榆神矿区综采工作面导水裂隙带高度探测.doc

综采工作面导水裂隙带高度的钻孔探测基金项目：陕西省科学技术推广计划（2011TG-01）作者简介：蒋泽泉（1967-），男，陕西临潼人，高级工程师，从事煤矿水文地质工程地质环境地质工作。蒋泽泉（陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林 719000）摘 要：导水裂隙带是保水采煤研究与工程实践的重要参数，也是科学预测矿井涌水量的重要参数之一，尽管已有一些经验公式，但由于各矿井地质环境条件的差异，导水裂隙带发育高度很难用经验公式准确预测。因此，我们在榆神矿区榆阳煤矿施工了两个钻孔，根据冲洗液消耗量、岩心破碎程度、井中水位等指标，综合确定了榆神矿区榆阳煤矿2304综采工作面导水裂隙带高度，实测的综采条件下导水裂隙带发育高度为84.896.3m，为采厚的24.227.5倍，冒落带高度为14.217.2m，为采厚的4.064.91倍。关键词：导水裂隙带；冲洗液消耗量；钻孔漏失量；保水采煤1 前言陕北地区煤炭资源丰富，水资源相对较少，采煤对萨拉乌苏组地下水产生了较大的影响，使部分区域地下水渗漏，泉水干涸，保水采煤问题十分突出，研究保水采煤的地质环境条件，保护生态水位1-5，成为建设绿色矿区的首要任务。研究采煤对第四系萨拉乌苏组地下水的影响程度6-7，关键是获得采煤工作面顶板导水裂隙带的发育高度，尽管已经做了大量室内模拟、部分矿井探测工作，但各煤矿地质条件的差异，导致导水裂隙带的发育高度并不一致，因此，在每一处大型煤矿均应该开展导水裂隙带发育探测，同时也为矿区地质环境保护提供基础数据8。榆阳煤矿综采技术实施以来，矿井涌水量大幅度增加，以往对导水通道的研究多是利用“三下”规程中有关导水裂隙带发育高度的半经验公式进行计算，计算结果均未超过60m。综采条件下只会对上覆基岩含水层产生影响、甚至无法疏干基岩含水层，更无法直接影响风化基岩含水层和第四系沙层含水层，但实际是矿井水很大一部分来自第四系。因此必须进行导水裂隙带发育高度的现场原位实测。2钻孔探测导水裂隙带的原理目前，主要采用钻孔简易水文地质观测和注水试验来探测导水裂隙临界面最高部位的分布，以确定导水裂隙带的高度5-7。实践证明这是一种直观的观测手段，在导水裂隙带范围内，导水裂隙以内的水流必然向采空区运动排泄而不可能在临界面储存。因此在此位置时钻孔冲洗液漏失，水位相应下降；钻孔中断给水后，水位不断下降直至孔底。钻孔到达临界面时的耗水量、水位变化幅度，因临界面所处位置的岩性、裂隙发育和联通程度不同而不同依据对大量的导水裂隙观测孔的简易水文观测曲线分析，可将其归纳为3种类型：突变型:钻孔钻进临界面时，冲洗液突然大量漏失，孔内水位随之大幅度下降当进一步作注水试验时，工作面可见到指示剂，时间为20h7d不等，注水量可达3640m/h这种突变现象，多发生在临界面岩性主要为具有一定原生层理或节理的砂岩及煤层中（图1）。渐变型：钻孔钻进临界面后，冲洗液消耗量随钻进深度增加而逐渐增大，钻孔水位也相应下降这种变化多发生在临界面岩性主要为原生节理裂隙不甚发育的泥岩、粉砂岩中（图2）。波变型：钻孔钻进临界面后，冲洗液消耗量出现小一大一小一大的变化情况，水位相应随之波动下降。临界面岩性为泥岩、粉砂岩、薄层砂岩互层或者为粉砂岩、泥岩时，往往产生这种现象（图3）。当然，钻孔在到达临界面之前，也可能因遇到透水性好的含水层或被疏干、正疏放水的含水层或局部采动裂隙等而引起冲洗液消耗或漏失，但此时孔内只是水位有一定的幅度变化由于其与导水裂隙带不联通，而不存在水力联系通道，故其水量、水位变化仅出现在局部孔段中。