導(dǎo)水裂隙帶高度觀測新技術(shù)

1、導(dǎo)水裂隙帶高度觀測新技術(shù)第一頁，共59頁。目 錄序 言第一章 第二頁，共59頁。序 言 在井下回采工作面周邊某位置布置鉆窩，由該鉆窩向工作面采空區(qū)上方的覆巖導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)打仰斜鉆孔，采用井下導(dǎo)高觀測儀觀測導(dǎo)高，這是獲得國家發(fā)明專利。 這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，近10幾年來，已經(jīng)在山東微山湖下采煤、渤海灣龍口海下采煤、河北岳城水庫下采煤、山東、河北、江蘇、安徽等省各礦區(qū)的河流下采煤和含水松散層下采煤中廣泛應(yīng)用。井下導(dǎo)高觀測已經(jīng)在40多個礦井應(yīng)用。第三頁，共59頁。井下導(dǎo)高觀測法的優(yōu)點(diǎn)井下觀測法與傳統(tǒng)的地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法相比，有如下優(yōu)點(diǎn)： 井下觀測法鉆孔工程量小，井下觀測法鉆孔施工成本低。一般小于

2、地面觀測法三分一；地面鉆孔施工費(fèi)每米上千元，井下鉆孔僅僅六七百元，總施工費(fèi)一般能節(jié)省70%以上； 井下觀測法觀測精度高。在井下是使用儀器，每米逐段觀測，精度高，成果可靠。 為礦井水體下采煤確定最為安全合理的開采上限。根據(jù)實(shí)測導(dǎo)高值，按照“三下”采煤規(guī)程確定開采上限，合理提高開采上限，確保水體下采煤安全。第四頁，共59頁。第一章 井下導(dǎo)高觀測原理與方法第五頁，共59頁。圖2.1 井下仰斜鉆孔導(dǎo)水裂隙帶高度觀測示意圖第六頁，共59頁。圖2.2 井下仰斜鉆孔雙端堵水器導(dǎo)高觀測原理系統(tǒng)圖第七頁，共59頁。2儀器結(jié)構(gòu) 整個觀測儀器由三部分組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺，如圖 1.2和圖1.3。雙端堵

3、水器由兩個起脹膠囊和注水探管組成。連接管路有兩條：起脹管路和注水管路?？刂婆_也是對應(yīng)兩個：起脹控制臺和注水控制臺。 起脹控制臺、起脹管路和雙端堵水器的兩個膠囊相連通，構(gòu)成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統(tǒng) 。 注水控制臺，注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構(gòu)成一個控制和觀測巖層導(dǎo)水性的注水觀測系統(tǒng)。 圖2.3 雙端堵水器結(jié)構(gòu)示意圖第八頁，共59頁。3井下仰斜鉆孔雙端堵水器導(dǎo)高觀測原理與方法 （1）仰斜鉆孔穿過導(dǎo)水裂隙帶。在回采工作面周邊的適當(dāng)位置，向采空區(qū) 上方打仰斜鉆孔，該鉆孔要穿透覆巖導(dǎo)水裂隙帶，并進(jìn)入其上方的彎曲帶一定距離，一般510m則可，該鉆孔就是導(dǎo)高觀測鉆孔。 （2）使用雙端堵水器測

4、試各段巖層的透水性。使用雙端堵水器，由孔口起自下而上逐段（每段1米）測試每段巖層的導(dǎo)水性能，一直測試到孔底 實(shí)測到的透水巖層的最大高度，就是采場覆巖的導(dǎo)水裂隙帶高度。第九頁，共59頁。 （3）雙端堵水器的控制與巖層透水性觀測。起脹控制臺和注水控制臺的一端 分別連接起脹管路和注水管路，另一端則連著高壓水源。要觀測某一高度位置的巖層的透水性， 首先，操作起脹控制臺，使雙端堵水器的兩個膠囊處于無壓收縮狀態(tài)； 第二步，使用鉆機(jī)鉆桿將雙端堵水器推移到位； 第三步則是操作起脹控制臺，對雙端堵水器的兩個膠囊注水加壓，使之處于承壓膨脹狀態(tài)，從而封堵分隔一段鉆孔； 最后，則是操作注水控制臺，對分隔出的一段鉆孔進(jìn)

