王龍龍

(山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046200)

導(dǎo)水裂縫帶是頂板水害防治和水體下采煤安全與否的關(guān)鍵因素，其發(fā)育高度與開采工藝、煤層厚度、傾角、煤系地層覆巖結(jié)構(gòu)類型等息息相關(guān)。經(jīng)過多年的研究實(shí)踐，目前我國對各類型煤層及不同開采工藝條件下開采導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律都有了較為準(zhǔn)確的掌握，取得了很多重要成果，涵蓋了薄煤層、厚煤層以及特厚煤層，開采工藝上包括普采、綜采、分層綜采以及綜放等，保障了煤礦水體下安全開采和頂板水害的綜合防治[1-5]。文獻(xiàn)[6-7]收集了導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測值，并統(tǒng)計(jì)分析歸納了不同開采工藝和覆巖條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗(yàn)公式。厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶研究方面，朱偉[8]等通過實(shí)測研究了潞安礦區(qū)厚煤層綜放裂縫帶發(fā)育規(guī)律，并與分層開采裂縫帶進(jìn)行了對比分析。文獻(xiàn)[9]采用實(shí)測和物理模擬研究了彬長礦區(qū)特厚煤層綜放開采裂縫帶發(fā)育規(guī)律。文獻(xiàn)[10-12]分別通過多種方法綜合研究了淮南、康平以及龍口礦區(qū)厚煤層綜放覆巖破壞規(guī)律。理論研究方面，許家林等[13]提出通過關(guān)鍵層位置來確定導(dǎo)水裂隙帶高度的方法；文獻(xiàn)[14-15]采用裂縫帶實(shí)測成果進(jìn)行了水體下開采防治水工程實(shí)踐。

研究實(shí)踐表明，導(dǎo)水裂縫帶高度的現(xiàn)場原位探測是精度最可靠的一種方法，用來指導(dǎo)本井田頂板水害防控更具有針對性和指導(dǎo)意義。石泉煤礦近期規(guī)劃開采井田內(nèi)濁漳河下壓煤資源，礦井缺乏本井田綜放開采導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測資料。本文以該礦30105工作面為觀測試驗(yàn)工作面，采用地面鉆探水文觀測和鉆孔電視方式探測了綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度和鉆孔內(nèi)裂隙直觀展布特征，為本工作面停采線區(qū)域濁漳河下安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 開采技術(shù)條件

石泉煤礦位于沁水煤田東南部潞安礦區(qū)北緣，煤系地層為典型的石炭二疊系沉積，厚濕陷性黃土蓋層，部分區(qū)域剝蝕嚴(yán)重、基巖直接出露。主采下二疊系山西組3#厚煤層，厚度為5.75～6.05 m，平均厚6.0 m，傾角約8°～20°。采煤方法采用長壁后退式綜采放頂煤一次采全高開采工藝，頂板管理采用全部垮落法。試驗(yàn)工作面30105位于301盤區(qū)南翼，四周均為實(shí)體煤，工作面寬度為236 m，推進(jìn)長度為1 640 m，其中停采線上部為濁漳河。工作面上方地勢高低落差較大，地面標(biāo)高約為+888～+960 m，煤層底板標(biāo)高約為+470～+580 m，第四系厚約2～20 m。頂板覆巖主要以各類砂巖、泥巖和砂泥巖為主，交互沉積。

2 觀測方案

本次采用地面鉆探水文觀測和探孔內(nèi)鉆孔電視相結(jié)合方式，通過在采空區(qū)代表性的位置施工鉆孔(常規(guī)地質(zhì)勘探鉆機(jī)具可滿足施工要求)，觀測鉆進(jìn)過程中水文參數(shù)，包括沖洗液消耗量、鉆孔水位、注水試驗(yàn)以及異常鉆探現(xiàn)象，可以準(zhǔn)確測定水文參數(shù)隨鉆探深度的變化規(guī)律，探測方法示意如圖1所示。地面布孔原則參考文獻(xiàn)[16]。為了保證測點(diǎn)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育最充分，在推進(jìn)方向上，觀測鉆孔位置距離切眼超過200 m，在工作面寬度方向上在工作面膠帶順槽和軌道順槽內(nèi)側(cè)約20 m布置2孔，觀測孔設(shè)計(jì)位置如圖2所示。

圖2 裂縫帶觀測孔布設(shè)圖

在進(jìn)行完鉆探進(jìn)尺及相關(guān)水文觀測工作之后，采用高清鉆孔電視手段直觀觀察記錄孔內(nèi)自地表向采空區(qū)孔內(nèi)裂縫發(fā)育情況。

