昭陽煤礦導水裂隙帶高度探測方案

微山昭陽煤礦63209工作面提高開采上限導水裂隙帶高度觀測方案山東科技大學新光集團有限公司昭陽煤礦二O一二年五月1生產(chǎn)地質條件 錯誤!未定義書簽。工作面位置及井上下關系 錯誤!未定義書簽。煤層 錯誤!未定義書簽。頂?shù)装逄卣?錯誤!未定義書簽。地質構造 錯誤!未定義書簽。水文地質 錯誤!未定義書簽。影響回采的其它因素 錯誤!未定義書簽。2觀測方法選擇 錯誤!未定義書簽。3導水裂隙帶發(fā)育高度預計 錯誤!未定義書簽。覆巖破壞最大高度預計 錯誤!未定義書簽。覆巖最大破壞高度形成時間預計 錯誤!未定義書簽。覆巖破壞帶形態(tài)預計 錯誤!未定義書簽。4觀測布置方案 錯誤!未定義書簽。5觀測工程實施要求 錯誤!未定義書簽。井下鉆窩的施工 錯誤!未定義書簽。井下仰孔的施工 錯誤!未定義書簽。井下仰孔分段注水觀測 錯誤!未定義書簽。1生產(chǎn)地質條件工作面位置及井上下關系63209工作面位于井田西部西六采區(qū)，東以F4斷層保護煤柱線為界，西以F5斷層保護煤柱線為界，南部以63209工作面回風順槽為界，北部以63209工作面運輸順槽為界，垂深46米，走向長160米，傾向長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水平運輸、回風大巷，間距分別為31米和54米。工作面對應地表為農(nóng)田和樹木，無建筑物。煤層63209工作面設計開采煤層為3下層煤，根據(jù)63209工作面運輸順槽、回風順槽、切眼掘進揭露的情況分析，該區(qū)域構造簡單，裂隙不發(fā)育，煤層賦存穩(wěn)定，厚度在之間，平均煤厚3.3m。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,抗壓強度（自然含水）Mpa，抗剪強度（45°）Mpa，普氏系數(shù)。煤層基本頂巖性為細砂巖，厚度10.0米，淺灰色,成分石英為主，少量長石及暗色礦物，硅質膠結，上部微波狀水平層理，呈互層狀，有黑色炭屑，夾泥質團塊，下部夾有黃鐵礦結核，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砂互巖，厚度8.0米，淺灰色，間夾粉砂巖薄層。老頂初次來壓對工作面影響一般持續(xù)2d?3d,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。地質構造據(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，開采時留設足夠的防水保護煤柱。從巷道揭露情況看，在工作面內存在落差較小的斷層較多。根據(jù)江蘇省煤田地質勘探二隊提供的地質報告，本井田位于秦嶺緯向構造帶北支，豐沛隆起帶，區(qū)內褶皺微弱，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，工作面內褶曲不發(fā)育，對回采沒有影響。水文地質由于本采區(qū)為未采區(qū)域，故不受老空水威脅。該區(qū)域水文地質條件總體屬簡單類型，本開采區(qū)上部有砂巖、粉砂質泥巖弱含水隔水層，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，之間有多層粉砂巖、泥土巖等構成良好的隔水層，故三灰水對施工基本無影響。63209工作面運輸順槽、63209工作面回風順槽揭露F4斷層時，未有水涌出，僅有少量淋水，63209工作面運輸順槽揭露F5斷層時少量涌水，最大涌水量約h。第四紀松散層含水層距施工層位較遠，其間有多層隔水層，間隔水條件較好，故第四紀松散層含水層對本巷施工無影響。礦井涌水以煤層頂板砂巖裂隙水和構造裂隙水形成礦井充水，因含水層的補給條件差、富水性弱，經(jīng)井上下觀測結果分析，雨季降水對工作面的影響不大。根據(jù)采區(qū)實際情況，預計工作面涌水量為，目前礦井正常涌水量18?24m3/h左右。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，瓦斯絕對涌出量m3/min，采面參考值m3/min；CO相對涌出量t,絕對涌出量rWmin,采面參考值rw/min；煤塵爆炸指數(shù)，2煤塵爆炸指數(shù)%,具有強爆炸性；煤層自燃傾向性，||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，預計其附近應力較集中，但對正?；夭捎绊懖淮?，主要加強頂板管理，采取有效支護。