昭陽煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)方案

1、微山昭陽煤礦63209工作面提高開采上限導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)方案山東科技大學(xué)新光集團(tuán)有限公司昭陽煤礦二O一二年五月1 生產(chǎn)地質(zhì)條件11.1 工作面位置及井上下關(guān)系1.1.2 煤層1.1.3 頂?shù)装逄卣?.1.4 地質(zhì)構(gòu)造2.1.5 水文地質(zhì)2.1.6 影響回采的其它因素3.2 觀測(cè)方法選擇43導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)71.1 覆巖破壞最大高度預(yù)計(jì)7.1.2 覆巖最大破壞高度形成時(shí)間預(yù)計(jì)7.1.3 覆巖破壞帶形態(tài)預(yù)計(jì)8.4 觀測(cè)布置方案95 觀測(cè)工程實(shí)施要求115.1 井下鉆窩的施工1.1.5.2 井下仰孔的施工1.1.5.3 井下仰孔分段注水觀測(cè)1.1.1生產(chǎn)地質(zhì)條件1.1 工作面位置及井上下關(guān)系

2、63209工作面位于井田西部西六采區(qū)，東以F4斷層保護(hù)煤柱線為界，西以F5斷層保護(hù)煤柱線為界，南部以63209工作面回風(fēng)順槽為界，北部以63209工作面運(yùn)輸順槽為界，垂深46米，走向長(zhǎng)160米，傾向長(zhǎng)103米，面積16480平方米。工作面為新布采區(qū)，東部臨近西六采區(qū)運(yùn)輸上山，距離約30米，附近無相鄰采掘工作面，該工作面中上部下面為-400m水平運(yùn)輸、回風(fēng)大巷，間距分別為31米和54米。工作面對(duì)應(yīng)地表為農(nóng)田和樹木，無建筑物。1.2 煤層63209工作面設(shè)計(jì)開采煤層為3下層煤，根據(jù)63209工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽、切眼掘進(jìn)揭露的情況分析，該區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)單，裂隙不發(fā)育，煤層賦存穩(wěn)定，厚度在3.0-3

3、.6之間，平均煤厚3.3m。1.3 頂?shù)装逄卣?3209工作面所采的3下煤層為山西組煤系地層，煤層直接頂巖性為粉砂巖，厚度4.0米，灰黑色，微波狀水平層理發(fā)育，有少量黑色炭屑物，真密度2705kg/m3,抗壓強(qiáng)度（自然含水）75.9Mpa,抗剪強(qiáng)度（45°）41.2Mpa,普氏系數(shù)8.71。煤層基本頂巖性為細(xì)砂巖，厚度10.0米，淺灰色成分石英為主，少量長(zhǎng)石及暗色礦物，硅質(zhì)膠結(jié)，上部微波狀水平層理，呈互層狀，有黑色炭屑，夾泥質(zhì)團(tuán)塊，下部夾有黃鐵礦結(jié)核，具亮性滑面；煤層直接底巖性為泥巖，厚度1.75 米，灰黑色，較疏松，含少量炭屑及植物化石；煤層老頂巖性為粉細(xì)砂互巖,厚度8.0米，淺灰

4、色，間夾粉砂巖薄層。老頂初次來壓對(duì)工作面影響一般持續(xù)2d3d,初次來壓步距一般為20米35米，工作面周期垮落步距為12米。本面開采的3下煤層上部為3上煤層，兩層煤的層間距平均為20米，3上層煤未開采。1.76 地質(zhì)構(gòu)造據(jù)現(xiàn)有巷道揭露情況，工作面有大斷層兩條即：F4斷層和F5斷層。F4、F5斷層分別為南部、北部邊界，開采時(shí)留設(shè)足夠的防水保護(hù)煤柱。從巷道揭露情況看，在工作面內(nèi)存在落差較小的斷層較多。根據(jù)江蘇省煤田地質(zhì)勘探二隊(duì)提供的地質(zhì)報(bào)告，本井田位于秦嶺緯向構(gòu)造帶北支，豐沛隆起帶，區(qū)內(nèi)褶皺微弱，僅在勘探區(qū)西南角有東北向小褶皺。工作面位于本礦區(qū)的西北部，工作面內(nèi)褶曲不發(fā)育，對(duì)回采沒有影響。1.77

