导水裂隙带高度观测系统及工程应用

武 磊

（阳煤寺家庄煤业有限责任公司， 山西 晋中 045300）

引言

在煤矿开采过程中，由于采动作用，开采空间周围的煤岩体将会受到不同程度的采动影响，在导水裂隙带高度研究方面，学者们[1-6]做了大量相关工作，主要包括现场实测、理论计算、经验公式、相似材料模拟、相似地质条件对比和数值分析等。目前常用的实测方法有钻孔双端堵水法、钻孔超声成像探测法、岩层移动钻孔探测法、电视成像探测技术、孔间无线电波透测法等。其中，后几种方法要求设备防爆，并且操作复杂，因此钻孔双端堵水法由于其施工简单、安全可靠和观测结果直观易懂等优点得到普遍应用。

1 导水裂隙带高度观测系统

如图1所示为改进的分段封堵注水导高观测系统，主要包括前端探测系统、动力推进系统、水源供给系统和封堵系统4部分。

图1 钻孔多段封堵注水导高观测系统

多段封堵注水导高观测系统不仅具有测试方式的高效性和测试结果的精确性，而且具有探测过程的同步性，包括探测的同步性和供给的同步性。探测的同步性是指探测系统可以对多个探测单元同步测量，并且随着探测系统的不断推进可保持探测结果的连续性。供给的同步性是指在探测单元进行探测过程中，水源供给系统可以按照预先设定的水压差，通过压力调节阀给探测单元进行水源的自动补给。

2 工程概况

2.1 地质条件

寺家庄矿15101工作面西南侧煤层埋深在500 m左右，煤层平均倾角为6°，煤层厚度在1.4～6.7 m之间，平均厚度为5.5 m；煤层结构简单，属较稳定煤层（见表1）。上覆顶板以灰白色的中粒石英砂岩为主，属于中硬岩层；下部直接底板为细、粉砂岩；采用随采随垮的全部垮落法顶板管理方式。

2.2 导水裂隙带高度预计

由于煤层上覆岩层为中砂岩、泥岩、砂质泥岩、属于中等稳定岩层。根据本井田勘探资料和实际开采情况，按顶板为中硬岩层考虑，对工作面开采后的垮落带和导水裂隙带最大发育高度进行预计。

表1 煤层和顶底板岩层综合柱状图及岩层属性

1）预计垮落带最大高度：

式中：H跨为垮落带最大高度，m；∑m为累计采厚，2.78 m。

代入数据计算得：H跨=8.7 m±2.2 m，即垮落带最大高度预计为6.5～10.9 m。

2）预计裂隙带最大发育高度：

式中：H裂为裂隙带最大发育高度，m；

代入数据计算得：H裂=34.7 m±5.6 m，即裂隙带最大发育高度预计为29.1～40.3 m。

对采场导水裂隙带发育高度进行现场观测，为防止出现导水裂隙带高度过大等异常情况，钻孔在实际施工过程中应适当加大钻孔深度，至少延长10 m孔段的深度，以便测出一定长度的不漏水孔段，作为确定导水裂隙带顶界的依据。

3 导水裂隙带实际观测

3.1 观测方案和钻孔布置

根据开采现场巷道及工作面的布置情况，在首采面附近巷道施工观测钻孔。根据导水裂隙带发育高度计算结果可知导水裂隙带最大高度为40.3 m。因此，为保证观测结果准确，观测孔在裂隙带最大高度基础上再延伸7～10 m，本次观测布置布置采前、采后各布置2个观测钻孔。

15101工作面采后覆岩导水裂缝带发育高度现场观测采用顶板导水裂缝带多段封堵同步测漏系统完成。探测系统分为2段式同步测量，每段探测长度2.0 m，即每次推进可观测长度为4.0 m。

3.2 观测结果

对寺家庄矿首采面采前、采后钻孔随深度变化的注水漏失量实测数据进行统计。

3.2.1 采前钻孔实测数据分析

1～5 m段漏水量突增，由于钻孔施工扰动的影响，使岩层受到一定程度的破坏，造成水源漏失量较其他稳定岩层大；21～25 m和33～37 m孔深段，漏水明显，最大漏水量分别为4 L/min和3.8 L/min，该孔深范围内受前期施工扰动和围岩松动圈的影响较小，主要原因该范围内的砂岩层局部原生裂隙发育；采前孔2号钻孔在40～45 m孔深段，与1号钻孔相比，数据又有小范围的起伏，可能是由于钻孔注水推进时，数据采集误差造成的，可以忽略；其他钻孔深度的注水漏失量基本小于1.5 L/min，说明该范围内的顶板岩层的完整性较好，原生裂隙基本不发育。

3.2.2 采后钻孔实测数据分析

采后钻孔1号的漏水量较采前孔明显增多，并且数据的波动性较大，突增变化段增加。在0～20 m、31～55 m孔深范围内，漏水量明显突增，平均值在15 L/min以上，说明该段岩层已遭到破坏，其中，在孔深37～45 m段，漏水量最大，漏失量约为20～27 L/min，说明岩层破坏最为严重，尤其39 m孔深处，漏水量达到最大值27 L·min-1。在孔深57～65 m段，钻孔漏水量明显减少，大致为0～4 L/min。因此，在采后1号孔观测结果表明，孔深55 m为实测裂缝带的上界，按照钻孔倾角75°计算，从煤层顶界到此处的垂高为38.5 m。

采后孔2号的注水漏失量在13～19 m范围内呈连续漏水状态，并且漏水量远远超过其他钻孔的最大漏水量，因此，以理论计算结果作为参考，可以推测该范围在冒落带，以孔深19 m为冒落带最大发育高度，按照钻孔倾角45°计算，从煤层顶界到此处的垂高为9.3 m。其他段漏水量变化趋势与采后孔1号基本一致。

根据以上开采前后钻孔漏失量变化，最大裂隙带发育高度为2号采后孔，导水裂隙带发育高度为45.9 m。

4 结论

1）理论计算的导水裂隙带最大高度要略大于现场实测值，而最小预测值偏小。因此，在确定导水裂隙带高度时，可在理论预测的基础上进行现场实测，以进一步验证和确定结果的准确性。

2）通过对首采面垮落带和弯曲下沉带理论计算和使用多段双端堵水器进行测定导水裂隙带的现场实践，合理确定了导水裂隙带的高度为45.9 m，对指导该煤层开采的合理设计和施工、防治顶板突水具有重要的参考意义。