XX煤矿导水裂隙带高度探测方案

微山昭阳煤矿63209工作面提高开釆上限

导水裂隙带高度观测方案山东科 技大学

新光集团有限公司昭阳煤矿

二o —二年五月

微山昭阳煤矿63209工作面导水裂隙带高度观测方案

目

1录生产地质条件...............................................1

1. 1工作面位置及井上下关系..................................... 1

1. 2 觀........................................................ 1

1. 3顶底板特征................................................. 1

1. 4 ±也质构造....................................................1

1. 5水文地质................................................... 2

1. 6影响回采的其它因素.........................................22

3观测方法选择...............................................3 导水裂隙带发育高度预计.................................... 5

3.1 覆岩破坏最大高度预计...................................... 5

3.2 覆岩最大破坏高度形成时间预计.............................. 5

3.3 S 岩破坏带形态预计........................................ 5

4 观测布置方案...............................................6

5观测工程实施要求...........................................7

5. 1井下钻窝的施工............................................. 7

5. 2井下仰孔的施工............................................. 7

5. 3井下仰孔分段注水观测....................................... 7

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1. 1生产地质条件工作面位置及井上下关系

63209工作面位于井田西部西六采区，东以F4断层保护煤柱线为界，西以F5 断层保护煤柱线为界，南部以63209工作面回风顺槽为界，北部以63209工作面 运输顺槽为界，垂深46米，走向长160米，倾向长103米，面积16480平方米。 工作面为新布釆区，东部临近西六采区运输上山，距离约30米，附近无相邻采掘 工作面，该工作面中上部下面为-400m水平运输、回风大巷，间距分别为31米和 54米。工作面对应地表为农田和树木，无建筑物。

1. 2煤层

63209工作面设计开釆煤层为3 T层煤，根据63209工作面运输顺槽、回风顺 槽、切眼掘进揭露的情况分析，该区域构造简单，裂隙不发育，煤层赋存稳定， 厚度在3.0-3.6之间，平均煤厚3.3m。

1. 3顶底板特征

63209工作面所采的3 了煤层为山西组煤系地层，煤层直接顶岩性为粉砂岩， 厚度4.0米，灰黑色，微波状水平层理发育，有少量黑色炭屑物，真密度2705kg/m3, 抗压强度（自然含水）75.9 M p a , 抗剪强度（45° ) 41.2 M p a , 普氏系数8.71。煤 层基本顶岩性为细砂岩，厚度10.0米，浅灰色，成分石英为主，少量长石及暗色矿 物，硅质胶结，上部微波状水平层理，呈互层状，有黑色炭屑，夹泥质团块，下 部夹有黄铁矿结核，具亮性滑面；煤层直接底岩性为泥岩，厚度1.75米，灰黑色, 较疏松，含少量炭屑及植物化石；煤层老顶岩性为粉细砂互岩，厚度8.0米，浅灰 色，间夹粉砂岩薄层。

老顶初次来压对工作面影响一般持续2d〜3d , 初次来压步距一般为20米〜35 米，工作面周期垮落步距为12米。本面开采的3 T煤层上部为3 , 煤层，两层煤的 层间距平均为20米，3 h层煤未开采。

1. 4地质构造

据现有巷道揭露情况，工作面有大断层两条即：F 4断层和F5断层。F4、F5

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断层分别为南部、北部边界，开采时留设足够的防水保护煤柱。从巷道揭露情况 看，在工作面内存在落差较小的断层较多。

根据江苏省煤田地质勘探二队提供的地质报告，本井田位于秦岭纬向构造带 北支，丰沛隆起带，区内褶皱微弱，仅在勘探区西南角有东北向小褶皱。工作面 位于本矿区的西北部，工作面内褶曲不发育，对回釆没有影响。

1. 5水文地质

由于本采区为未采区域，故不受老空水威胁。该区域水文地质条件总体属简 单类型，本开采区上部有砂岩、粉砂质泥岩弱含水隔水层，虽然砂岩、粉砂岩有 裂隙、孔隙含水，出露于斜坡地带，但有泥岩、粘土岩阻隔分离。煤3 7距底板含 水层（三灰）平均51.6m,之间有多层粉砂岩、泥土岩等构成良好的隔水层，故三 灰水对施工基本无影响。63209工作面运输顺槽、63209工作面回风顺槽揭露F4 断层时，未有水涌出，仅有少量淋水，63209工作面运输顺槽揭露F5断层时少量 涌水，最大涌水量约0.02m3/h 。第四纪松散层含水层距施工层位较远，其间有多层 隔水层，间隔水条件较好，故第四纪松散层含水层对本巷施工无影响。矿井涌水 以煤层顶板砂岩裂隙水和构造裂隙水形成矿井充水，因含水层的补给条件差、富 水性弱，经井上下观测结果分析，雨季降水对工作面的影响不大。根据采区实际 情况，预计工作面涌水量为0.02-0.05m3/h ,目前矿井正常涌水量18〜24m3/h左右。

