综合探测9105工作面导水裂隙带高度

张 罡

（山西煤炭运销集团盖州煤业有限公司，山西 高平 048400）

工作面回采过程中，可能会受覆岩含水层的威胁，影响工作面的安全回采[1-2]。因此，需对工作面覆岩导水裂隙带高度进行实测。 若在导水裂隙带高度范围内受含水层或老空区积水影响，为了避免工作面发生突水事故，应超前探放水或者注浆加固含水层，确保无威胁后再进行回采[3-5]。盖州煤矿9105 工作面受顶板K5灰岩水和回采后残留3 号老空水影响。 虽然工作面回采前进行了超前探放水，但仍有残余老空积水沿裂隙导入工作面。 为了避免工作面发生突水事故，确保工作面安全回采，应对工作面导水裂隙带高度进行探测。

1 工作面概况

9105 工作面北部为9 号煤层三条大巷，东部为未开采9107 工作面，西部为已回采的9103 综采工作面，南部为井田边界。 工作面主采9 号煤层，煤厚1.6～1.92 m，平均厚1.7 m，倾角小于5°。工作面受K5灰岩水和回采后残留3 号老空水影响，需对导水裂隙带进行实测。 9 号煤顶板主要为泥岩、砂岩，其上方有多层较为稳定的石灰岩层，需按中硬岩层来估算导水裂隙带高度。

2 导水裂隙带高度数值模拟

2.1 模拟方案

采用FLAC3D模拟9105 工作面回采后覆岩变形破坏规律，确定覆岩顶板裂隙带发育高度[6]。 根据工作面地质条件和覆岩性质，建立400 m×100 m×225.7 m 的力学模型， 划分为22 800 个单元和27 577 个节点，其中材料参数见表1。

表1 9105 工作面围岩力学参数

2.2 模拟结果分析

（1）应力分布

通过数值模拟9105 工作面覆岩破坏规律，得到工作面应力分布，见图1。

图1 9105 工作面覆岩应力分布

由图1 可知，9105 工作面回采后， 上覆岩层受拉应力影响较大区域， 即垮落带最大高度为10 m左右；上覆岩层受拉应力影响较小区域，即裂隙带最大高度为19.3 m； 裂隙带以上为上覆岩层弯曲下沉带。 由于导水裂隙带高度为垮落带和裂隙带之和。 因此，9105 工作面导水裂隙带高度为29.3 m。

（2）塑性区分布

通过数值模拟9105 工作面覆岩破坏规律，得到工作面塑性区分布，见图2。

图2 9105工作面覆岩塑性区分布

9105 工作面回采后，覆岩弯曲下沉造成工作面顶板岩层发生塑性破坏，破坏形式主要为剪切屈服破坏。 由图2 可知，工作面塑性区的范围在上覆岩层29.3 m 范围以内， 其中连续塑性区最大高度为29.3 m。

（3）导水裂隙带分布

通过数值模拟9105 工作面覆岩破坏规律，得到工作面导水裂隙带分布，见图3。

图3 9105 工作面导水裂隙带分布

9105 工作面覆岩受拉应力影响，部分岩层垮落下沉形成“三带”，导水裂隙带最大高度不应大于拉应力区和塑性变形区最大高度。 由图3 可知，9105工作面导水裂隙带最大高度为29.3 m。

3 导水裂隙带高度实测

3.1 探测方案

在9105 工作面运输顺槽的5J15 标志点处向9105 工作面采空区方向施工2 个顶板探测钻孔和1 个对比钻孔。 1#钻孔施工至44 m 处，2#钻孔施工至45 m 处，3#钻孔施工至46 m 处， 终孔处煤层厚度约为1.7 m 左右，钻孔施工参数见表2。

表2 9105 工作面导高观测钻孔参数

3.2 探测结果分析

（1）1#钻孔

通过观测1#钻孔可知，9105 工作面上覆岩层注水漏失量主要分为两个区域， 其中I 区注水漏失量相对较小， 表明该区域岩层裂隙由原生裂隙构成，裂隙发育不明显，岩层渗透率小，导水裂隙带高度未发展到I 区域；II 区注水漏失量大，表明该区域岩层次生裂隙发育明显，岩层渗透率大，裂隙导水能力强，导水裂隙带主要为II 区域。 根据1#钻孔探测结果得到I、II 区域各项参数见表3。

表3 1#钻孔探测结果

1#钻孔在探测过程中， 垂高由27.3 m 减小到26.3 m 时， 岩层渗水量由3.8 L/min 增大至9.6 L/min。由此可知，1#孔探测9105 工作面导水裂隙带最大高度为27.3 m 左右。

（2）2#钻孔

2#钻孔同样观测到上覆岩层注水量主要分为Ⅲ、Ⅳ两个区域，其中Ⅲ区域岩层渗透率小，Ⅳ区域注水漏失量大， 上覆岩层导水裂隙带主要为Ⅳ区域。 2#钻孔探测两区域各项参数见表4。

表4 2#钻孔探测结果

2#钻孔在探测过程中， 垂高由28.8 m 减小到27.87 m 时， 岩层渗水量由3.5 L/min 增大至8.7 L/min。 由此可知，2#孔探测9105 工作面导水裂隙带最大高度为28.3 m 左右。

采用1#、2#两个探测孔观测9105 工作面上覆岩层导水裂隙带高度，探测结果较为准确。其中，1#钻孔探测高度为h1=27.3 m，2#钻孔探测高度为h2=28.8 m，两钻孔探测结果取平均值为h=28.05 m。

4 导水裂隙带高度

9105 工作面钻孔实测导水裂隙带高度需要与覆岩性质结合进行分析，当工作面主采煤层9 煤顶板往上至5.6 m 厚的灰岩时， 岩层距工作面垂高28.9～29.3 m，超出钻孔探测范围。 1#、2#钻孔探测结果表明， 导水裂隙带未发育至9 煤上方灰岩，该岩层往上为覆岩弯曲下沉带。 根据探测结果和覆岩性质可知，工作面导水裂隙带最大高度为29.3 m。

采用FLAC3D模拟可得9105 工作面覆岩导水裂隙带高度为29.3 m， 通过探测孔观测和结合覆岩性质分析可知，工作面覆岩导水裂隙带高度为29.3 m，由此确定，工作面导水裂隙带高度为29.3 m。

5 结语

1）以盖州煤矿9105 工作面为研究对象，采用FLAC3D模拟工作面回采后覆岩变形破坏规律，根据应力、塑性区和导水裂隙带分布图可知，工作面导水裂隙带最大高度为29.3 m。

2）通过向9105 工作面运输巷顶板打2 个钻孔观测导水裂隙带高度，根据探测结果，覆岩注水漏失量有大小两个区域，导水裂隙带主要分布在漏失量大的区域。1#、2#钻孔探测导水裂隙带最大高度分别为27.3 m、28.3 m 左右。结合工作面覆岩性质可得，工作面导水裂隙带最大高度为29.3 m。