5、水文地質(zhì)由于本采區(qū)為未采區(qū)域，故不受老空水威脅。該區(qū)域水文地質(zhì)條件總體屬簡(jiǎn)單類型，本開采區(qū)上部有砂巖、粉砂質(zhì)泥巖弱含水隔水層，雖然砂巖、粉砂巖有裂隙、孔隙含水，出露于斜坡地帶，但有泥巖、粘土巖阻隔分離。煤3下距底板含水層（三灰）平均51.6m,之間有多層粉砂巖、泥土巖等構(gòu)成良好的隔水層，故三灰水對(duì)施工基本無影響。63209工作面運(yùn)輸順槽、63209工作面回風(fēng)順槽揭露F4斷層時(shí)，未有水涌出，僅有少量淋水，63209工作面運(yùn)輸順槽揭露F5斷層時(shí)少量涌水，最大涌水量約0.02m3/ho第四紀(jì)松散層含水層距施工層位較遠(yuǎn)，其間有多層隔水層，間隔水條件較好，故第四紀(jì)松散層含水層對(duì)本巷施工無影響。礦井涌水以

6、煤層頂板砂巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水形成礦井充水，因含水層的補(bǔ)給條件差、富水性弱，經(jīng)井上下觀測(cè)結(jié)果分析，雨季降水對(duì)工作面的影響不大。根據(jù)采區(qū)實(shí)際情況，預(yù)計(jì)工作面涌水量為0.02-0.05m3/h,目前礦井正常涌水量1824m3/h左右。1.78 影響回采的其它因素本工作面影響回采的其他因素有瓦斯，瓦斯絕對(duì)涌出量1.2m3/min,采面參考值1.2m3/min；CO2相對(duì)涌出量2.02m3/t,絕對(duì)涌出量19.21m3/min,采面參考值19.21m3/min;煤塵爆炸指數(shù)，煤塵爆炸指數(shù)34.33%,具有強(qiáng)爆炸性；煤層自燃傾向性，R類自燃煤層；無地溫及沖擊地壓。工作面周圍有兩條落差較大的斷層，預(yù)計(jì)其附

7、近應(yīng)力較集中，但對(duì)正?；夭捎绊懖淮?，主要加強(qiáng)頂板管理，采取有效支護(hù)。2觀測(cè)方法選擇傳統(tǒng)的采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)方法是地面鉆孔沖洗液耗量法，需要在地面上位于采空區(qū)回風(fēng)巷或機(jī)巷兩側(cè)一定的范圍內(nèi)，以采空區(qū)一側(cè)為主施工數(shù)個(gè)鉆孔，通過鉆進(jìn)過程中鉆孔沖洗液消耗量的變化，求得采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶高度和分布形態(tài)，如圖2.1所示。一旦煤層埋藏較深，不但耗費(fèi)鉆孔工程量較大，觀測(cè)的準(zhǔn)確度也難以控制。地面鉆孔然於衣庶77d次庶於次小囪函依睡不公圖2.1地面鉆孔沖洗液觀測(cè)法為了減少工程費(fèi)以及提高觀測(cè)的準(zhǔn)確度，本次觀測(cè)采用了井下仰孔分段注水觀測(cè)方法。該方法的性特點(diǎn)是在煤礦井下采煤工作面周圍選擇合適的觀測(cè)場(chǎng)所，例如可在相鄰工作面

8、的區(qū)段平巷或所測(cè)工作面的停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆場(chǎng)，向采空區(qū)上方打仰斜鉆孔，鉆孔應(yīng)避開冒落帶而斜穿裂縫帶，達(dá)到預(yù)計(jì)的裂縫帶頂界以上一定高度，使用“鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置”沿鉆孔進(jìn)行分段封堵注水，測(cè)定鉆孔各段水的漏失流量，以此了解巖石的破裂松動(dòng)情況，確定裂縫帶的上界高度，觀測(cè)原理及儀器結(jié)構(gòu)如圖2,2所示。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有兩條通路,充氣通路和注水通路。由高壓氣體瓶充氣控制臺(tái)和孔內(nèi)封堵膠囊組成充氣通路；由高壓水、注水控制臺(tái)、進(jìn)水推桿和孔內(nèi)注水探管組成注水通路。首先通過充氣通路給膠囊一定壓力的氣體使其膨脹，封堵孔內(nèi)所在孔段的兩端；然后通過注水通路給膠囊向封堵段包壓注水，由注水控制臺(tái)控制水壓并讀取