1. 6影响回米的其它因素

本工作面影响回釆的其他因素有瓦斯，瓦斯绝对涌出量1.2m3/min , 釆面参考 值1. 2 m 3/min;C 02相对涌出量2.02m3/t ，绝对涌出量19.21 m 3/min ,采面参考值19.21 m 3/min；煤尘爆炸指数，煤尘爆炸指数34.33%, 具有强爆炸性；煤层自燃倾向性, II类自燃煤层；无地温及冲击地压。

工作面周围有两条落差较大的断层，预计其附近应力较集中，但对正常回釆 影响不大，主要加强顶板管理，采取有效支护。

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2观测方法选择

传统的采动导水裂隙带高度观测方法是地面钻孔冲洗液耗量法，需要在地面 上位于采空区回风巷或机巷两侧一定的范围内，以釆空区一侧为主施工数个钻孔, 通过钻进过程中钻孔冲洗液消耗量的变化，求得采动导水裂隙带高度和分布形态， 如图2.1所示。一旦煤层埋藏较深，不但耗费钻孔工程量较大，观测的准确度也难 以控制。

地面钻孔

图2. 1地面钻孔冲洗液观测法

为了减少工程费以及提高观测的准确度，本次观测采用了井下仰孔分段注水 观测方法。该方法的性特点是在煤矿井下采煤工作面周围选择合适的观测场所， 例如可在相邻工作面的区段平巷或所测工作面的停采线或开切眼以外的巷道中开 掘钻场，向采空区上方打仰斜钻孔，钻孔应避开冒落带而斜穿裂缝带，达到预计 的裂缝带顶界以上一定高度，使用“钻孔双端封堵测漏装置”沿钻孔进行分段封 堵注水，测定钻孔各段水的漏失流量，以此了解岩石的破裂松动情况，确定裂缝 带的上界高度，观测原理及仪器结构如图2.2所示。该系统在结构上有两条通路， 充气通路和注水通路。由高压气体瓶充气控制台和孔内封堵胶囊组成充气通路； 由高压水、注水控制台、进水推杆和孔内注水探管组成注水通路。首先通过充气 通路给胶囊一定压力的气体使其膨胀，封堵孔内所在孔段的两端；然后通过注水 通路给胶囊向封堵段恒压注水，由注水控制台控制水压并读取注水流量。每测定

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一个孔段后，将封堵器的胶囊卸压，收缩卸压后，移至下一测段继续进行注水观 测，直到测出整个钻孔各段的漏失量，根据漏失量变化情况确定围岩破坏范围。

图2. 2观测原理及仪器结构

观测导水裂隙带高度的井下仰孔分段注水观测方法是由山东科技大学与淄博 矿务局共同研究发明的一种成功的新型岩体破坏探测技术，于1990年11月27日 通过专家技术鉴定。鉴定意见认为，该项技术方法与以往的传统方法相比，具有 “精度高、工程量少、投资省、观测效果明显”等优点，具有较普遍的适用性和 推广意义；观测设备“结构简单、操作方便，易于现场井下应用，所获资料可靠”, “在全国煤炭系统属首次应用”。该技术方法和仪器设备均获得国家发明专利，并 于1993年在煤炭工业专利技术及产品信息交易会上被定为推广项目，获得荣誉证 书。该技术方法能在任意倾角的岩石钻孔内进行分段封堵注水，测定孔段漏失流 量，确定岩体的裂隙及松动状况，为安全防范及岩体加固提供参数；用于探测覆 岩裂缝带高度，比传统的地面钻孔冲洗液消耗量观测法节省工程费用70%以上， 具有准确度高的优点，还可用于探测煤层釆后底板破坏深度，为防治煤矿底板突 水提供资料。

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3导水裂隙带发育高度预计

覆岩破坏高度及形态受煤岩结构、覆岩岩性、煤体力学状态影响呈现高峰在 采空区边界内、外的多种形态，这将直接影响到探测的准确性问题。因此，合理 的观测方案必须以最大高度与形态预计都比较准确为前提。

3.1 覆岩破坏最大高度预计

根据工作面顶板覆岩岩性条件，顶板岩层由粉砂岩、细砂岩等组成，根据其 强度3 T煤层顶板属于中硬偏硬地层，为保证探测范围超过实际破坏带高度，按中 硬岩层预计，按“三下”釆煤规程中公式进行，中误差取正值，其预计公式：