5、行注水觀測，通過注水控制臺上的流量表，觀測出這段巖層單位時間的注水滲流量，從而測試出這段巖層的透水性能。 第十頁，共59頁。井下導(dǎo)高觀測儀的改進(jìn) 控制臺增加了兩對過濾器，避免了儀表的堵塞損壞； 起脹膠管使用了高強(qiáng)度的鋼編管，避免了拉斷、磨斷和擠裂； 所有接頭都使用了O型圈和標(biāo)準(zhǔn)件，保證了水和氣兩套系統(tǒng)不泄漏； 一對起脹膠囊之間，使用了外連接方式，使結(jié)構(gòu)大為簡化而且性能更加可靠；采 用了優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度膠囊保障了在額定起脹壓力下不會破裂。第十一頁，共59頁。第二章 采場覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度觀測實(shí)例第十二頁，共59頁。龍口海下采煤H2101工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度觀測方案一導(dǎo)高預(yù)計(jì) 導(dǎo)高預(yù)計(jì)是進(jìn)行觀測設(shè)計(jì)

6、的依據(jù)，只有準(zhǔn)確預(yù)計(jì)了冒落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度，才能保證觀測成功。導(dǎo)水裂隙帶和冒落帶的發(fā)育高度主要取決于地層結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)和開采方法。北皂煤礦H2101綜放工作面的覆巖屬于典型的軟巖地層，開采煤層厚度按M=3.6m，根據(jù)二十多個礦井的實(shí)際觀測經(jīng)驗(yàn)和龍口礦區(qū)的地層結(jié)構(gòu)狀況，H2101綜放工作面開采后的冒高、導(dǎo)高預(yù)計(jì)如下：導(dǎo)高上限：H導(dǎo)上=10M=103.6=36 (m)導(dǎo)高下限：H導(dǎo)下=6M=63.6=21.6 (m)冒 高：H冒=3M=33.6=10.8（m）第十三頁，共59頁。二觀測位置的選擇與觀測鉆孔布置第十四頁，共59頁。圖2.5 導(dǎo)高觀測剖面圖A 第十五頁，共59頁。圖2.6 導(dǎo)

7、高觀測剖面圖B 第十六頁，共59頁。打孔順序 在工作面推采至距停采線距離60m之前，打出采前觀測孔； 采后孔的施工順序是1號孔、2號孔、3號孔； 4號孔，根據(jù)需要再研究是否施工； 5號孔是冒落帶高度觀測孔。第十七頁，共59頁。三觀測時間導(dǎo)高合理的觀測時間主要與覆巖巖性、開采厚度有關(guān)。這次導(dǎo)高觀測時間控制在：開采過后1020天。時間過短，覆巖變形尚未穩(wěn)定，鉆孔難以成型，觀測時鉆孔容易變形，卡住探頭。時間過長，覆巖會逐漸壓實(shí)，導(dǎo)高會降低。H2101面的采厚為3.6m，覆巖覆巖軟弱，巖層移動速度比較快，所以采后1020天觀測導(dǎo)高是最佳時機(jī)。每打完一個鉆孔，就觀測一個，鉆機(jī)不要移動，觀測時要使用鉆機(jī)。

8、每個鉆孔的觀測時間為1天，并提前一天在井上做好下井觀測前的準(zhǔn)備工作。第十八頁，共59頁。第三章 采場覆巖導(dǎo)水裂隙高度觀測成果第十九頁，共59頁。3.1 鉆孔施工與導(dǎo)高觀測過程H2101工作面施工觀測鉆孔19個。其中：采前對比孔5個，采后的導(dǎo)高觀測孔14個。鉆孔的施工與觀測分為三個階段第一階段，是在原來的外測觀測鉆窩施工了3個采前對比孔：外 A1孔、外B1孔和外A2孔。第二階段，在外側(cè)觀測鉆窩施工了2個采前對比孔：外A3孔和外B2孔，外A3孔和外B2孔距H2101工作面停采線的水平距離越38米，分析認(rèn)為不會受到開采影響。第三階段，在距停采線11米處的內(nèi)側(cè)觀測鉆窩，施工了14個導(dǎo)高觀測鉆孔。第二十

