測導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。與傳統(tǒng)的地面打鉆孔，采用鉆孔沖洗液消耗量觀測法相比，該方法工程量小、成本低、精度高、簡單易行，是近年來國內(nèi)新興的導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測方法。整個觀測儀器由三部分組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺，如圖 1所示。起脹控制臺、起脹管路和雙端堵水器的兩個膠囊相連通，構(gòu)成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統(tǒng)；注水控制臺、注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構(gòu)成一個控制和觀測巖層導(dǎo)水性的注水觀測系統(tǒng)。試驗(yàn)中通過對分隔出的一段鉆孔進(jìn)行注水觀測，觀測出這段巖層單位時間的注水滲流量，從而測試出這段巖層的透水性能，進(jìn)而確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育層位和高度。

1.5 井下仰斜鉆孔電阻率動態(tài)監(jiān)測法

在待回采工作面周邊，在面向工作面回采的方向上斜向上打仰斜鉆孔，然后在孔內(nèi)埋設(shè)電阻率動態(tài)監(jiān)測線纜和電極。該方法不僅可以對導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行確定，還可以得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，也是近年來國內(nèi)新興的導(dǎo)水裂縫帶探測方法。該方法根據(jù)巖石的電阻率差異，當(dāng)煤層采動引起覆巖破壞導(dǎo)致巖石的孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時必然導(dǎo)致上覆巖層原有電場特征和電阻率發(fā)生改變，試驗(yàn)中通過監(jiān)測電阻率變化特征來分析導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度和變化規(guī)律[5]。

圖1 井下仰斜鉆孔注水法實(shí)測導(dǎo)水裂隙帶示意

2 望云礦導(dǎo)水裂隙帶探測方法探討

2.1 工程背景

望云礦井田東區(qū)3號煤層目前已經(jīng)回采完畢，由15號煤層接續(xù)3號煤層生產(chǎn)迫在眉睫。但是15號煤層部分工作面上覆3號煤層局部采空區(qū)存在一定量的積水，且3號至15號煤層在井田部分區(qū)域?qū)娱g距較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的15號煤層導(dǎo)水裂縫帶可能溝通局部3號煤層采空區(qū)，采空區(qū)積水可能成為15號煤層開采的水患因素。而望云礦現(xiàn)有的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度評價(jià)準(zhǔn)確度不高，難以較為準(zhǔn)確地對3號煤層采空區(qū)積水影響下15號煤層開采安全性進(jìn)行評價(jià)。因此，需要對15號煤層工作面回采期間形成的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行專項(xiàng)研究和探測。根據(jù)望云礦實(shí)際情況，筆者設(shè)計(jì)出探測望云礦導(dǎo)水裂隙帶鉆孔布置方案和三種方法。

2.2 鉆孔布置方案

由于望云礦現(xiàn)開采的15號煤層上部已形成3號煤層采空區(qū)，因此地面鉆孔探測法并不適用，擬在井下施工4個仰斜鉆孔，采用不同方法對15號煤層導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行探測。在15102工作面回風(fēng)巷道內(nèi)(切眼附近)設(shè)置觀測鉆場，向15101工作面施工鉆孔LD-1和LD-2，在15103工作面回風(fēng)巷道南部450 m處，施工鉆孔LD-3和LD-4，觀測鉆場選擇及鉆孔布置平面圖如圖2、圖3所示，剖面如圖4、圖5所示。

2.3 導(dǎo)水裂隙帶探測方法

結(jié)合望云礦實(shí)際情況，經(jīng)過比選和分析，確定在望云礦15號煤層井下采用鉆孔電視探測、井下仰斜鉆孔注水和井下仰斜鉆孔電阻率動態(tài)監(jiān)測三種方法對導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行綜合探測。

圖2 LD-1、LD-2布置平面

圖3 LD-3、LD-4布置平面

圖4 “導(dǎo)高”觀測鉆孔(LD-1、LD-2)布置剖面(A-A′)

圖5 “兩帶”觀測鉆孔(LD-3、LD-4)布置剖面(B-B′)

針對15101工作面導(dǎo)水裂隙帶探測孔LD-1、LD-2為采后孔，相距30 m，鉆孔各要素一致，兩孔互相對比和驗(yàn)證，鉆孔形成后依次進(jìn)行導(dǎo)高觀測儀進(jìn)行井下仰斜鉆孔測量、鉆孔電視窺測工作。

針對15103工作面導(dǎo)水裂隙帶探測孔LD-3、LD-4為采前鉆孔，LD-3鉆孔專門探測垮落帶各個地質(zhì)要素，鉆孔形成后埋設(shè)電阻率傳感器后封孔，在回采中、回采后進(jìn)行電阻率動態(tài)監(jiān)測；LD-4鉆孔探測垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶，可以和15101工作面“導(dǎo)水裂隙帶”探測孔進(jìn)行回采前后的對比，通過井下電視影像和導(dǎo)高觀測儀注水漏失量的對比，來確定15號煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度?；夭汕笆褂脤?dǎo)高觀測儀進(jìn)行井下仰斜鉆孔測量導(dǎo)高和鉆孔電視窺測，然后埋設(shè)電阻率傳感器后封孔，在回采中、回采后進(jìn)行電阻率動態(tài)監(jiān)測。

3 結(jié) 語

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特點(diǎn)受煤礦地質(zhì)條件、開采方法影響很大，發(fā)育高度的規(guī)律具有區(qū)域性的特點(diǎn)，應(yīng)具體區(qū)域具體分析、“因礦制宜”，經(jīng)過試驗(yàn)綜合研究，確定適合本地區(qū)、本礦的導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式。

以望云礦為例，通過鉆孔電視探測、井下仰斜鉆孔注水和井下仰斜鉆孔電阻率動態(tài)監(jiān)測三種方法對導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行綜合探測，確定15號煤層采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度和發(fā)育規(guī)律，對望云礦防治水工作具有重要意義。