首采工作面“三带”高度(原)

巨野煤田主采煤层首采工作面“三带”高度观测研究技术工作报告山东鲁能菏泽煤电公司彭庄煤矿

山东科技大学二。。七年十二月目录矿井概况及开采条件……………………1矿井概况…………1矿井………………1井田地层…………2可采煤层…………4井田水文地质条件………………53煤层导水断裂带高度观测工作面的基本条件……91301综采工作面概况 91301综采工作面开采地质条件………………10煤层采动覆岩导水断裂带高度观测…………………14观测方案………………………14观测技术方法的先进性………16采动覆岩断裂带高度预计……………………16观测剖面布置…………………17观测钻孔的设计与施工………19施工观测注意事项……………19观测过程………………………20施工观测时间过程……………21导水断裂带高度观测资料分析………213煤层采动覆岩断裂带高度观测结果 21采动覆岩断裂带高度分布规律………………24对导水断裂带高度的分析……………………2424结论与建议24矿井概况及开采条件矿井概况彭庄井田位于山东省西南部，嘉祥县城北约32km,军E城县城东14km；地理坐标为东经116。00，15〃〜116。0800〃，北纬35。32，15〃〜35。37，15〃。其自然地质界线范围东起F14断层，西至F21断层，北至F21支3断层，南界为奥陶系顶界露头及F15断层，东西长约11km，南北宽约10km，面积约103km2。行政区划属荷泽市军E城县及济宁市嘉祥县管辖，大部分在军城县境内。矿井范围由6个拐点圈定，其拐点座标如表1。表1彭庄井田范围拐点座标点号经距（Y）纬距（X）120410913394398722042148339438873204214023934641420409687393475252040973439393756204108673939363兖（州）新（乡）铁路从嘉祥县城向东约56km至兖州站与京沪铁路和兖（州）石（臼所）铁路相连，向西80km至荷泽站与京九铁路相连，经荷泽站向西259km至新乡站与京广铁路接轨；区内有公路可直达嘉祥、军城、梁山、济宁等县市，交通便利。巨野煤田彭庄井田为巨野煤田东延北支的一部分，原为梁宝寺找煤西区，单独划分成井田。该区赋存有主要可采的山西组3煤层。1301综采工作面为彭庄煤矿投产的第一个工作面。矿井设计概况矿井设计生产能力0.45Mt/a，服务年限51.5年。主要生产环节能力留有较大余地。矿井采用立井下山开拓,井口位于小屯村以南、X-3孔西南200m。井底车场水平标高-420m,辅助水平标高-750m,井口设计标高+42.5m。在工业场地内布置主、副两个井筒，主井兼作回风井。主井井筒净直径5.0m,装备一对8t多绳箕斗，选用JKMD-2.8x4（III）E型落地式多绳提升机，配800kW低速直联直流电动机。副井井筒净直径①6.0m,装备一对1t双层四车罐笼（一宽一窄），采用JKMD-3.5x4（III）E型落地式多绳提升机（下大设备14t）,配800kW低速直联直流电动机。井底车场采用环形布置，主井装载系统采用半上提方式。矿井采用中央并列抽出式通风方式，副井进风，主井回风。矿井投产移交一个东翼采区，装备一个综采工作面。煤流运输全部采用胶带输送机。大巷辅助运输选用8t蓄电池电机车牵引It矿车组。地面煤炭采用公路运输，即按地销考虑，也可由地方公路运往梁宝寺铁路装车站，集中装车外运，待郭屯电厂建成运行后，供郭屯电厂使用。矿井供电电源分别引自郓城县水浒变电站和巨野县三里庙变电所，矿井地面设35kV变电所，配备两台容量为8.0MVA主变压器，采用10kV电压供电。井田地层井田地层自上而下分别为：第四系、上第三系、二迭系上统上石盒子组、下统下石盒子组和山西组、石炭系上统太原组、中统本溪组及奥陶系中、下统。