H .. =------------±5. 6 1 0(E M …(1)

1 1. 6S M + 3.6

H h = 20^~i v 7+10 (2)

将煤层厚度按3.3m带入，得覆岩破坏预计高度为31.6-46.2m。为防止出现裂 高过大等异常情况，适当加大钻孔深度，至少延长5〜10m 孔段的深度，以便测出 一定长度的不漏水孔段，作为确定裂隙带顶界的依据，实际最大控制高度为55m 。3. 2覆岩最大破坏高度形成时间预计

特殊开釆的研究和实践表明，覆岩破坏带发育有一个过程，在达到最大高度 以后，随工作面的推进和时间的延长，其顶部裂缝将逐渐受压密合而使高度回缩 下降。其中，采空区中部回降最大，而边界上则回降较小。根据研究资料，硬岩 地区覆岩破坏稳定的时间受釆厚、岩性、结构、开采方式等因素的影响，一般在 1〜2个月，甚至更长，而有实际应用价值的参数是覆岩最大破坏带高度。

3. 3覆岩破坏带形态预计

63209工作面倾角较小，属于缓倾斜煤层。根据已有研究成果，其最终形态总 体上为典型的“马鞍型”，但由于煤体条件以及自煤层开始自下而上覆岩强度组合 的不同，而破坏带最高点在釆空区边界的位置（边界内、外还是边界上）不同， 则预计本工作面破坏带形态为起点在煤体内部，边界逐渐向煤体转移、最高点在 开采边界釆空区内侧的“马鞍型”。

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4观测布置方案

根据63209工作面实际开采条件及现有可应用巷道，一般选择在停采线附近没有 大的地质构造，其次要考虑钻孔开工处（钻窝）围岩的完整性，以便于巷道峒室 的维护和观测孔孔口的完整，还应考虑水源、通风行人的方便。综合考虑上述因 素，决定将观测剖面设在63209工作面停采线附近的轨道巷内，停采线外距离停 采线20m 处布置钻场，直接在63209工作面轨道巷布置采前、采后观测钻孔。

从钻窝向工作面方向施工两个采后裂隙观测孔，向反方向施工一个钻孔作为 釆前孔，各观测孔的方位与倾角见钻孔参数一览表4.1,钻孔布置剖面图4.1所示。

图4. 1 观测工程剖面示意图

探测工程共设计3个钻孔，钻孔总长度为180m，其中表1中的孔深均为从煤 层顶板处开始算起。

表4. 1

钻窝号孔号

I -1

I I -2

I -3孔性采前孔采后孔采后孔钻窝钻孔要素一览表孔径089089089方位211°58°仰角（° ) 50。42°

47°孔深（m) 556560

观测地点除能放置一台150钻机及其钻杆等配套器材外，还需容纳4〜6人进 行钻机作业与观测，场地面积应不小于8平方米，高度控制在2.5m上下，不宜过 高。作业场所内应配备不小于I M p a 的高压水源管路及相应的阀门和接头，如能配 备不小于I M p a 的高压气源也可。

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1) 施工时间观测工程实施要求5. 1井下钻窝的施工

由于在63209回风巷停采线附近没有大的构造，可向工作面方向打钻作为釆 前孔，采前孔施工及观测应不受超前采动影响的条件下完成。

2) 钻窝规格

钻窝布置在巷道中，以保证钻机能向侧帮斜上方打钻，钻机处需加强支护。

5. 2井下仰孔的施工

1) 施工时间

采前孔先施工，再施工釆后孔，预计在停采后1.5个月施工。

2) 钴孔结构

观测孔孔径均为089。孔深按设计值施工，必要时根据观测及井下实际空间 情况适当调整。

5. 3井下仰孔分段注水观测

1) 观测时间

钻孔成孔后立即进行观测。

2) 观测次数

观测1次，如对部分观测结果有疑，可进行部分或全孔段的重复观测。

3) 观测方式

按上行方式观测，观测段1〜1.5m, 从孔口 10m 处直到孔底，不允许空段或 “跳越式”观测。

4) 观测前的准备工作

观测前的准备工作，必须在钻孔施工完成之前全部做好，停机退杆后立即进 行观测，以免时间久了，钻孔局部垮落影响观测效果。观测前的准备工作如下：

(1) 将不小于I M P a 的高压水源管路接至观测站，并配接通径20_的阀门。 如已有钻机用水源管路则不必另设。

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(2) 将不小于I M P a 的高压气源管路接至观测站，并配接通径20_的阀门 (此项根据井下是否有气源而决定是否进行)。

