煤层顶板导水裂隙带发育规律及探放水技术.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０４􀆽 ０１ 作者简介申 龙１９８８ － ꎬ男ꎬ 山西长治人ꎬ助理工程师ꎬ从事生产技术及管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０７. ０１１ 煤层顶板导水裂隙带发育规律及探放水技术 申 龙 潞安环能股份公司 常村煤矿ꎬ山西 长治 ０４６１０２ 摘 要针对常村矿 ２３０５ 工作面回采受顶板砂岩水影响强烈ꎬ根据工作面实际地质条件ꎬ利用回归分析ꎬ 拟合出工作面导水裂隙高度与工作面推进距离的关系式ꎬ确定 ６. ３ ｍ 采高下导水裂隙带发育高度约为 ９５ ｍꎬ基于瞬变电磁法确定工作面主要受 Ｋ８和 Ｋ１０富水区域影响ꎬ并通过钻孔探放水ꎬ消除了工作面顶板 水害隐患ꎬ为矿井安全生产提供了保障ꎮ 关键词导水裂隙高度ꎻ回归分析ꎻ瞬变电磁法ꎻ钻孔设计 中图分类号ＴＤ７４５ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００７􀆽 ００３２􀆽 ０２ 随着我国采煤机械化程度的不断提高ꎬ高产高 效综采技术得到全面推广ꎬ同时由于矿井开采不断 向深部延伸ꎬ矿井水害问题愈加频发ꎬ极大影响了矿 井的安全高效生产[１ －２]ꎮ 许多学者对其进行了相关 研究[３ －５]ꎮ 本文基于常村矿 ２３０５ 工作面水文地质 资料ꎬ对顶板砂岩水控水规律进行研究ꎬ分析了矿井 充水因素ꎬ确定了 ２３０５ 工作面导水裂隙带高度ꎬ由 此进行了顶板富水性探查和探放水技术ꎬ为矿井顶 板水害的防治奠定了基础ꎮ １ 地质概况 常村井田以褶曲为主ꎬ地层倾角 ３ ６ꎬ其中东 部以单斜为主ꎬ伴有近东西向波状起伏ꎬ西部为近南 北向褶曲ꎬ北部和东南部有大断层和陷落柱发育ꎮ 矿井可划分为 １５ 个含水层ꎬ即中奥陶统马家沟组灰 岩岩溶含水层ꎬ太原组 Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５灰岩岩溶裂隙 含水层ꎬ山西组 Ｋ７砂岩裂隙含水层ꎬ３ 号煤层顶板 砂岩裂隙含水层Ｓ４ꎬ下石盒子组 Ｋ８砂岩裂隙含 水层ꎬ上石盒子组基岩风化带裂隙含水层ꎬ基岩风化 带含水层ꎬ第四系下更新统孔隙含水层和中更新统 孔隙潜水含水层等ꎮ 井田内主要隔水层自上而下主 要有本溪组铝土质泥岩隔水层ꎬ３ 号煤层底板隔水 层等ꎮ 据统计ꎬ常村煤矿自建井以来大小涌水点共计 ３６ 个ꎬ其中顶板涌水点合计 ３４ 个ꎬ占总涌水点的 ９４. ４％ꎻ底板 Ｋ２灰岩涌水 １ 次ꎻ陷落柱涌水 １ 次ꎻ断 层带无涌水情况ꎮ 涌水点最大涌水量 ２５０ ｍ３/ ｈꎬ顶 板砂岩涌水量 ５０ ｍ３/ ｈ 以下的涌水点 ２５ 个ꎬ占总涌 水点的 ６９. ４％ꎮ ２３０５ 工作面布置于 ３ 号煤层内ꎬ 煤厚平均 ６. ３ ｍꎬ工作面掘巷期间未发现３ 号煤顶板富水异常 