导水裂缝带高度的探测研究

摘要　本文介绍了钻孔双端封堵测漏装置首次在井下垂孔探测导水裂缝带高度中的应用及对仪器设备、观测方法进行的技术改进，成功地探测了肥城矿业集团公司杨庄煤矿8608工作面反程序开采后的导水裂缝带发育高度。
关键词　井下垂孔　导水裂缝带高度　探测研究

　　为顺应肥城矿业集团公司杨庄煤矿8608工作面反程序开采的需要，掌握该矿八层煤开采后的导水裂缝带发育高度，判别八层煤开采对七层煤的影响程度，利用8608工作面上方七层煤内已掘进的专用巷道，首次试验研究了钻孔双端封堵测漏装置（专利号90225165.1）在下垂孔内分段注水探测导水裂缝带高度。

1　观测装置、方法及其改进
1.1　观测系统
　　采用钻孔双端封堵测漏装置进行钻孔分段注水观测系统（图1），主要由孔内封堵器和孔外测量仪表两部分构成。孔内封堵器是一个带有双端封堵胶囊的注水探管，用于对所测试孔段两端严密封堵；孔外测试仪表主要包括流量表、压力表及相应的阀门，用以控制封孔注水压力和测量注水流量的大小。两者之间通过两种管路连接：一是使胶囊起胀封孔的充水或充气高压软管；另一是向封堵孔段注水并兼作封堵器支撑杆的钢管。钢管由多根2m长的3／4^＂自来水管用快速密封接头连接而成。

图1　钻孔分段注水观测系统

1.2　观测方法
　　观测时，封堵器在观测孔内按一米一段进行观测，以保证整个钻孔观测段的连续性。在每个孔段上，要首先将高压水或气充入胶囊，使之膨胀封孔，然后才能向孔段注水。注水压力要小于封孔压力，以保证封孔严密，同时注水压力要保持定值，以防止注水流量因压力不同而变化。在下垂孔中测试时，当孔内有水时，一般采用传统的充水法起胀胶囊，以抵消孔内静水压力；当孔内无压水时，则用充气法起胀胶囊，以便于胶囊卸压时收缩。封堵孔段后，如果封堵段的岩层有裂缝，则注水孔段的水将从裂缝漏失，此时通过孔外测试仪表，可测出规定注水压力下每米孔段每分钟时间内的漏失量，并由漏失量大小反映出封堵孔段岩层裂缝的发育程度。测出整个钻孔各段的漏失量后，由漏失量的变化情况确定导水裂缝带高度，并由采前采后观测结果的对比分析，获得开采引起的导水裂缝带高度发育情况。
1.3　观测装置与方法的改进
　　根据钻孔双端封堵测漏装置的推广应用及本次井下垂孔内试验研究的需要，对观测装置与观测方法作了进一步的技术改进，主要有：
　　a　观测装置内的注水管路截面加大，使得裂缝带范围内的注水量由原来的几l/m^.min增大到30～40l/m^.min，解决了原有因注水量小而无法明显反映裂缝带界面的缺陷，使测试结果更直观、明显、可靠。
　　b　由于在下垂孔中测试，当孔内无水时，若仍用充水方式起胀胶囊，因存在静水压力，孔深20m以下，会使胶囊无法卸压收缩。本次试验研究对观测系统进行了改进，变充水为充气 ，首次采用充气方式起胀胶囊，使下垂孔内的封孔和卸压均能成功。用压缩空气起胀胶囊的新方法，同样适用于仰孔测试。用充气法代替充水法，没有静水压差，减轻了对管路承压能力的要求，可改换使用低强度材料的管路，降低重量和成本。