当裂隙（或含水层）被下入的套管隔离或被泥浆、岩粉充填后，这种变化现象随即消失不过这种局部变化往往给判断导水裂隙带临界面位置造成干扰，故在实践中应予以充分的注意。图1 突变型 图2 渐变型 图3 波变型3 钻孔的设计与实施3.1钻孔设计本次工程共布置钻孔2个，分别布置在2304综采面采空区开切眼以内350m（ZP1钻孔）及距离收作线130m左右靠近回风顺槽处（ZP2钻孔）（平面布置详细见图4）。2304综采工作面主采3号煤采厚3.5m，煤层埋深190210m，至今已经回采3a，采空区已经达到稳定，ZP1的覆岩类型为土基型、ZP2的覆岩类型为砂基型。图4 钻孔在综采工作面的位置3.2监测仪器和设备钻孔的观测项目、内容、仪器、工具和精度如表1。表1 观测项目及仪器观测项目观测内容观测仪器、工具观测精度冲洗液漏失量水源箱内原有水量、钻进过程中加入水量、水源箱内剩余水量、观测时间、钻进的进尺、孔深浮标尺、秒表、测尺、钻杆孔深误差小于0.15%；浮标尺读数误差小于5mm进尺读数误差小于10mm；水位深度误差小于100mm孔内水位每次下钻前、后水位。停钻期间水位、观测时间测钟、测绳、秒表、电测深仪冲洗液循环中断冲洗液不能返回时的孔深。如注水时冲洗液循环正常、记录注水水量钻杆、测尺、秒表异常现象向钻孔内吸风或瓦斯涌出、掉钻、卡钻、钻具振动及相应的孔深钻具、测尺岩芯鉴定全岩取芯、岩层层位、岩性、倾角、破碎状态3.3 钻孔观测工程钻孔采用清水钻进，钻孔孔径108mm，大于要求的钻孔直径91mm，由于钻孔揭露松散层时没有水位，因此钻进过程中没有加套管，控制每个回次长度小于4m，裂隙带小于2m，钻进穿过煤层底板后终孔，完成观测后利用水泥、碎石及沙进行封孔。3.3.1 ZP2钻孔的观测过程钻孔揭露第四系沙层（7.52m），无黄土层，安定组强风化砂岩（1.3m），直罗组（84.63m），延安组（100.65m）。根据钻探成果，强风化带为7.5217.4m（8.58m厚），中等及弱风化带为17.444.8m（27.4m），风化带的岩体如图5所示；除风化裂隙上覆岩层局部裂隙和离层较发育，在导水裂隙带以上有多组局部裂隙发育，如图6所示；104.8m以下岩层垂向裂隙普遍发育，如图7所示，可视为导水裂隙带的顶界面，173.8m以下岩体取芯率下降较大，所取岩样普遍破碎，如图8所示，可视为冒落带的顶界面。 图5 风化破碎岩芯 图6 局部裂隙 图7 导水的垂向裂隙 图8 导水的破碎岩体钻孔冲洗液消耗。 进入基岩段后开始观测钻孔冲洗液消耗量，在34m以浅，钻孔冲洗液消耗量保持同一水平，较小为18.823.3L/min，钻进34m时泵量150L/min时不返水，并出现吸风现象，继续钻进至孔底的过程中全泵量不返水，冲洗液消耗与钻孔孔深关系曲线如图9所示。钻孔内水位观测。对不同的含水层均进行了水位测量，松散砂层没有观测到水位（07.52m），风化基岩带于13.5m测量到稳定水位并保持到34m水位消失（13.534m）；七里镇砂岩（93.45111.9m）没有观测到水位，该层中砂岩中水被疏干；真武洞砂岩（173.8183.7m）没有观测到水位，该层中砂岩中水被疏干，水位与孔深关系如图10所示，其中初见水位后没有观测到水位时取对应的钻孔深度。 图9 ZP2钻孔冲洗液消耗量 图10 ZP2钻孔水位观测曲线钻进过程中的异常现象主要是指吸风、掉钻、卡钻及钻具振动。