现分述如下：第四系(Q)厚102.20^142.00m平均125.09m由粘土、砂质粘土、砂及砂砾层组成。西北部较薄，东部、中部偏西南较厚，整体厚度变化规律不明显。上部粘土含量比较高，中部砂层含量比较高，砂层松散且透水性较好，富含孔隙水，底部以一层厚层粘土、砂质粘土不整合于下伏地层之上。属河湖相沉积。上第三系(N)厚164.20〜424.5m，平均313.78m，总体上东部最厚，西部、北部较厚，中部和西南部较薄。按岩性特征分为上、下两段：上段(2)：厚112.0〜214.4m,平均147.50m。上部以粉、细、中砂层为主，与棕黄色、棕褐色、黄褐色、灰绿色粘土互层，岩性松软，大部分未固结，局部微固结，下部以黄褐色粉、细、中砂为主，夹粘土、砂质粘土薄层，粘土中局部含石膏。粘土、砂质粘土易吸水膨胀，具可塑性，砂层松散。下段(Ni)：厚39.6〜212.01m，平均137.89m，以褐红、褐黄、灰绿、灰白色粘土层为主，偶夹粉、细砂互层。大部分微固结，局部半固结。粘土、砂质粘土中常见石膏，粘土具吸水性、可塑性。底部为含砾粘土或粘土质砂砾层及下伏地层在剥蚀、夷平过程中形成的滚石，成分、岩性不一，与下伏地层呈不整合接触。新生界地层厚度:本井田新生界(Q+N)厚度275.40〜543.30m,平均430.87m，以X-12、P-6孔附近最厚，在X-3、郓11号孔附近最薄，全区多变无明显规律。二迭系上统上石盒子组（Pi）：最大残厚533.10m,南部剥蚀，东北部残留厚度大，主要由杂2色泥岩、粉砂岩、灰绿色中、细砂岩组成。上部有厚层状灰白色石英砂岩作为区域对比标志层；中部有一层不稳定的铝土岩或铝质岩（A层），下部有柴煤段层位，底部含一层较稳定的铝土岩或铝质岩（B层），以其底部的含砾细、中砂岩与下石盒子组分界。本组属干热条件下的河湖相沉积，与下伏地层呈整合接触。下统下石盒子组（P2）：最大残厚75.60m。上部为黄色、灰紫色泥岩、粉砂岩夹灰绿1色细砂岩，下部为灰白色砂岩夹灰绿色泥岩，底部以不稳定的厚层状砂岩与山西组分界，由于其对下伏山西组岩层冲蚀作用不均，因而造成了其底界的起伏。属温暖湿热条件下的河湖相沉积，与下伏山西组整体呈整合接触，局部为假整合接触。下统山西组（Pi）：厚13.70〜91.20m，平均69.72m，除个别剥蚀点外整体厚度比较1均匀，东部较厚西部较薄。上部以泥岩、粉砂岩为主，夹中砂岩及细砂岩薄层；中、下部以中、细粒砂岩为主，夹薄层泥岩、粉砂岩，以交错层理为主，次为斜层理、水平层理及波状层理，含泥岩、粉砂岩包裹体；底部颗粒变细，泥质增多，具波状、浑浊状层理，见底栖动物通道及生物扰动构造，与下伏地层基本为整合接触。含2、3、3煤层，上下井田内3、3煤层全部不同程度地受到冲刷，其中3煤层仅在南部（P-8号孔）、北部上下 上（X-14、P-3号孔）和西部（X-13号孔）附近小范围内保存。3煤层在井田西部保存范围较下大。（4）石炭系（C）包括上统太原组、中统本溪组。上统太原组（C）：厚45.30〜176.70m，平均148.97m，除个别剥蚀点外整体厚度比较3均匀，东部较厚西部较薄。由灰至灰黑色泥岩、粉砂岩、灰白色中、细砂岩、薄层石灰岩及煤层组成。含灰岩十层（二、三、五、六、七、八、九、十、十、十一），以三灰、上下十灰最为稳定。含煤21层（6、8、8、8、9、10、10、11、12、12、12、下 上中下 中 下 上 中 下14、15、15、15、16、16、17、18、18、18），其中16、17煤层为主要可上 中 下 上 下 上 中 下采煤层。根据岩性特征将本组分成三个段。三灰段：从太原组顶界至六灰，以粉砂岩、泥岩为主，夹粉、细砂岩互层、石灰岩和煤层。三灰全区稳定，厚5.05〜6.70m，平均5.95m。