区ꎬ但回采期间揭露有 ａＸｎ８ 陷落柱ꎬ该陷落柱有潜 在导水因素ꎬ依据矿井地质资料和物探等技术确定ꎬ 导水水源为 Ｋ８、Ｋ１０顶板砂岩水ꎬ同时该工作面属于 承压开 采 区 域ꎬ３ 号 煤 底 板 标 高 为 ＋ ４０８. ０ ＋４３０. ０ ｍꎬ矿井奥灰水水位标高为 ＋ ６３９ ｍꎬ带压 高度为 ２０９. ０ ２３１. ０ ｍ 水柱ꎬ 隔水层厚度为 ７３. ３３ ｍꎬ突水系数为 ０. ０２６ ＭＰａ/ ｍꎬ因此须重视水 患防治ꎮ ２ 矿井充水因素分析 基于矿井地质资料和已有突水点监测分析ꎬ确 定矿井充水通道如表 １ 所示ꎮ 表 １ 矿井充水通道分析 充水通道说明 采动裂隙 共计 ３４ 次顶板涌水ꎬ尤其是初次和周 期来压期间ꎮ 断层、褶曲等 背、向斜轴部形成了地下水的富水条 带ꎬ揭露的断层带暂时未发生突水ꎮ 陷落柱等地质异常体 一般不富水或富水性极弱ꎬ一旦富水ꎬ 则对矿井开采影响较大ꎮ 封闭不良的钻孔 易沟通多个含水层ꎬ各含水层间产生水 力联系的通道ꎮ 基于表 １ 可知ꎬ３ 号煤层突水主要受到褶曲构 造尤其是向斜构造以及采动的影响ꎬ基于 ３ 号煤层 相关工作面的统计调查ꎬ工作面发生较大突水水源 来源于 Ｋ８和 Ｋ１０砂岩水ꎮ ３ 导水裂缝带高度分析 基于 ２３０５ 工作面实际地质条件ꎬ通过采用回归 分析方法进行顶板覆岩导水裂隙发展分析ꎬ获得 ２３ 实实用用技技术术 总第 ２５１ 期 ６. ３ ｍ采高下顶板导水裂隙发育规律ꎬ如图 １ 所示ꎮ 分析图１ 可知ꎬ在６. ３ ｍ 采高条件下ꎬ工作面导 水裂隙高度与工作面推进距离呈现非线性关系ꎬ因 此基于数值计算软件获得 ４ 阶多项式拟合公式ꎬ如 式１所示ꎬ具体拟合示意如图 ２ 所示ꎮ ｙ ＝３ｅ －７ｘ４ －２ｅ －４ｘ３ ＋３. ９２ｅ －２ｘ２ －２. ２２３ ８ｘ ＋４１. ８３ １ 图 １ 顶板导水裂隙发育规律 图 ２ 顶板导水裂隙发育规律数据拟合示意 分析图 ２ 可知ꎬ在工作面回采初期ꎬ导水裂隙发 育缓慢ꎬ当工作面推进至１００ ｍ 时ꎬ导水裂隙高度开 始急剧上升ꎬ并在回采至１６０ ｍ 之后ꎬ覆岩导水裂隙 发展趋于平稳ꎬ稳定值约为 ９５ ｍꎮ 由此得出ꎬ２３０５ 工作面覆岩导水裂隙带发育高度基本处于 ９５ ｍ 左 右ꎬ已超过隔水层厚度ꎬ因此在工作面回采前必须进 行覆岩顶板砂岩水的探放作业ꎮ ４ 探放水技术方案 ４. １ 顶板探放水设计原则 为保证探放水工作的安全高效ꎬ基于工作面实 际地质状况ꎬ制定以下探放水设计原则 １ 设计采取多打孔、多穿含水层、打钻方向 尽可能垂直水位等高线以便在各含水层增加穿越距 离ꎬ尽量在构造发育地段及工作面向斜轴部打孔的 方法进行ꎮ ２ 探放水位置应为地质、水文地质分析和地 球物理勘探确定的富水区域ꎬ即褶曲向斜和背斜 构造轴部尤其是向斜轴部位置、断裂构造发育地带 和陷落柱发育位置以及瞬变电磁勘探确定的富水异 常区ꎮ ３ 目前矿井煤层顶板 Ｋ１０含水层的钻孔单位 涌水量为 ０. ５８ꎬ顶板钻孔的影响半径约 ６０ ｍꎬ即正 常情况下顶板探放水钻孔间距约 １２０ ｍꎬ同时顶板 探放水垂直高度约为 ９５ ｍꎬ即顶板探放水含水层应 为煤层顶板 Ｓ４、Ｋ８和 Ｋ１０砂岩含水层ꎮ ４. ２ 顶板探放水工艺 根据探放水设计原则ꎬ首先进行 ２３０５ 工作面瞬 变电磁勘探ꎬ确定工作面的富水异常区ꎬ图 ３ 所示为 ３ 号煤层 Ｎ３采区 Ｋ８、Ｋ１０、Ｓ４砂岩水富集区域ꎬ其中 ２３０５ 工作面位置已用圆圈圈出ꎮ 图 ３ Ｎ３ 采区 Ｋ８、Ｋ１０、Ｓ４砂岩水富集区域示意 分析图 ３ 可知ꎬＮ３ 采区富水区域主要集中于测 区的北部及西南部ꎬ在中部砂岩裂隙发育相对较弱ꎬ 其中 ２３０５ 工作面主要受到 Ｋ８和 Ｋ１０砂岩富水区域 影响ꎮ 基于上述富水区域分布情况ꎬ对 ２３０５ 工作面进 行了钻孔设计和探放水ꎬ如图 ４ 所示为向斜轴部、富 水异常区的复合等部位设计的 ２３ 个钻孔布置示意ꎮ 图 ４ 钻孔布置示意 通过对现场钻孔数据统计分析ꎬ在排除水患因 素的同时确定①位于褶曲构造轴部尤其是向斜轴 部的钻孔ꎬ其探放水量较大ꎻ②地面瞬变电磁勘探确 定的富水异常区中ꎬ除有一处富水异常区正好位于 向斜轴部外ꎬ其它富水异常区施工的钻孔ꎬ其探放水 量均较小或基本无水ꎻ③２３０５ 工作面顶板探放水量 为 ２４１. ９１ ｍ３/ ｈꎬ 大于估算的顶板 正 常 涌 水 量 １８８. ７０ ｍ３/ ｈꎬ实际探放的水量与估算的正常涌水量 不太吻合是由于 ２３０５ 位于矿区的底部ꎻ④所有探放 水钻孔中期涌水量较大ꎬ但过数天后涌水量明显减 少ꎬ表明顶板砂岩裂隙水以静储量下转第 ５７ 页 ３３ ２０２０ 年 ７ 月 申 龙煤层顶板导水裂隙带发育规律及探放水技术 第 ２９ 卷第 ７ 期 每个 Ｂ 类孔自孔底开始注水ꎬ直至钻孔端部ꎬ 每孔注水重复 ５ 次ꎬ注水位置参数如表 ３ 所示ꎮ 表 ３ Ｂ 类孔注水深度 序号１２３４５ 压裂距离/ ｍ１８１４１０６４ ３. ３ 水力压裂矿压显现规律 选取相邻工作面矿压规律与 １５２０３ 工作面试验 段矿压规律进行对比ꎬ对比结果如图 ３ 所示ꎮ 由图 ３ 可知ꎬ邻近工作面在未实施水力压裂技术时工作 面初次来压步距 ３５ ｍꎬ周期来压步距 １４ ｍꎻ１５２０３ 工作面实施水力压裂后初次来压步距 ２６ ｍꎬ周期来 压步距 ９ ｍꎬ与未进行水力压裂相比ꎬ实施水力压裂 技术后ꎬ工作面初次来压步距减小 ９ ｍꎬ周期来压步 距减小 ５ ｍꎬ大幅减小了工作面悬顶面积ꎬ有效减低 了工作面冒顶风险ꎮ 图 ３ 水力压裂前后工作面矿压分布规律 ４ 结 语 １ 理论分析结果表明ꎬ水力压裂弱化煤岩体 主要包括裂纹扩展形状、裂纹扩展方向、裂纹扩展数 量、裂纹扩展速度等方面ꎬ在弱化煤岩体时应当在施 工过程中防止弱化液沉降以保证裂纹扩展效果ꎮ ２ 现场试验结果表明ꎬ水力压裂弱化顶板煤 岩体后ꎬ顶板初次垮落步距缩短了９ ｍ 左右ꎬ周期来 压步距缩短了 ５ ｍ 左右ꎬ有效降低了工作面垮落步 距ꎬ解决了坚硬顶板大面积悬顶的难题ꎮ 参考文献 [１] 孟宪瑞ꎬ李建民. 