(3) 观测站需事先挖好排水沟，勿使站内积水，影响工作。

(4) 打好钻孔后，钻机不得撤走，用于钻机推送分段注水观测探管。

(5) 有条件时，设置灯光，以利工作。

5) 井下观测程序

(1) 管路连接

①用025高压胶管、鱼林嘴、生料带、12#铁丝、010铁杆、虎钳将堵孔操作 台进口端与高压气（水）源管路020阀门连通，胶管连接捆扎铁丝，要与管路连 挂，以防滑脱；

②用015塑管，将堵孔操作台调压阀门出气（水）端接至远处，以免噪声干③堵孔操作台出口端，通过08增强塑管接头与探管进气（水）端连通；

④用025高压胶管，以与①相同的方法将注水操作台进水端与高压水源管路 020阀门连通；

⑤用015塑管，将注水操作台调压阀门出水端接至远处，以免溅水干扰工作; ⑥注水操作台出口端，通过5m 025高压胶管，用与①相同的方法与钻机钻杆 进水端接头连通，钻杆接头处用棉纱缠绕密封；

⑦将探管通过底端接头与钻杆出水端连通，钻杆接头处用棉纱缠绕密封。

(2) 密封性检查

①开动钻机将探管徐徐送入钻孔0-l m段，以探管与钴杆间的接头正处在孔口 为准。

②操纵堵孔操作架，打开堵孔调压阀，徐徐打开高压气（水）源管路阀门至 适当程度，注视调压压力表缓慢关小调压阀门，使压力缓缓升高到0.5M P a, 使探 管双端胶囊起胀，将孔段两端紧密封堵。关闭堵孔操作台中间的进气（水）阀门， 观查压力表指标是否下降。若该压力有下降趋势，表明系统有泄漏之处，应加以 检查排除。

③操纵注水操作架，打开注水阀门，徐徐开启高压水源管路阀门至适当程度, 注视调压压力表，缓慢关小调压阀门，使压力升至O . I M P a, 检查注水系统各管路

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接头有无漏水之处，若有漏水之处应加以排除。

④检查完毕后，打开堵孔调压阀和进气阀，打开注水调压阀。

(3) 钻孔分段注水观测

①封堵孔段：慢慢关小堵孔调压阀，使封孔压力达到0.5M P a，完成孔段封堵;②注水调压：慢慢关小注水调压阀，使注水压力达到规定的数值。规定数值 为高程静压+0.1M P a。高程静压注水操作台至探管所在孔段高度的高程静水压力， 每次注水观测完毕后，即可测得此值。

③流量观测：注视流量表，待孔段水满，流量稳定下来后，用秒表计时，观 测一分钟内的流量值，记入手簿。

④解除封孔：打开堵孔调压阀，孔内胶囊卸压收缩，孔段贮水泄出。

⑤高程静压观测：关闭注水操作台上的注水阀门，打开调压阀，观测探管所 在高度上钻杆内水柱的静水压力值，记入手簿。此静压值可用以校正钻孔孔斜， 又可作注水压力的基值。

⑥推移探管：开动钻机，将探管上推l m 的距离，同时续接钻杆。每隔2m, 用20#细铁丝将堵孔08增强塑管捆扎在钻杆上，以防打绞。续接钻杆时，用棉纱 线缠绕在钻杆接头处使其密封。

重复①〜⑥的步骤，继续进行堵孔注水观测。在观测中，注意堵孔、注水两个 系统是否密封，发现问题及时排除。在注水时，如发现孔口向外淋水或泄水，或 有其它现象，应及时记入手簿表格中的备注栏。

6) 观测记录格式

井下观测记录格式如下：

孔号：_________ 时间：_________操作：____________ 记录:

孔深（m) 高程静压

(MPa)注水流量（升/分）注水压力(MPa)

123备注

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7) 观测资料整理及绘图

(1) 上井后及时将井下观测记录复抄到相同格式的复抄记录本上，以防井下 记录本丢失，使前功尽弃。

(2) 在煤层顶板剖面上，根据孔深和由高程静压确定的垂高画出钻孔轴线。 以孔轴为纵坐标，以注水流量为横坐标，根据各孔段上的注水漏失流量，作出钻 孔分段漏失量剖面图。

(3) 根据观测站各孔漏失量剖面图，确定该处覆岩破坏带高度。

8) 施工、观测、研究人员配备

(1) 钻孔施工人员（并协助观测）

(2) 观测人员

(3) 技术研究人员（兼观测）1台钻机三班 1组 2〜3人

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