9、注水流量。每測(cè)定一個(gè)孔段后，將封堵器的膠囊卸壓，收縮卸壓后，移至下一測(cè)段繼續(xù)進(jìn)行注水觀測(cè)，直到測(cè)出整個(gè)鉆孔各段的漏失量，根據(jù)漏失量變化情況確定圍巖破壞范圍。圖2.2觀測(cè)原理及儀器結(jié)構(gòu)觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度的井下仰孔分段注水觀測(cè)方法是由山東科技大學(xué)與淄博礦務(wù)局共同研究發(fā)明的一種成功的新型巖體破壞探測(cè)技術(shù)，于1990年11月27日通過專家技術(shù)鑒定。鑒定意見認(rèn)為，該項(xiàng)技術(shù)方法與以往的傳統(tǒng)方法相比，具有“精度高、工程量少、投資省、觀測(cè)效果明顯”等優(yōu)點(diǎn)，具有較普遍的適用性和推廣意義；觀測(cè)設(shè)備“結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，易于現(xiàn)場(chǎng)井下應(yīng)用，所獲資料可靠”，“在全國(guó)煤炭系統(tǒng)屬首次應(yīng)用”。該技術(shù)方法和儀器設(shè)備均獲得國(guó)家發(fā)

10、明專利，并于1993年在煤炭工業(yè)專利技術(shù)及產(chǎn)品信息交易會(huì)上被定為推廣項(xiàng)目，獲得榮譽(yù)證書。該技術(shù)方法能在任意傾角的巖石鉆孔內(nèi)進(jìn)行分段封堵注水，測(cè)定孔段漏失流量，確定巖體的裂隙及松動(dòng)狀況，為安全防范及巖體加固提供參數(shù)；用于探測(cè)覆巖裂縫帶高度，比傳統(tǒng)的地面鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)法節(jié)省工程費(fèi)用70%以上,具有準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，還可用于探測(cè)煤層采后底板破壞深度，為防治煤礦底板突水提供資料。3導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)覆巖破壞高度及形態(tài)受煤巖結(jié)構(gòu)、覆巖巖性、煤體力學(xué)狀態(tài)影響呈現(xiàn)高峰在采空區(qū)邊界內(nèi)、外的多種形態(tài)，這將直接影響到探測(cè)的準(zhǔn)確性問題。因此，合理的觀測(cè)方案必須以最大高度與形態(tài)預(yù)計(jì)都比較準(zhǔn)確為前提。3.1 覆

11、巖破壞最大高度預(yù)計(jì)根據(jù)工作面頂板覆巖巖性條件，頂板巖層由粉砂巖、細(xì)砂巖等組成，根據(jù)其強(qiáng)度3下煤層頂板屬于中硬偏硬地層，為保證探測(cè)范圍超過實(shí)際破壞帶高度，按中硬巖層預(yù)計(jì)，按“三下”采煤規(guī)程中公式進(jìn)行，中誤差取正值，其預(yù)計(jì)公式:li100M1.6M3.65.6Hh20.M10(1)(2)將煤層厚度按3.3m帶入，得覆巖破壞預(yù)計(jì)高度為31.6-46.2m。為防止出現(xiàn)裂高過大等異常情況，適當(dāng)加大鉆孔深度，至少延長(zhǎng)510m孔段的深度，以便測(cè)出一定長(zhǎng)度的不漏水孔段，作為確定裂隙帶頂界的依據(jù)，實(shí)際最大控制高度為55mo3.2 覆巖最大破壞高度形成時(shí)間預(yù)計(jì)特殊開采的研究和實(shí)踐表明，覆巖破壞帶發(fā)育有一個(gè)過程，在