本次钻进过程中的吸风的深度有3439m、184194m均有明显吸风；在184194m的钻进过程中有掉钻的趋势，因此采用负压提钻钻进；掉钻现象出现在106m处；钻具振动现象没有出现。根据以上观测成果，综合确定在钻孔深度104.8m为导水裂隙带的顶界面，煤层在此处的底板在188m，因此的导水裂隙带高度为84.8m，此处煤层采厚为3.5m，裂采比为24.2；综合确定钻孔深度173.8m为冒落带的顶界面，煤层在此处的底板为188m，因此冒落带高度为14.2m，此处煤层采厚为3.5m，冒采比为4.06。3.3.2 ZP1钻孔的观测过程钻孔揭露松散黄土层（0.8m），安定组强风化砂岩（10.39m），直罗组（137m），含煤的延安组（60.52m）。强风化带为0.817.6m（16.8m厚），中等及弱风化带为17.629.3m（11.7m）；除风化裂隙上覆岩层局部裂隙偶有发育，在导水裂隙带以上有多组局部裂隙发育；111 m以下岩层垂向裂隙普遍发育，可视为导水裂隙带的顶界面，190.8m以下岩体取芯率下降较大，所取岩样普遍破碎，可视为冒落带的顶界面。钻孔冲洗液消耗量。进入基岩段后开始观测钻孔冲洗液消耗量，在109m以浅，钻孔冲洗液消耗量随着岩性有小幅度变化，为1525L/min，钻进109.2109.5、110.7110.9及111.7m以后时泵量150L/min时不返水，并出现吸风现象，继续钻进至孔底的过程中全泵量不返水，冲洗液消耗与钻孔孔深关系曲线如图11所示。钻孔内水位。对不同的含水层均进行了水位测量，松散层没有观测到水位（00.8m），111m以浅的基岩含水层测量到稳定的水位，水位埋深在619m之间，111m后未观测到钻孔水位，水位与孔深关系曲线如图12所示。图11 ZP1钻孔冲洗液消耗量与孔深关系曲线 图12 ZP1钻孔水位与孔深关系曲线本次钻进过程中的异常现象主要有吸风、掉钻、卡钻及钻具振动。本次钻进过程中的吸风的深度有109.2109.5m、110.7110.9m及111.7m以下均有明显吸风；在190.8209.4m的钻进过程中存在掉钻、卡钻现象，因此采用负压提钻钻进；钻具振动现象亦在190.8209.4m出现。根据以上监测成果，综合确定钻孔深度111.7m为导水裂隙带的顶界面，煤层在此处的底板在208m，因此的导水裂隙带高度为96.3m，此处煤层采厚为3.5m，裂采比为27.5；综合确定钻孔深度190.8m为冒落带的顶界面，煤层在此处的底板为208m，因此冒落带高度为17.2m，此处煤层采厚为3.5m，冒采比为4.91。4 结论（1）导水裂隙带发育高度。井田范围内现场实测的综采条件下导水裂隙带发育高度为84.896.3m，为采厚的24.227.5倍。冒落带高度为14.217.2m，为采厚的4.064.91倍。（2）榆阳煤矿范围内在没有黄土层分布的区域，煤层开采引起的边缘拉伸裂隙对地表砂层潜水影响明显，局部导水裂隙带可贯通第四系萨拉乌苏组含水层底部。本项目在研究过程中得到中国矿业大学李文平教授、李涛博士、常金源博士的指导和帮助，特此致谢。参考文献1王双明，黄庆享，范立民，等.生态脆弱矿区含（隔）水层特征及保水开采分区研究J.煤炭学报，2010，35（1）：7-14.2蒋泽泉，王建文，王宏科.浅埋煤层关键隔水层隔水性能及采动影响变化J.中国煤炭地质，2011，23（4）：26-31.3范立民.论保水采煤问题J.煤田地质与勘探，2005，33（5）：50-53.4李涛.陕北煤炭大规模开采含隔水层结构变异及水资源动态研究D.中国矿业大学，2012.5李文平，孙如华，王维理，等.陕北榆神府矿区浅部煤层开采导水裂隙带高度的