3 觀測成果分析

根據(jù)鉆探過程中的水文觀測資料，進(jìn)行了總結(jié)分析，其中1#孔鉆進(jìn)過程中實(shí)測水文觀測成果如表1所示。

表1 1#觀測孔簡易水文觀測成果表

根據(jù)鉆孔過程水文觀測分析成果，繪制了不同水文參數(shù)隨鉆孔深度的變化曲線，可以直觀掌握水文參數(shù)隨孔深不斷向煤層采空區(qū)接近變化情況，各孔水文參數(shù)隨孔深變化如圖3所示。

圖3 鉆孔水文參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系圖

導(dǎo)水裂縫帶高度主要是根據(jù)鉆進(jìn)過程中簡易水文觀測結(jié)果確定的，包括上下鉆動(dòng)水位、沖洗液消耗量及相關(guān)層段的注水試驗(yàn)結(jié)果。以1#孔為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1#孔實(shí)探第四系松散層厚度2.6 m，下套管深度為34 m。在鉆進(jìn)深度260 m以上，鉆進(jìn)過程孔內(nèi)沖洗液循環(huán)正常，消耗量非常小，約為0.01～0.25 m3/h(每鉆進(jìn)1 m沖洗液消耗量)，觀測提鉆后水位為13.5～56.2 m?？梢钥闯鲈摱蔚貙又性严恫话l(fā)育，巖層導(dǎo)水性較差。

260～300 m孔深區(qū)間內(nèi)，沖洗液消耗量消耗較小，約為0.06～0.25 m3/h，正常返漿，提鉆后孔內(nèi)水位有下降趨勢，下降幅度較小，注水試驗(yàn)顯示漏失量不大，約為0.3～1.8 m3/h，常水位注水水位可抬至孔口。孔內(nèi)視頻顯示局部層段原生裂隙極為發(fā)育，如圖4所示，但發(fā)育層位在縱向上連通性情況較少。

圖4 1#孔內(nèi)不同深度地層裂隙

300 m以下進(jìn)尺，沖洗液消耗量增加現(xiàn)象明顯，約為0.08～1.6 m3/h，雖然可以正常返漿，但泵壓較大，孔內(nèi)返漿量明顯減小。提鉆后水位下降較快，達(dá)到24～86 m。注水漏失量較大，達(dá)到0.43～7.8 m3/h。提取巖芯顯示極為破碎,特別在304.3 m處孔內(nèi)有氣體溢出現(xiàn)象，種種顯示鉆孔深度304.3 m處已聯(lián)通下方采空區(qū)裂縫帶。為保證觀測結(jié)果用于工程的可靠性，將上一鉆次299.49 m作為裂隙帶發(fā)育頂界面。

通過綜合分析各水文觀測數(shù)據(jù)成果以及鉆孔內(nèi)電視裂隙發(fā)育情況和異常鉆探現(xiàn)象，按照變化的起點(diǎn)作為確定導(dǎo)水裂縫帶高度的依據(jù)，1#孔導(dǎo)水裂縫帶觀測成果如表2所示。裂縫帶發(fā)育空間形態(tài)如圖5所示。

表2 導(dǎo)水裂隙帶觀測成果表

圖5 30105工作面裂隙帶發(fā)育形態(tài)圖

4 綜放開采裂縫帶發(fā)育特征

石泉煤礦地理位置屬于山西沁水煤田潞安礦區(qū)，其開采地質(zhì)采礦條件與相鄰潞安礦區(qū)其他煤礦相差無幾，開采煤層均為二疊系下統(tǒng)山西組3#厚煤層，工藝均為綜采放頂煤，全部陷落法管理頂板，可將類似地質(zhì)采礦條件下厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶觀測結(jié)果進(jìn)行類比分析，如表3所示。

由表3可知，石泉煤礦所在沁水煤田潞安礦區(qū)綜放開采導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測結(jié)果具有較好的集中性。在采厚5.2～6.0 m情況下，實(shí)測裂縫帶絕對高度達(dá)到頂板以上102.27～117.54 m，綜合各礦裂采比均值為19.5。采用回歸方法，獲取導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)所示：

表3 潞安礦區(qū)綜放覆巖破壞實(shí)測結(jié)果

Hli=20M

(1)

式中，M為煤層綜放有效采厚，m?？梢宰鳛楸揪飪?nèi)地表河流水體下采煤防水安全煤巖柱的留設(shè)依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)石泉煤礦3#厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測高度為頂板以上114.51～117.54 m，裂采比為19.09～19.59，厚煤層綜放頂板裂隙帶高度發(fā)育劇烈。綜合潞安礦區(qū)綜放裂縫帶實(shí)測資料，綜放裂縫帶高度與采厚基本成正比。

(2)獲得了本礦井綜放裂隙帶計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，為下一步礦井濁漳河下壓煤資源開采和頂板水害防治提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。