12、達(dá)到最大高度以后，隨工作面的推進(jìn)和時(shí)間的延長(zhǎng)，其頂部裂縫將逐漸受壓密合而使高度回縮下降。其中，采空區(qū)中部回降最大，而邊界上則回降較小。根據(jù)研究資料，硬巖地區(qū)覆巖破壞穩(wěn)定的時(shí)間受采厚、巖性、結(jié)構(gòu)、開采方式等因素的影響，一般在12個(gè)月，甚至更長(zhǎng)，而有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的參數(shù)是覆巖最大破壞帶高度。3.3 覆巖破壞帶形態(tài)預(yù)計(jì)63209工作面傾角較小，屬于緩傾斜煤層。根據(jù)已有研究成果，其最終形態(tài)總體上為典型的“馬鞍型”，但由于煤體條件以及自煤層開始自下而上覆巖強(qiáng)度組合的不同，而破壞帶最高點(diǎn)在采空區(qū)邊界的位置（邊界內(nèi)、外還是邊界上）不同，則預(yù)計(jì)本工作面破壞帶形態(tài)為起點(diǎn)在煤體內(nèi)部，邊界逐漸向煤體轉(zhuǎn)移、最高點(diǎn)在開采

13、邊界采空區(qū)內(nèi)側(cè)的“馬鞍型”。4觀測(cè)布置方案根據(jù)63209工作面實(shí)際開采條件及現(xiàn)有可應(yīng)用巷道，一般選擇在停采線附近沒有大的地質(zhì)構(gòu)造，其次要考慮鉆孔開工處（鉆窩）圍巖的完整性，以便于巷道恫室的維護(hù)和觀測(cè)孔孔口的完整，還應(yīng)考慮水源、通風(fēng)行人的方便。綜合考慮上述因素，決定將觀測(cè)剖面設(shè)在63209工作面停采線附近的軌道巷內(nèi)，停采線外距離停采線20m處布置鉆場(chǎng)，直接在63209工作面軌道巷布置采前、采后觀測(cè)鉆孔。從鉆窩向工作面方向施工兩個(gè)采后裂隙觀測(cè)孔，向反方向施工一個(gè)鉆孔作為采前孔，各觀測(cè)孔的方位與傾角見鉆孔參數(shù)一覽表4.1,鉆孔布置剖面圖4.1所示悴果法停采緘圖4.1觀測(cè)工程剖面示意圖探測(cè)工程共設(shè)計(jì)3

14、個(gè)鉆孔，鉆孔總長(zhǎng)度為180m,其中表1中的孔深均為從煤層頂板處開始算起。表4.1鉆窩鉆孔要素一覽表鉆窩號(hào)孑L號(hào)孑L性孑L徑方位仰角（°）孔深（m）II1采前孔89211°50°55I2I3采后孔采后孔898958°42°47°6560觀測(cè)地點(diǎn)除能放置一臺(tái)150鉆機(jī)及其鉆桿等配套器材外，還需容納46人進(jìn)行鉆機(jī)作業(yè)與觀測(cè)，場(chǎng)地面積應(yīng)不小于8平方米，高度控制在2.5m上下，不宜過高。作業(yè)場(chǎng)所內(nèi)應(yīng)配備不小于1Mpa的高壓水源管路及相應(yīng)的閥門和接頭，如能配備不小于1Mpa的高壓氣源也可。5觀測(cè)工程實(shí)施要求5.1 井下鉆窩的施工1）施工時(shí)間由于在

15、63209回風(fēng)巷停采線附近沒有大的構(gòu)造，可向工作面方向打鉆作為采前孔，采前孔施工及觀測(cè)應(yīng)不受超前采動(dòng)影響的條件下完成。2）鉆窩規(guī)格鉆窩布置在巷道中，以保證鉆機(jī)能向側(cè)幫斜上方打鉆，鉆機(jī)處需加強(qiáng)支護(hù)。5.2 井下仰孔的施工1）施工時(shí)間采前孔先施工，再施工采后孔，預(yù)計(jì)在停采后1.5個(gè)月施工。2）鉆孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)孔孔徑均為89?？咨畎丛O(shè)計(jì)值施工，必要時(shí)根據(jù)觀測(cè)及井下實(shí)際空間情況適當(dāng)調(diào)整。5.3 井下仰孔分段注水觀測(cè)1）觀測(cè)時(shí)間鉆孔成孔后立即進(jìn)行觀測(cè)。2）觀測(cè)次數(shù)觀測(cè)1次，如對(duì)部分觀測(cè)結(jié)果有疑，可進(jìn)行部分或全孔段的重復(fù)觀測(cè)。3）觀測(cè)方式按上行方式觀測(cè)，觀測(cè)段11.5m,從孔口10m處直到孔底，不允許空段或“