为浅灰〜深灰色，局部含泥质和燧石结核，具缝合线构造，含丰富的海百合茎以及少量腕足类化石，是本井田主要标志层。本段上部含6煤层，可采性差。八灰段：从六灰至十灰，以泥岩、粉砂岩、细砂岩及粉、细砂岩互层为主，夹石上灰岩及煤层。七、八、九层灰岩均较稳定。八灰为主要标志层，厚0.36~5.10m,平均厚2.62m，灰至灰褐色，局部含燧石结核。含个体较大腕足类化石。本段无可采煤层。十灰段：下以十二灰之上粉砂岩与本溪组分界,上至十灰,为太原组主要含煤下上段。以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，夹石灰岩及煤层,含灰岩3层，煤层5层，其中十下灰是本区最稳定、最可靠的对比标志层，是16煤层的顶板，厚3.50〜11.22m,平均5.61m,16、17煤层为局部可采煤层。中统本溪组（C）：厚9.80〜27.40m,平均15.98m，主要由紫色、灰色、灰绿色泥岩、2浅灰色砂岩及石灰岩组成。含石灰岩2层（十二、十四灰）,十四灰较稳定。底部为一层紫红色铁铝质泥岩,相当于山西式铁矿。与中、下奥陶统呈假整合接触。（5）奥陶系中、下统（0）1〜2井田内有6个钻孔揭露，最大揭露厚度53.24m，灰褐色中、厚层状灰岩为主，间夹多层白云质灰岩、白云岩及薄层灰绿色泥岩。岩溶较发育,为本井田的主要含水层。可采煤层本井田含煤地层为下二迭统山西组和上石炭统太原组，平均地层总厚229.68m。共含煤24层，其中山西组3层（2、3、3）；太原组21层（6、7、8、8、9、10、10、上下 上中 下11、12、12、12、14、15、15、15、16、16、17、18、18、18），平上 中 下 上 中 下 上 下 上 中 下均总厚8.02m，含煤系数3%,可采煤层有3、6、16、17煤层，平均总厚5.48m，占下上煤层总厚的68%，可采煤层中又以3煤层最重要，平均总厚2.22m，占可采煤层总厚下的49%，是本井田首采及主采煤层。可采、局部可采煤层情况见表2。表2可采煤层特征一览表煤层名称煤 层夹石全区厚度（m）最小〜最大可米区内采用煤厚最小〜最大平均（点数）结构稳定性可采性间距（m）最小〜最大层数主要岩性平均（点数）平均（点数）3下0.00〜4.750.74〜4.35简单较稳定大部可采0〜3泥岩粉砂岩2.22(24)2.66(20)27.78〜50.0860.00〜1.020.70〜1.02简单较稳定局部可采38.54(21)00.71(26)0.82(20)103.4〜118.0416上0.52〜3.490.77〜2.93简单较稳定局部可采109.77(6)0〜1泥岩0.98(10)1.21(5)5.47〜11.81170.38〜2.260.74〜1.85简单较稳定大部可采8.04(9)0〜1泥岩1.33(11)1.34(7)3煤层位于山西组的中、下部，上距石盒子组B层铝土岩平均104.5m，下距太原下组6煤层平均38.54m。煤层厚度0〜4.75m，平均2.22m,可采系数为83%，可采范围内变异系数0.38。含夹石0〜3层，岩性为泥岩、粉砂岩，结构较简单。煤层的顶板为中、细砂岩，少数为泥岩或粘土岩，底板为泥岩及粉砂岩。煤层受到不同程度的冲刷，在井田西部保存范围较大，受冲刷影响较小，局部有冲刷变薄现象，大部厚度较大且较稳定，可采面积约21km2,可采范围内平均厚度2.66m。东部大面积冲刷，南部和西北部亦有冲刷、冲薄区。属较稳定的大部可采煤层，是本井田主要可采煤层。井田水文地质条件彭庄井田位于巨野煤田东部，全井田均为巨厚新生界松散层覆盖。东界为f14断层，落差940〜1000m，东升西降，区内煤系地层与奥灰对接，形成补给边界；西部边界为F21断层、北部边界为F21支3断层，落差40〜400m，由北向西渐变小，井田内煤系地层与区外二迭系隔水层组对接，形成隔水边界；南界以f15断层或奥灰隐伏露头为界，F15断层落差〉700m，南升北降，井田内煤系地层与区外奥灰对口接触，均形成补给边界。