9、頁，共59頁。3.2 H2101工作面采前對比孔觀測成果第二十一頁，共59頁。停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253024681040孔深（m）滲流量l/min一外A1采前對比孔觀測成果第二十二頁，共59頁。二外A2采前對比孔觀測成果停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253040孔深（m）滲流量l/min51015202530第二十三頁，共59頁。三外A3采前對比孔觀測成果停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m355101520253024681019m孔深（m）滲流量l/min第二十四頁，共59頁。四外B1采前對比

10、孔觀測成果停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253024640孔深（m）滲流量l/min第二十五頁，共59頁。五外B2采前對比孔觀測成果停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m142124681019m孔深（m）滲流量（l/min）第二十六頁，共59頁。采前對比孔觀測成果總結(jié) 5個采前對比孔，測點(diǎn)總數(shù)為70個，漏水點(diǎn)共14個，有效測點(diǎn)數(shù)為56個，注水量0值點(diǎn)18個，0值占有效測試點(diǎn)的32。巖層的原始滲透性較小，除去最靠近孔口的點(diǎn)外，最大注水量只有8L/min，而且絕大多數(shù)小于6 L/min，而且滲流段較少。這說明巖層的原始連通型裂隙的不發(fā)育，這是軟巖性質(zhì)決定的。

11、五個采前對比孔，都是在外測鉆窩，采后導(dǎo)高觀測孔都是在內(nèi)側(cè)鉆窩，所以不宜每個鉆孔作具體的采前與采后對比。巖層原始滲流量，反映了巖層的原始連通型裂隙的發(fā)育程度，即使是同一層位，不同層面位置巖層的裂隙發(fā)育程度也有較大差異，也不是可以簡單對比的。第二十七頁，共59頁。3.3 H2101工作面采后導(dǎo)高觀測孔觀測成果第二十八頁，共59頁。導(dǎo)水裂隙帶上限的判斷標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)：注水量大于6L/min，而且連續(xù)多個測點(diǎn)有較大的注水量。導(dǎo)水裂隙帶范圍外：注水量小于6L/min，而且有注水量的測點(diǎn)不連續(xù)，出現(xiàn)較多的0值。第二十九頁，共59頁。一A1孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果A1孔在觀測過程中，封堵效果較差，不宜以

12、此為依據(jù)判斷導(dǎo)高上限。停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253024681040孔深（m）滲流量l/min第三十頁，共59頁。二A2孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果A2孔在孔深41.5m到孔深49.5m這一段，滲流量要么是0，要么僅僅是2、3L/min，量很小屬于不導(dǎo)水。所以A2孔的導(dǎo)水上限是孔深41.5m，對應(yīng)的靜壓值是0.06MPa，相當(dāng)于6m高。觀測巷鉆窩位置的巷道底板相對煤層2的高度是24m。因此，由A2孔判斷出的導(dǎo)高上限是: H(A2)=24+6=30(m)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m3551015202530246810

13、404550孔深（m）滲流量l/min第三十一頁，共59頁。三A3孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果A3孔是俯斜孔，全孔處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253024681040121416孔深（m）滲流量l/min第三十二頁，共59頁。四A4導(dǎo)高觀測孔的觀測成果 A4孔是俯斜孔，全孔處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m35510152025303691215孔深（m）滲流量l/min第三十三頁，共59頁。五A5導(dǎo)高觀測孔的觀測成果 A5孔是俯斜孔，全孔處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4

14、m-336.5m3551015202530246810孔深（m）滲流量（l/min）第三十四頁，共59頁。六A6孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果 A6孔是俯斜孔，全孔處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253024681040孔深（m）滲流量（l/min）第三十五頁，共59頁。七A7導(dǎo)高觀測孔的觀測成果A7孔：在孔深32m到孔深46m段，滲流量幾乎全是0。所以A7孔的導(dǎo)水上限是孔深32m，對應(yīng)的靜壓值是0.05MPa，相當(dāng)于5m高。觀測巷鉆窩位置的巷道底板相對煤層2的高度是24m。由A7孔判斷出導(dǎo)高上限是: H(A7)=24+5=29(m)停采剖面

