综采工作面顶板导水裂隙带高度实测技术应用分析

张 飞

（山西煤炭运销集团四侯煤业有限公司，山西 晋城 048100）

煤矿开采过程中准确计算出回采煤层上覆导水裂隙带高度，对合理确定回采上限，以及水体下安全回采起着重要作用。传统主要采用理论公式计算以及地面打钻两种方法确定导水裂隙带高度。采用公式推导水裂隙高度时，受煤层厚度变化以及岩层物理性质变化影响，岩层参数求取难度大，使得公式计算出的导水裂隙带高度与实际高度有很大的误差；而采用地面钻探方法不仅施工工程量大、劳动强度大、精度低，而且该方法受开采条件影响大，如水体下、采空区下很难实测。所以，采用合理有效的实测方法准确掌握导水裂隙带高度对煤矿安全回采、提高煤矿防治水效率具有重要意义。本文以四侯煤矿3108 工作面为例，对工作面3#煤层采取了“双端胶囊堵水”观测技术实测导水裂隙带高度。

1 概述

山西煤炭运销集团四侯煤业有限公司3108 工作面位于矿井北部一采区，东侧为3103 采空区，西侧为3105 采空区，北侧为矿井边界保护煤柱，南为一采区三条大巷。

3108 工作面切眼长度为160 m，可采走向长度为650 m，工作面回采煤层为3#煤层，平均厚度为3.7 m。煤层伪顶主要以炭质泥岩、灰色泥岩混合岩层为主，平均厚度为0.3 m；直接顶主要以粉砂岩、泥岩混合岩层为主，平均厚度为3.95 m；老顶主要以细粒砂岩为主，平均厚度为7.66 m。

根据工作面水文地质资料显示，3108 工作面水文地质条件中等，在工作面回采期间会受到顶板K8砂岩裂隙含水层的砂岩裂隙水影响。裂隙含水层与3#层间为41 m，工作面回采前已进行探放水施工，共计放水量为7840 m³。虽然回采前已对3#煤层上覆裂隙含水层积水进行疏放，但是工作面在回采期间仍有残余裂隙水沿裂隙通道导入工作面，正常涌水量为 3.7 m³/h，随着工作面推采垮落，将通过裂隙导入采空区。为了防止工作面发生透水事故，为3#煤层裂隙带注浆堵水提供准确技术参数，地测防治水科决定对工作面回采煤层顶板采取“双端胶囊堵水”观测技术实测导水裂隙带高度。

2 “双端胶囊堵水”观测技术应用

2.1 “双端胶囊堵水”观测技术原理

“双端胶囊堵水”观测技术主要通过在顶板裂隙区域施工一定深度的钻孔，对钻孔内安装双端堵水器，使之形成一个胶囊封堵空间，然后利用注水器对封堵空间内注水，准确记录单位时间注水渗流量，并与对比孔进行对比分析，判定此段范围内岩层透水性能以及裂隙发育程度，从而准确计算出导水裂隙带高度。

2.2 “双端胶囊堵水”观测设备结构

（1）3108 工作面顶板导水裂隙带高度观测设备主要由以下几部分组成：QKX-DSQ-1500 型双端胶囊堵水器、连接管路、控制台以及为 ZYW-1200煤矿用全液压钻机、封孔器、封孔材料等。

（2）QKX-DSQ-1500 型双端胶囊堵水器主要由两端胶囊以及中部注水探管等部分组成。注水探管长度为1.0 m，直径为90 mm，注水探管为孔状，主要便于注水后水流向钻孔壁岩体渗透。

（3）双端胶囊堵水器中两端胶囊采用直径为20 mm 管路与钻孔下方起涨控制台连接，注水探管通过直径为30 mm 注水软管与注水控制台连接，如图1。

图1 “双端胶囊堵水”观测技术施工示意图

2.3 施工工艺

（1）首先在3108 运输顺槽G21 导线点外采空区方向15 m 处（距工作面45 m） 用ZYW-1200 煤矿用全液压钻机施工两个顶板探测钻孔（1#孔、2#孔）。其中，1#孔为对比孔，对比孔深度为45 m，钻孔直径为95 mm，钻孔向工作面煤壁侧偏角为60°；2#钻孔为观测孔，孔深为50 m，钻孔直径为95 mm，钻孔向工作面采空区侧偏角为68°。3108运输顺槽对比孔、观察孔布置示意图如图2。