1.5.1含水层井田内含水层自上至下依次是Q+N砂砾层、石盒子组砂岩、山西组3煤层顶底板砂岩、太原组三灰、十灰及奥陶系灰岩。其中3煤层顶底板砂岩和太原组三灰是开采上下组煤的直接充水含水层；十灰及奥灰为开采下组煤的直接充水含水层。下新生界松散含水层①第四系松散层孔隙含水层第四系地层为河湖相沉积，广布全区，与下伏上第三系地层呈不整合接触，厚102.20〜142.00m，平均厚125.09m，含水的砂、砾层与隔水的粘土、砂质粘土层相间沉积。一般含砂层4〜10层，砂层厚度20〜52m，砂层以中、细砂为主，局部有粉砂和粗砂，其矿物成分主要为石英、长石，较松散，连续性较好，透水性较强。据梁宝寺井田L6-1孔抽水试验资料，抽水段砂层累计厚度13.60m，单位涌水量0.6396L/s.m，富水性中等，水质类型为SO4.Cl-Na型，矿化度1.522g/L，直接接受大气降水的补给。②上第三系松散层孔隙含水层上第三系地层受古地形影响厚度变化较大，X-3孔最薄，厚仅164.20m，厚度大于400m的有P-6(406.30m)、X-12(424.50)两孔，平均厚度为318.29m，由粘土、砂质粘土和砂砾层相间沉积组成。据钻探取芯、测井资料及地震资料综合分析对比，上第三系可分为上、下两段：上段（N2）:厚112.0〜214.4m,平均147.50m。由中、细砂层与杂色粘土、砂质粘土相间沉积而成。一般含砂层6〜16层，砂层厚27.00〜110.00m,成犬牙交错状相连，砂层较松散,富水性较强,含松散孔隙承压水。下段（N1）：厚39.60〜212.01m，平均137.89m。以厚层粘土为主，多呈杂色，呈半固结状,常见白色高岭土层或石膏团块。砂层以灰白、棕黄色的中、细砂为主,砂质不纯多含泥质成分，含砂层较上段减少，一般含砂2〜12层，砂层厚度18.00〜56.00m,受古地形影响砂层厚度变化大，连续性差，多呈透镜状。该层段底部一般为厚层粘土、砂质粘土层，井田南部局部地段砂、砂砾层直接覆盖在下伏地层之上。据梁宝寺L16-3孔抽水试验资料，抽水段砂层累厚9.57m，钻孔单位涌水量0.3831L/s.m,水质类型为SO4-Ca.Mg型，矿化度3.556g/L；郭屯井田J-7、J-10号孔抽水试验，抽水段砂层厚度21.15〜25.3m,单位涌水量0.0857〜0.1717L/S.m,水质类型为SO4-Na.型，矿化度2.216〜2.844g/l，均属水质较差富水性中等的松散孔隙承压含水层。（2）二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层该组保留不全，背斜轴部附近遭受剥蚀，厚度较薄，井田东部较厚，含水层为粗、中、细砂岩。据21个揭露P21地层的钻孔统计，漏水孔5个，漏水孔率23.80%；据22个揭露P]2地层的钻孔统计，漏水孔2个，漏水孔率9.10%。主要漏水点岩性为中、粗、细砂岩，并多分布于断层附近或背斜轴部，表明了其含水性多为构造裂隙所致。据邻区梁宝寺井田L7-3号孔对P21砂岩抽水试验资料，钻孔单位涌水量0.0141L/s.m，富水性弱，水质类型为SO4-Na型，矿化度4.097g/L。上石盒子组砂岩漏水点深度为467.01〜689.12m，下距3下煤层最小间距为173.78m,均位于采后导水断裂带之上，正常情况下对开采上组煤层没有直接充水影响。（3）山西组3煤层顶底板砂岩裂隙含水层3煤层顶、底板砂岩统称为3砂。3煤层顶板砂岩厚16.50〜58.90m,平均31.04m。底板砂岩厚1.50〜23.15m,平均8.73m。以中、细砂岩为主，局部为粗砂岩，裂隙局部发育，充填有方解石脉。