15、線觀測巷3551015202530246810404550556560孔深（m）滲流量l/min第三十六頁，共59頁。八A8孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果A8孔所測出的巖層導(dǎo)水性能較弱，滲流點(diǎn)很少，滲流量也較小。該孔資料不宜判斷導(dǎo)高上限停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253012345404550孔深（m）滲流量（l/min）第三十七頁，共59頁。九B1孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m355101520253024681040孔深（m）滲流量l/min第三十八頁，共59頁。B1孔所顯示的覆巖的導(dǎo)水性能較為復(fù)雜，在孔深32

16、.5m到孔深37m這一段有滲流，其相對觀測鉆孔孔口的高度為10.512m。而在孔深17.531m這段巖層共有10個測點(diǎn)，其中5個測點(diǎn)的滲流量為0，另5個滲流值也很小，只有2.51.5L/min，這段巖層相當(dāng)于不導(dǎo)水。綜合考慮上述矛盾著的兩方面，在孔深32.5m到孔深37m這一段的滲流很可能是原生裂隙的滲流。所以B1孔的導(dǎo)水上限是孔深17.5m處，對應(yīng)的靜壓值是0.06MPa，相當(dāng)于6m高。觀測巷鉆窩位置的巷道底板相對煤層2的高度是24m。因此，由B1孔判斷出的導(dǎo)高上限是:H(B1)=24+6=30(m)第三十九頁，共59頁。十B2孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4

17、m-336.5m3551015202530246810404550孔深（m）滲流量l/min第四十頁，共59頁。B2孔的導(dǎo)高上限判斷在孔深37m處，主要依據(jù)除了滲流量，還有滲流段的長短。單純一個點(diǎn)的滲流，往往不是巖層的導(dǎo)水裂隙；連續(xù)幾個點(diǎn)有滲流，有時盡管滲流量比較小，也是導(dǎo)水裂隙。所以B2孔的導(dǎo)水上限是孔深37m，對應(yīng)的靜壓值是0.06MPa，相當(dāng)于6m高。觀測巷鉆窩位置的巷道底板相對煤層2的高度是24m。因此，由B2孔判斷出的導(dǎo)高上限是:H(B2)=24+6=30(m)第四十一頁，共59頁。十一B3孔導(dǎo)高觀測孔的觀測成果 B3孔是俯斜孔，全孔處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-3

18、60.4m-336.5m35510152025304812162040孔深（m）滲流量（l/min）第四十二頁，共59頁。十二B4導(dǎo)高觀測孔的觀測成果 B4孔是俯斜孔，全孔處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m35510152025301020304050孔深（m）滲流量（l/min）第四十三頁，共59頁。十三B5導(dǎo)高觀測孔的觀測成果 B5孔是俯斜孔，全孔處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)停采剖面線觀測巷煤2厚4.4m-360.4m-336.5m35510152025302468102孔深（m）滲流量（l/min）第四十四頁，共59頁。十四B6導(dǎo)高觀測孔的觀測成果B6孔導(dǎo)水裂

19、隙帶上限比較明顯，在孔深37m處，該處對應(yīng)的靜水壓力為0.05MPa，相當(dāng)于5m高。觀測巷鉆窩位置的巷道底板相對煤層2的高度是24m。因此，由B2孔判斷出的導(dǎo)高上限是: H(B6)=24+5=29(m)煤2厚4.4m-360.4m-336.5m停采剖面線觀測巷3551015202530246810404550556560孔深（m）滲流量（l/min）第四十五頁，共59頁。3.4 H2101面導(dǎo)高觀測綜合成果在14個采后導(dǎo)高觀測鉆孔中，有5個鉆孔測試出了導(dǎo)水裂隙帶的上限，這些觀測成果相互印證，可以得出可靠的結(jié)論：A2孔：H(A2)=24+6=30(m)A7孔：H(A7)=24+5=29(m)B1

20、孔：H(B1)=24+6=30(m)B2孔：H(B2)=24+6=30(m)B6孔：H(B6)=24+5=29(m)綜合上述觀測成果：H2101面導(dǎo)水裂隙帶高度：H=30mH2101綜放工作面在停采線一側(cè)的平均采厚M3.6m，所以導(dǎo)高與采后之比為： H/M30/3.68.3倍 第四十六頁，共59頁。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài) 導(dǎo)水裂隙帶馬鞍型導(dǎo)水裂隙帶側(cè)邊外凸寬度約10m導(dǎo)水裂隙帶的上界面應(yīng)該在厚度為3.9m的泥巖與厚度為2.9m的炭質(zhì)泥巖的交界面處。導(dǎo)水裂隙帶馬鞍型形成和側(cè)向邊界外凸機(jī)理：1. 在開采邊界處，覆巖彎曲變形的曲率最大，所以開采邊界處的導(dǎo)高最高；2. 在開采邊界外側(cè)即煤柱上方，彎曲變形的