现代放顶煤开采理论与实用技术 [Ｍ]. 徐州中国矿业大学出版社ꎬ２００１. [２] 高 魁ꎬ刘泽功ꎬ刘 健ꎬ等. 深孔爆破在深井坚硬复 合顶板沿空留巷强制放顶中的应用[Ｊ]. 岩石力学与 工程学报ꎬ２０１３ꎬ３２８１ ５８８ －１ ５９４. [３] 索永录ꎬ李得玺ꎬ李振明ꎬ等. 坚硬煤层大放高综放面 顶煤顶板活动特征[Ｊ]. 矿山压力与顶板管理ꎬ２００２ １７５ －７６ꎬ７８. [４] 张 亮ꎬ解兴智. 浅埋煤层坚硬顶板初采爆破放顶研 究[Ｊ]. 煤矿开采ꎬ２０１４ꎬ１９１８３ －８６. [５] 赵晋军. 坚硬顶板综采工作面爆破放顶技术研究[Ｊ]. 煤炭工程ꎬ２０１９ꎬ５１８５６ －５９. [６] 杜春志. 煤层水压致裂理论及应用研究[Ｄ]. 徐州中 国矿业大学ꎬ２００８. [责任编辑常丽芳] 􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆 上接第 ３３ 页为主ꎬ补给量不大ꎬ变化形式基本呈 初期少中期大后期少的趋势ꎮ ５ 结 语 １ 在 ６. ３ ｍ 采高条件下ꎬ确定了工作面导水 裂隙高度与工作面推进距离拟合关系式ꎬ并基于拟 合关系式确定在回采至 １６０ ｍ 后ꎬ覆岩导水裂隙稳 定在 ９５ ｍ 左右ꎮ ２ 基于瞬变电磁勘探确定 Ｎ３ 采区富水区域 主要集中于测区的北部及西南部ꎬ中部砂岩裂隙发 育相对较弱ꎬ其中 ２３０５ 工作面主要受到 Ｋ８和 Ｋ１０砂 岩富水区域影响ꎮ ３ 通过布置钻孔探放水ꎬ确定工作面集水形 式主要以静储量为主ꎬ且褶曲构造轴部尤其是向斜 轴部区域水量大ꎬ涌水量变化呈现初期少中期大后 期少的趋势ꎮ 参考文献 [１] 张立辉ꎬ李 伟ꎬ范文胜. 补连塔煤矿隐蔽致灾因素定 向钻孔探查及防治技术[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６ ４４６ －５１ꎬ５７. [２] 张 杰ꎬ姚宁平ꎬ李乔乔. 煤矿井下定向钻进技术在矿 井地质勘探中的应用[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１３ꎬ４４１０ １３１ －１３４. [３] 孔 伟. 定向长钻孔在小沟煤矿探放水中的应用[Ｊ]. 煤矿机械ꎬ２０１８ꎬ３９８１４３ －１４５. [４] 豆旭谦ꎬ魏廷双ꎬ王 力ꎬ等. 定向钻进技术在张集煤矿 掩护巷道掘进探放水中的应用[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１８ꎬ４９ ９１８７ －１９０ꎬ１９４. [５] 成永斌. 多采空区覆盖下远距高精度超前探放水技术 的应用[Ｊ]. 采矿技术ꎬ２０１８ꎬ１８６９３ －９５. [责任编辑常丽芳] ７５ ２０２０ 年 ７ 月 刘丽俊石港煤业 １５２０３ 综放面坚硬顶板水力压裂技术研究 第 ２９ 卷第 ７ 期