16、跳越式”觀測(cè)。4)觀測(cè)前的準(zhǔn)備工作觀測(cè)前的準(zhǔn)備工作，必須在鉆孔施工完成之前全部做好，停機(jī)退桿后立即進(jìn)行觀測(cè)，以免時(shí)間久了，鉆孔局部垮落影響觀測(cè)效果。觀測(cè)前的準(zhǔn)備工作如下：(1)將不小于1MPa的高壓水源管路接至觀測(cè)站，并配接通徑20mm的閥門。如已有鉆機(jī)用水源管路則不必另設(shè)。(2)將不小于1MPa的高壓氣源管路接至觀測(cè)站，并配接通徑20mm的閥門(此項(xiàng)根據(jù)井下是否有氣源而決定是否進(jìn)行)。(3)觀測(cè)站需事先挖好排水溝，勿使站內(nèi)積水，影響工作。(4)打好鉆孔后，鉆機(jī)不得撤走，用于鉆機(jī)推送分段注水觀測(cè)探管。(5)有條件時(shí)，設(shè)置燈光，以利工作。5)井下觀測(cè)程序(1)管路連接用25高壓膠管、魚林嘴、生料

17、帶、12#鐵絲、10鐵桿、虎鉗將堵孔操作臺(tái)進(jìn)口端與高壓氣(水)源管路20閥門連通，膠管連接捆扎鐵絲，要與管路連掛，以防滑脫；用15塑管，將堵孔操作臺(tái)調(diào)壓閥門出氣(水)端接至遠(yuǎn)處，以免噪聲干擾；堵孔操作臺(tái)出口端，通過8增強(qiáng)塑管接頭與探管進(jìn)氣(水)端連通；用25高壓膠管，以與相同的方法將注水操作臺(tái)進(jìn)水端與高壓水源管路20閥門連通;用15塑管，將注水操作臺(tái)調(diào)壓閥門出水端接至遠(yuǎn)處，以免濺水干擾工作；注水操作臺(tái)出口端，通過5m25高壓膠管，用與相同的方法與鉆機(jī)鉆桿進(jìn)水端接頭連通，鉆桿接頭處用棉紗纏繞密封；將探管通過底端接頭與鉆桿出水端連通，鉆桿接頭處用棉紗纏繞密封。(2)密封性檢查開動(dòng)鉆機(jī)將探管徐徐送入

18、鉆孔0-1m段，以探管與鉆桿間的接頭正處在孔口為準(zhǔn)。操縱堵孔操作架，打開堵孔調(diào)壓閥，徐徐打開高壓氣(水)源管路閥門至適當(dāng)程度，注視調(diào)壓壓力表緩慢關(guān)小調(diào)壓閥門，使壓力緩緩升高到0.5MPa,使探管雙端膠囊起脹，將孔段兩端緊密封堵。關(guān)閉堵孔操作臺(tái)中間的進(jìn)氣(水)閥門，觀查壓力表指標(biāo)是否下降。若該壓力有下降趨勢(shì)，表明系統(tǒng)有泄漏之處，應(yīng)加以檢查排除。操縱注水操作架，打開注水閥門，徐徐開啟高壓水源管路閥門至適當(dāng)程度，注視調(diào)壓壓力表，緩慢關(guān)小調(diào)壓閥門，使壓力升至0.1MPa,檢查注水系統(tǒng)各管路接頭有無漏水之處，若有漏水之處應(yīng)加以排除。檢查完畢后，打開堵孔調(diào)壓閥和進(jìn)氣閥，打開注水調(diào)壓閥。(3)鉆孔分段注水觀測(cè)封堵孔段：慢慢關(guān)小堵孔調(diào)壓閥，使封孔壓力達(dá)到0.5MPa,完成孔段封堵；注水調(diào)壓：慢慢關(guān)小注水調(diào)壓閥，使注水壓力達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。規(guī)定數(shù)值為高程靜壓+0.1MPa。高程靜壓注水操作臺(tái)至探管所在孔段高度的高程靜水壓力，每次注水觀測(cè)完畢后，即可測(cè)得此值。流量觀