2觀測方法選擇傳統(tǒng)的采動導水裂隙帶高度觀測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)回風巷或機巷兩側一定的范圍內，以采空區(qū)一側為主施工數(shù)個鉆孔,通過鉆進過程中鉆孔沖洗液消耗量的變化，求得采動導水裂隙帶高度和分布形態(tài),如圖所示。一旦煤層埋藏較深，不但耗費鉆孔工程量較大，觀測的準確度也難以控制。地面鉆孔旅浜扶浜〃"4旅浜/牙林77--7^依'他於'旅'圖地面鉆孔沖洗液觀測法為了減少工程費以及提高觀測的準確度，本次觀測采用了井下仰孔分段注水觀測方法。該方法的性特點是在煤礦井下采煤工作面周圍選擇合適的觀測場所，例如可在相鄰工作面的區(qū)段平巷或所測工作面的停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆場，向采空區(qū)上方打仰斜鉆孔，鉆孔應避開冒落帶而斜穿裂縫帶，達到預計的裂縫帶頂界以上一定高度，使用“鉆孔雙端封堵測漏裝置”沿鉆孔進行分段封堵注水，測定鉆孔各段水的漏失流量，以此了解巖石的破裂松動情況，確定裂縫帶的上界高度，觀測原理及儀器結構如圖所示。該系統(tǒng)在結構上有兩條通路，充氣通路和注水通路。由高壓氣體瓶充氣控制臺和孔內封堵膠囊組成充氣通路；由高壓水、注水控制臺、進水推桿和孔內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，封堵孔內所在孔段的兩端；然后通過注水通路給膠囊向封堵段恒壓注水，由注水控制臺控制水壓并讀取注水流量。每測定一個孔段后，將封堵器的膠囊卸壓，收縮卸壓后，移至下一測段繼續(xù)進行注水觀測,直到測出整個鉆孔各段的漏失量，根據(jù)漏失量變化情況確定圍巖破壞范圍。圖觀測原理及儀器結構觀測導水裂隙帶高度的井下仰孔分段注水觀測方法是由山東科技大學與淄博礦務局共同研究發(fā)明的一種成功的新型巖體破壞探測技術，于1990年11月27日通過專家技術鑒定。鑒定意見認為，該項技術方法與以往的傳統(tǒng)方法相比，具有“精度高、工程量少、投資省、觀測效果明顯”等優(yōu)點，具有較普遍的適用性和推廣意義；觀測設備“結構簡單、操作方便，易于現(xiàn)場井下應用，所獲資料可靠”,“在全國煤炭系統(tǒng)屬首次應用”。該技術方法和儀器設備均獲得國家發(fā)明專利，并于1993年在煤炭工業(yè)專利技術及產(chǎn)品信息交易會上被定為推廣項目，獲得榮譽證書。該技術方法能在任意傾角的巖石鉆孔內進行分段封堵注水，測定孔段漏失流量，確定巖體的裂隙及松動狀況，為安全防范及巖體加固提供參數(shù)；用于探測覆巖裂縫帶高度，比傳統(tǒng)的地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法節(jié)省工程費用70%以上，具有準確度高的優(yōu)點，還可用于探測煤層采后底板破壞深度，為防治煤礦底板突水提供資料。3導水裂隙帶發(fā)育高度預計覆巖破壞高度及形態(tài)受煤巖結構、覆巖巖性、煤體力學狀態(tài)影響呈現(xiàn)高峰在采空區(qū)邊界內、外的多種形態(tài)，這將直接影響到探測的準確性問題。因此，合理的觀測方案必須以最大高度與形態(tài)預計都比較準確為前提。3.1覆巖破壞最大高度預計根據(jù)工作面頂板覆巖巖性條件，頂板巖層由粉砂巖、細砂巖等組成，根據(jù)其強度3下煤層頂板屬于中硬偏硬地層，為保證探測范圍超過實際破壞帶高度，按中硬巖層預計，按“三下”采煤規(guī)程中公式進行，中誤差取正值，其預計公式：H= 10回土5.6 ⑴li1.6EM+3.6Hh=20jZM+10 （2）將煤層厚度按3.3m帶入，得覆巖破壞預計高度為。為防止出現(xiàn)裂高過大等異常情況，適當加大鉆孔深度，至少延長5~10m孔段的深度，以便測出一定長度的不漏水孔段，作為確定裂隙帶頂界的依據(jù)，實際最大控制高度為55m。3.2覆巖最大破壞高度形成時間預計特殊開采的研究和實踐表明，覆巖破壞帶發(fā)育有一個過程，在達到最大高度以后，隨工作面的推進和時間的延長，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)定的時間受采厚、巖性、結構、開采方式等因素的影響，一般在1~2個月，甚至更長，而有實際應用價值的參數(shù)是覆巖最大破壞帶高度。3.3覆巖破壞帶形態(tài)預計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度組合的不同，而破壞帶最高點在采空區(qū)邊界的位置（邊界內、外還是邊界上）不同，則預計本工作面破壞帶形態(tài)為起點在煤體內部，邊界逐漸向煤體轉移、最高點在開采邊界采空區(qū)內側的“馬鞍型”。