2　观测钻孔的布置与观测
2.1　地层情况与开采条件
　　杨庄煤矿含煤地层为石炭二迭系，共含煤11层。其中稳定可采煤层有七、八、九、十₂层煤，属薄至中厚煤层。岩体主要由深灰色粉砂岩、泥岩和灰色中细砂岩及青灰色石灰岩组成，夹有2～3层泥灰岩，其中有石灰岩四层，层位稳定，易于对比，是重要的标志层。
　　8608工作面开采煤层为八层煤，采厚1.7m，夹有厚度0.27m左右的矸石，煤层顶板为石灰岩，底板为灰白色泥岩。该煤层与七煤层间距平均40.3m，其间岩石主要以砂岩、粉砂岩为主，底部为石灰岩。该工作面位于8600轨道右翼，上部为8606工作面，已回采，下部为F₂₇断层。采煤方法采用走向长壁后退式采煤，高档普采工艺，顶板管理采用缓慢下沉法。
2.2　观测钻孔布置与观测
　　设计垂直钻孔3个。其中1号孔位于开采煤层上方七层煤观测巷的南端尽头，用作原始地层对比孔；2号孔位于该观测巷道中部，离1号孔平距32.5m，作为采后导水裂缝带高度观测孔；3号孔在观测巷的北端，离1号孔平距62m，为采后导水裂缝带高度观测孔及观测结果验证孔。
　　实际施工钻孔5个。其中，1号孔和2号孔在八煤工作面推进至离1号孔80m外时施工完毕，两孔均未受到采动影响破坏，此时孔内水位都保持在孔口不动，表明两孔无任何原始漏水裂缝，1号孔的采前观测深度达30m见底，因孔内有水，采用充水方式起胀胶囊进行采前观测；当八煤工作面推过该两孔位后，孔内原存之水全部漏失。成为干孔，并因种种原因未能使其成为采后观测孔；3号孔于工作面推过其孔位4个月后施工完毕并进行了采后观测；在原2号孔南1m处施工4号孔，以代替2号孔的作用未获得成功，然后在2号孔南8m处施工5号孔，作为采后观测对比孔。3号孔、5号孔均为干孔，采用充气方式起胀胶囊，采后观测孔深分别达到26m和24m。
　　7600观测巷钻孔平面位置见图2。

图2　7600观测巷钻孔位置平面图

　　各钻孔观测结果及两层煤间的岩层情况见图3。

图3　7600观测巷钻孔分段注水漏失量剖面图

3　观测结果分析
　　1号孔采前观测数据表明，各测段内钻孔注水漏失量均为0，说明该孔采前各岩层没有任何原始裂缝，这与该孔采前一直保持孔口水位不降的情况是一致的。
　　3号孔采后观测数据表明，钻孔上部0～17m深度范围内，除在3 m深处有一局部漏水段外，其余各段均不漏水或漏水微弱，从15m深度以下，除25m深度处局部漏水较少外，其余各段均呈较大幅度漏水，漏水量达30l/min左右，明显地呈现导水裂缝带特征。经计算，3号孔观测八层煤开采后的导水裂缝带高度为25m。
　　5号孔采后观测数据表明，钻孔上部0～12m深度范围内，在深度2～3m段和5～8m段两处漏水幅度较大，中间隔有2 m，属微弱漏水 ，未能纵向连通。12m深度以下，除在22m～24m段漏水不大外，其余各段均显示大幅度漏水，漏失量达40l/min左右，呈现出导水裂缝带特征。经计算，5号孔所测八层煤采后导水裂缝带高度为30m。
　　由观测结果分析可知，杨庄煤矿此区域内七层煤至八层煤间的岩层无原始漏水裂缝；而两个采后观测孔因位置、观测时间的差异，导致观测结果出现不完全一致现象，但两孔观测结果互相印证，其平均值表明，八层煤采后的导水裂缝带发育高度为27.5±2.5m；两个采后观测孔导水裂缝带高度上部的局部漏水段为岩体离层裂缝所致,且沿层面横向发展，不与下部导水裂缝带造成纵向导通。
　　观测结果及其分析几经试验比较，证实是准确、可靠的。

4　结束语
　　此次观测是钻孔双端封堵测漏装置首次在井下下垂孔中应用于导水裂缝带高度的探测研究，并取得成功，同时，为适用于垂孔作业要求，首次变充水为充气，并在仪器装置上进行了改进和完善，使其具有更广泛的适用范围和条件 ，推广应用前景更广阔。观测结果准确可靠，观测效果明显。作者简介：成枢，1963年生，副教授，1983年毕业于山东矿业学院，现在山东科技大学特采所从事特殊开采教学和研究工作，曾获省部级科技进步二等奖、三等奖，发表论30余篇。

作者单位：成　枢　孙振鹏　朱　鲁　（山东科技大学）
　　　　　温兴水　曹升华　（山东肥城矿业集团公司）