井田内共有20孔揭露，有3孔漏水，漏水孔率为15.0%，均分布于断层附近。该层位X-6、X-8两孔抽水，水位标高37.33〜37.765m,钻孔单位涌水量0.0217〜0.0272L/s.m，富水性弱，矿化度1.9866〜2.4026g/L，水质类型为SO4-Na水。为开采3煤层的直接充水含水层。（4）太原组石灰岩岩溶裂隙含水层①三灰三灰厚5.05〜6.70m,平均5.95m。浅部裂隙较发育，岩溶裂隙常充填方解石和泥质。据22个揭露三灰钻孔统计，2孔漏水，漏水孔率9.1%，其中一点在浅部3煤层露头附近，一点位于断层附近。据X-6、X-8两孔抽水试验，水位标高37.41〜38.115m,钻孔单位涌水量0.0419〜0.05133L/s.m,富水性弱，矿化度1.4547〜1.7414g/L，水质类型为SO4HCO3-Na型水。三灰为富水性弱的岩溶裂隙承压含水层，其上距3煤层44.15〜68.83m,平均54.44m,上距6煤12.50〜18.16m,平均14.59m，是开采上组煤底板进水的直接充水含水层。②十灰下井田内10孔揭露，厚度3.50〜10.82m，平均5.58m。浅部裂隙发育，局部有溶蚀现象，充填方解石与泥质。5孔漏水，漏水孔率50%，漏水深度654.25〜1103.60m，漏水点多位于浅部及断层附近。据X-3号孔漏水抽水，水位标高35.84m,钻孔单位涌水量0.0300L/s.m，富水性弱，矿化度2.4317g/L，水质类型为SO4—Na.Ca水。据相邻的郭屯井田239号孔漏水后抽水，单位涌水量0.2617L/s.m，富水性中等，渗透系数7.442m/d。十灰是16煤层直接顶板，为开采16层煤的直接充水含水层。下（5）奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层井田内有6孔揭露，揭露厚度2.38〜53.24m，岩性为浅灰至棕灰色，厚层状石灰岩,见有裂隙及小溶洞，裂隙最宽达20mm左右，有的被方解石充填或半充填，有2孔漏水，漏水孔率33.3%，漏失量10.8〜＞15.0m3/h，漏水点距奥灰顶界面30.35〜39.50m，漏水点深度675.80〜693.65m,并位于浅部及断层附近°X-5号孔漏水抽水，水位标高34.95m,钻孔单位涌水量0.87151/s.m，富水性中等，矿化度3.2532g/l，水质类型SO4-Ca型水。邻区梁宝寺井田进行了两次抽水试验，单位涌水量1.4188〜1.7084L/s.m,说明了奥灰的强富水性，水质类型为SO4-Ca.Mg.Na〜SO4.HCO3-Ca.K+Na.Mg型，矿化度0.971〜1.310g/L。本井田奥灰赋存条件与梁宝寺相似，井田东、南两面为奥灰隐伏区，奥灰接受上第三系砂砾层水的补给，且离奥灰补给区嘉祥灰岩出露区较近，富水性与梁宝寺相近，属中等〜强富水含水层，同时由于其上压盖隔水层薄，静水压力大，故奥灰水对开采下组煤层具有较大的充水威胁。1.5.2隔水层隔水层有第四系、上第三系粘土类隔水层；上二迭统泥岩、粉砂岩、铝土岩等隔水层；下二迭统杂色泥岩、粉砂岩隔水层；太原组泥岩、粉砂岩类隔水层；本溪组铁铝质泥岩为奥灰含水层的压盖隔水层。分述如下：（1）第四系粘土层以灰绿、棕黄色粘土、砂质粘土为主，隔水性能良好，阻隔了各含水砂层之间的水力联系，在第四系底部有一层较稳定的粘土层，厚4.50〜50.00m，其隔水层性能良好，阻隔了第四系砂层与上第三系砂层之间的水力联系。（2）上第三系下段以粘土、砂质粘土为主，粘土类占地层总厚的70%以上，由上而下固结程度渐增，局部钙质粘土层呈坚硬状态。据龙固井田L-16号孔物理力学取样测试，底部近百米段粘土塑性指数17.6〜27.0,凝聚力0.18〜0.24MPa，为软硬塑性具备的粘土、砂质粘土隔水层；粘土中常夹有柱状或板状石膏晶体，富含蒙脱石矿物，易膨胀，钻进中钻孔常常发生缩径现象，这说明该层段粘土更具有隔水性。