（2）对比孔、观测孔扩孔深度为15 m，扩孔直径为134 mm。扩孔到位后对扩孔段安装直径为108 mm 无缝钢管，每节钢管长度为1.5 m。钢管安装后采用3NBB3.1 型煤矿用变量泥浆泵对孔壁采用水泥水玻璃双液浆进行注浆。

（3）钻孔施工到位后从孔口往里安装一个QKX-DSQ-1500 型双端胶囊堵水器，并将堵水器两根连接管分别与起涨控制台、注水控制台连接。具体操作：①双端胶囊堵水器安装到位后通过操作起涨控制台对两端胶囊打压使之膨胀并完全封堵钻孔，两个胶囊之间形成注水封堵空间，打压压力在0.5～1.0 MPa 范围内；② 通过操作注水控制台，对注水封堵空间进行注水，注水压力为0.8 MPa，注水期间准确记录注水时间、注水量；③ 第一段注水完成后通过起涨控制台对胶囊进行卸压，然后利用钻机钻杆将双端堵水器探头推移到下一个观测段岩层位置。依次类推直至整个钻孔全部完成注水试验。

图2 3108 运输顺槽对比孔、观察孔布置示意图

3 应用效果分析

3.1 对比孔注水观测

对比孔于2019 年3 月12 日施工，3 月13 日施工到位，3 月14 日—15 日开始注水观测。现场观察分析发现，对比孔在10～45 m，垂高在8.6～38.7 m范围内，顶板平均渗水量为3.7 L/m.min，岩体未受采动影响，顶板岩体完整性较好。

3.2 观察孔注水观测

观测孔于 2019 年 3 月 16 日施工，3 月 17 日—18 日进行注水观测，从钻孔孔口至最顶端依次分段观测，观测到孔底停止。通过现场观察数据分析发现，观测孔在注水试验过程中漏水量主要分为两个区域：漏水量较大的Ⅰ区域和漏水量较小的Ⅱ区域。

在I 区域，钻孔深度为10～29 m、垂直高度为9.3～27 m 范围内，岩层最小渗水量为9.6 L/m.mim，最大渗水量为18.7 L/m.mim。在该区域内岩体漏水量大，说明钻孔已进入裂隙带，在此区域内顶板岩体受采动以及采空区垮落影响，次生裂隙发育，岩层具有较强的导水性能。3108 运输顺槽观测孔孔深与岩层渗流量柱状图如图3。

在Ⅱ区域，钻孔深度为29～50 m、垂直高度为27～46.4 m 范围内，岩层平均漏水量为3.7 L/m.mim。通过与对比孔岩体对比分析得知，该区域岩体渗透率小，工作面回采期间或采空区垮落时对该区域岩体波动影响小。由此可见3108 工作面回采的3#煤层导水裂隙带高度为27 m。

图3 3108 运输顺槽观测孔孔深与岩层渗流量柱状图

3.3 “双端胶囊堵水”观测技术应用优点

（1）施工工程量小。与传统地面钻孔冲洗液消耗量观测法相比，采用“双端胶囊堵水”观测法钻孔施工数量少，针对性强，每个钻孔深度小于100 m，钻孔施工工程量小，劳动强度低，施工工程费用投资少，可节约施工费用达67%。

（2）观测精度高。采用“双端胶囊堵水”观测技术实测导水裂隙带高度时，观测结果准确可靠，测漏灵敏度为0.3 L/m.min，精度在95%以上，探测钻孔深度达百米以上，深度误差控制在1%以下。

（3）环境影响小。该技术施工方法简单，不受地面环境以及井下施工工艺影响，可用于大面积水体下探测采掘工作面顶板导水裂隙高度。

4 结束语

四侯煤矿地测防治水科对3108 工作面上覆裂隙顶板采取了“双端胶囊堵水”观测技术，准确实测受采动影响顶板导水裂隙高度为27 m，为工作面顶板裂隙带采取注浆堵水施工提供了有力实践依据，进一步提高了煤矿防治水效率，防止了工作面透水事故发生，取得了显著应用成效。该技术得到了集团公司一致认可，并在盖州煤矿、四明山煤矿等煤矿进行推广应用。