21、覆巖處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)，容易產(chǎn)生張開型裂隙，因此，導(dǎo)水裂隙帶測向邊界外凸。第四十七頁，共59頁。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài) 第四十八頁，共59頁。導(dǎo)水裂隙帶的觀測時間 這次導(dǎo)高時間是工作面停采后10天20天，從觀測效果來看，是比較合適的，抓住了最佳觀測時機(jī) 。 如果觀測時間過早，鉆孔成孔困難，觀測時也容易出現(xiàn)塌孔。 如果觀測時間過晚，導(dǎo)水裂隙可能已經(jīng)閉合，有可能測到的導(dǎo)高值偏低。 今后再次觀測時，也可以嘗試再采后7天左右打?qū)Ц哂^測孔，不斷摸索更準(zhǔn)確的最佳導(dǎo)高觀測時段。 冒高觀測比較困難，今后應(yīng)該想辦法測出冒高值，冒高觀測應(yīng)該比導(dǎo)高觀測更早幾天就觀測，更重要的冒高的觀測手段和方法。第四十九頁，共59頁。導(dǎo)

22、高觀測鉆孔布置的合理數(shù)量 導(dǎo)高觀測的數(shù)目，取決于觀測目的要求。如果重點(diǎn)在導(dǎo)高值，那么應(yīng)該準(zhǔn)確預(yù)計(jì)導(dǎo)高上限，將鉆孔布置在測試導(dǎo)水裂隙帶上界面的位置上。 這次觀測共施工觀測鉆孔19個，其中采前對比孔5個。采后導(dǎo)高觀測孔14個，在14個采后導(dǎo)高觀測孔中，仰斜孔和俯斜孔各是7個。 從必要性和經(jīng)濟(jì)性來說，采前孔偏多，兩個觀測剖面需要仰斜孔和俯斜孔，一般24個就可以；采后的 俯斜孔也偏多，兩個觀測剖面只需要24個。 但是，從資料的豐富性和可靠性角度而言，觀測孔數(shù)增加對于提高觀測成果的可靠性來說是有利的。第五十頁，共59頁。第四章 軟巖地層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析第五十一頁，共59頁。 4.1 采場覆巖導(dǎo)

23、水裂隙發(fā)育的一般規(guī)律 裂隙帶處于冒落帶之上?，F(xiàn)場實(shí)測表明，裂隙帶內(nèi)，裂縫的形式及其分布有一定的規(guī)律性。無論是在緩傾斜煤層還是在急傾斜煤層的條件下，一般是發(fā)生垂直或近于垂直層面的裂縫，即斷裂（巖層全部斷開）和開裂（巖層不全部斷開）。 巖層斷裂和開裂的發(fā)生與否及斷開程度，除取決于巖層所承受的變形性質(zhì)和大小外，還與巖性、層厚及其空間位置有密切關(guān)系?？拷奥鋷У膸r層，斷裂嚴(yán)重；遠(yuǎn)離冒落帶的巖層，斷裂輕微。如圖4.1。 脆性薄層狀砂巖會發(fā)生斷裂，韌性薄層狀石灰?guī)r則會發(fā)生彎曲緩慢下沉。 第五十二頁，共59頁。圖4.1 導(dǎo)水裂隙帶的一般特征 第五十三頁，共59頁。北皂海域首采面覆巖導(dǎo)水裂隙帶的實(shí)測結(jié)果為： 嚴(yán)重?cái)嗔褏^(qū)在覆巖020m， 一般開裂區(qū)在2030m， 沒有明顯的微小開裂區(qū)。第五十四頁，共59頁。二、導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)巖層裂隙發(fā)育特征 導(dǎo)水裂隙內(nèi)的巖層發(fā)生的是彎曲斷裂，所以導(dǎo)水裂隙一般都垂直于巖層層面