本井田第四系、上第三系内的粘土层分布广泛，厚度稳定，隔水层性能良好，从而阻隔了各砂层间及新生界与基岩含水层间的水力联系。（3）二迭系上、下石盒子组泥岩隔水层上石盒子组厚64.50〜533.10m，平均217.92m，主要为泥岩、粉砂岩、粘土岩；下石盒子组厚15.40〜75.60m，平均44.61m，主要为杂色泥岩和粉砂岩，局部夹有厚层状砂岩透镜体。由于此隔水层厚度较大，隔水层性能良好，进一步阻隔了新生界含水层向基岩含水层的补给。（4）17煤下伏隔水层17煤底板至奥灰正常间距25.12〜46.66m，岩性包括17煤层至本溪组顶界之间的泥岩、粉砂岩、本溪组泥岩及铁铝质泥岩、薄层灰岩，共同组成压盖隔水层，压盖在奥灰之上。但由于其厚度较小、埋藏深，其中，十二灰厚0.50〜1.70m，平均1.14m，有2孔漏水，漏水孔率25%，因此，难以抵抗奥灰水底鼓压力，奥灰水将对开采下组煤构成较大的威胁。除上述隔水层组外，石炭、二迭系含煤地层中的泥岩、粉砂岩占地层的比例较大，它们的隔水性能较好，阻隔了各含水层间的水力联系。1.5.3断层导、富水性断层导水性包括两方面：其一是断层两盘含水层的水是否通过断层带发生水平补给；其二是断层同一盘含水层地下水能否通过断层带或附近裂隙发生垂直补给。决定断层是否导水的主要因素是断层的力学性质、断层两盘含水层接触关系及断层带充填物的胶结程度。据部分矿井的实际生产资料表明，隔水层中的断层不导水，断层两侧含水层与含水层相对接时才具有导水性。井田内普、精查阶段见断层的孔，均未发现泥浆消耗量有明显的增大和漏失现象，这从一个侧面反映了断层带不富水的特征。但是从基岩含水层漏水钻孔分布特征看，一般漏水点均位于含水层隐伏露头及断层附近，说明在大的断层附近，岩石较破碎，裂隙发育，常伴生一些次级小断层或裂隙，因此，大断层两侧、端点及交汇部位常形成相对富水区。断层导水性还与地下水的水力变化有关。如滕北矿区1988年以前尚未全面开发，但各基岩含水层水位都大面积下降，且不同含水层降幅不一，显然是受同一水文地质单元内大屯、滕南矿区的长期排水影响所致。因此，在矿井长期排水的作用下，较大的水头差使断层发生导水。本井田东界F14断层，落差940〜1000m,南界F15断层落差大于700m,均使井田内的煤系含水层与对盘的奥灰强含水层对口接触，井田内H>100m的断层，使三灰、十灰与奥灰接近和对口，因此，在落差较大的断层附近应防止断层导水。1.5.4地下水的补给及排泄条件井田内地表水系发育，主要河流有郓城新河、郓巨河、赵王河，由于新生界中粘土类隔水层发育良好，因此，各基岩含水层与地表水、大气降水无直接水力联系。井田内各基岩含水层露头均隐伏于新生界之下，接受新生界下部砂砾层水的补给。据本井田含水层抽水试验资料分析，各含水层静止水位差别不大，各含水层矿化度均在1.5g/l以上，表明其迳流不畅，水循环慢，地下水以储存量为主的特征。由于本井田无水位动态长观孔，各含水层的动态变化规律尚不清楚。应在矿井开发过程中对含水层的水位动态进行观测研究，以便正确进行井田水文地质条件分析和预报矿井涌水量，防止发生矿井突水灾害。1.5.5水文地质类型开采3及6煤层的直接充水含水层为3煤层顶、底板砂岩，太原组三灰，富水性弱，下其补给条件均较差，故本井田上组煤为裂隙、岩溶充水水文地质条件简单的矿床；开采16、17煤层的直接充水含水层为太原组十灰和奥灰，十灰的富水性弱，但基底奥灰含下下水层的富水性中等〜强，补给较充沛，采下组煤时有底鼓出水的威胁，由于十灰及奥下灰专门水文地质工程量少，故下组煤暂定为岩溶裂隙充水水文地质条件中等偏复杂的矿床。3煤层导水断裂带高度观测工作面的基本条件1301综采工作面概况1301综采工作面位于首采区中上部，为首采区首采面。