4觀測布置方案根據(jù)63209工作面實際開采條件及現(xiàn)有可應用巷道，一般選擇在停采線附近沒有大的地質構造，其次要考慮鉆孔開工處（鉆窩）圍巖的完整性，以便于巷道峒室的維護和觀測孔孔口的完整，還應考慮水源、通風行人的方便。綜合考慮上述因素，決定將觀測剖面設在63209工作面停采線附近的軌道巷內，停采線外距離停采線20m處布置鉆場，直接在63209工作面軌道巷布置采前、采后觀測鉆孔。從鉆窩向工作面方向施工兩個采后裂隙觀測孔，向反方向施工一個鉆孔作為采前孔，各觀測孔的方位與傾角見鉆孔參數(shù)一覽表，鉆孔布置剖面圖所示。圖觀測工程剖面示意圖探測工程共設計3個鉆孔，鉆孔總長度為180m，其中表1中的孔深均為從煤層頂板處開始算起。表鉆窩鉆孔要素一覽表鉆窩號孔號孑L性孔徑方位仰角（°）孔深（m）11-1采前孔中89211°50°551-21-3采后孑L采后孑L中89中8958°42°47°6560觀測地點除能放置一臺150鉆機及其鉆桿等配套器材外，還需容納4?6人進行鉆機作業(yè)與觀測，場地面積應不小于8平方米，高度控制在2.5m上下，不宜過高。作業(yè)場所內應配備不小于1Mpa的高壓水源管路及相應的閥門和接頭，如能配備不小于1Mpa的高壓氣源也可。5觀測工程實施要求井下鉆窩的施工1） 施工時間由于在63209回風巷停采線附近沒有大的構造，可向工作面方向打鉆作為采前孔，采前孔施工及觀測應不受超前采動影響的條件下完成。2） 鉆窩規(guī)格鉆窩布置在巷道中，以保證鉆機能向側幫斜上方打鉆，鉆機處需加強支護。井下仰孔的施工1） 施工時間采前孔先施工，再施工采后孔，預計在停采后個月施工。2） 鉆孔結構觀測孔孔徑均為①89?？咨畎丛O計值施工，必要時根據(jù)觀測及井下實際空間情況適當調整。井下仰孔分段注水觀測1） 觀測時間鉆孔成孔后立即進行觀測。2） 觀測次數(shù)觀測1次，如對部分觀測結果有疑，可進行部分或全孔段的重復觀測。3） 觀測方式按上行方式觀測，觀測段1?1.5m,從孔口10m處直到孔底，不允許空段或“跳越式”觀測。4）觀測前的準備工作觀測前的準備工作，必須在鉆孔施工完成之前全部做好，停機退桿后立即進行觀測，以免時間久了，鉆孔局部垮落影響觀測效果。觀測前的準備工作如下：（1） 將不小于1MPa的高壓水源管路接至觀測站，并配接通徑20mm的閥門。如已有鉆機用水源管路則不必另設。（2） 將不小于1MPa的高壓氣源管路接至觀測站，并配接通徑20mm的閥門（此項根據(jù)井下是否有氣源而決定是否進行）。（3） 觀測站需事先挖好排水溝，勿使站內積水，影響工作。（4） 打好鉆孔后，鉆機不得撤走，用于鉆機推送分段注水觀測探管。（5） 有條件時，設置燈光，以利工作。5）井下觀測程序（1） 管路連接用①25高壓膠管、魚林嘴、生料帶、12#鐵絲、①10鐵桿、虎鉗將堵孔操作臺進口端與高壓氣（水）源管路①20閥門連通，膠管連接捆扎鐵絲，要與管路連掛，以防滑脫；用①15塑管，將堵孔操作臺調壓閥門出氣（水）端接至遠處，以免噪聲干擾；堵孔操作臺出口端，通過①8增強塑管接頭與探管進氣（水）端連通；用①25高壓膠管，以與①相同的方法將注水操作臺進水端與高壓水源管路①20閥門連通；用①15塑管，將注水操作臺調壓閥門出水端接至遠處，以免濺水干擾工作;注水操作臺出口端，通過5m^25高壓膠管，用與①相同的方法與鉆機鉆桿進水端接頭連通，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） 密封性檢查開動鉆機將探管徐徐送入鉆孔0-1m段，以探管與鉆桿間的接頭正處在孔口為準。操縱堵孔操作架，打開堵孔調壓閥，徐徐打開高壓氣（水）源管路閥門至適當程度，注視調壓壓力表緩慢關小調壓閥門，使壓力緩緩升高到，使探管雙端膠囊起脹，將孔段兩端緊密封堵。關閉堵孔操作臺中間的進氣（水）閥門，觀查壓力表指標是否下降。若該壓力有下降趨勢，表明系統(tǒng)有泄漏之處，應加以檢查排除。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程度,注視調壓壓力表，緩慢關小調壓閥門，使壓力升至，檢查注水系統(tǒng)各管路接頭有無漏水之處，若有漏水之處應加以排除。檢查完畢后，打開堵孔調壓閥和進氣閥，打開注水調壓閥。（3）鉆孔分段注水觀測封堵孔段：慢慢關小堵孔調壓閥，使封孔壓力達到，完成孔段封堵；注水調壓：慢慢關小注水調壓閥，使注水壓力達到規(guī)定的數(shù)值。規(guī)定數(shù)值為高程靜壓+。高程靜壓注水操作臺至探管所在孔段高度的高程靜水壓力，每次注水觀測完畢后，即可測得此值。流量觀測：注視流量表，待孔段水滿，流量穩(wěn)定下來