为确保矿井首采面的回采安全，上部靠近F支2断层预留一个工作面及其断层保护煤柱，下部为1303设计工作面，21北部为F断层，南至工业广场保护煤柱线。13地面标高：+40.3〜+41.0m工作面标高：-450〜-590m埋藏深度：491〜631m工作面面积：87562m2。1301综采工作面开采地质条件（1）地层情况1301综采工作面所采煤层为下二叠统山西组底部之3煤层，煤层产状平缓，结构简单，煤厚变化较大，煤层厚度为1.6-3.6m,加权平均厚度为2.3m，煤层较稳定；沿工作面方向煤层倾角为8-11°；沿工作面推进方向煤层倾角为3〜6°,平均5°,为近水平煤层。煤层硬度系数f=1.8。含夹石0〜3层（P-6号孔中见3层夹石），岩性为泥岩、粉砂岩，结构较简单。煤层的顶板为中、细砂岩，少数为泥岩或粘土岩，底板为泥岩及粉砂岩。该工作面直接顶为中砂岩，灰白色，成份以石英为主，泥质胶结，厚度为20m左右。煤层底板为泥岩，含少量根部植物化石。3煤层顶底板岩层情况见表3。下表33下煤层顶底板情况表煤层顶底板情况顶底板情况岩性厚度（m）岩石特性老顶中砂岩12灰白色，以石英为主、长石次之，裂隙较发育。直接顶细砂岩10灰白色，成分以石英长石为主，裂隙稍发育。伪顶粉砂岩0.3局部有伪顶，岩性为粉砂岩夹煤线。直接底泥岩0.5灰色，泥质结构，块状，含少量植物碎片化石。老底细砂岩6.5深灰色，断口参差状，含植物根化石，裂隙稍发育。彭庄井田X-1钻孔位于1301综采工作面中部西侧，2001年8月30日〜2001年9月28日施工，钻孔井口坐标（3940211.77,20413035.48,+40.59）,钻孔终孔深度609.73m,其揭露的地层情况如下：第四系（Q）：112.00m新第三系（N）：307.80m二叠系下石盒子组（P12）：56.90m二叠系山西组（P11）：78.80m

揭露3煤层厚2.88m（电测2.72m）。其钻孔柱状如表4所示。下由表4可见，除第四系和新第三系地层外，3煤层顶板二叠系山西组和下石盒子组下地层中的岩性主要由中砂岩、细砂岩和粉岩组成。表4XT孔钻孔柱状2）地质构造该面煤岩层基本形态为一单斜构造，走向340°，倾向70°，倾角8°〜11°，平均9°。根据巷道的实际揭露资料，工作面切眼开始570m内有多条正断层，落差1.5m以上的有6条，其中5条在工作面内，对回采有较大影响，另一条在工作面外，是工作面的边界断层。另有落差1m左右的小断层多条，里段及切眼附近小断层密集，给工作面回采会带来一定影响。根据巷道揭露情况分析，该工作面范围内，地质构造变化较大，较小的断层几十米内会迅速变大，较大的断层也会迅速变小。（3）地质及水文地质1301综采工作面内地质构造简单，为一向西偏北倾斜的单斜构造。根据巷道掘进过程中的揭露情况，工作面内构造简单，煤层赋存稳定。3煤层顶板砂岩厚16.50〜58.90m，平均31.04m。底板砂岩厚1.50〜23.15m,平均8.73m。以中、细砂岩为主，局部为粗砂岩，裂隙局部发育，充填有方解石脉。为开采3煤层的直接充水含水层。（4）采矿条件1301综采工作面为综合机械化采煤工作面。1301综采工作面走向长大约1500m，倾斜长150m，周围均为未采区。煤层具有自然发火倾向和爆炸性，煤的容重为1.38。彭庄煤矿1301综采工作面平面位置见1。图1彭庄煤矿1301综采工作面平面位置图（局部）煤层采动覆岩导水断裂带高度观测观测方案传统的采动覆岩断裂带高度观测方法是地面钻孔水文观测法，需要在地面位于采空区回风巷或机巷侧一定范围内，以采空区一侧为主施工数个钻孔，通过钻进过程中钻孔冲洗液消耗量的变化，求得采动覆岩断裂带的高度和分布形态，如图2所示。一旦煤层埋藏较深，不但耗费钻孔工程量较大，观测的准确度也难以控制。图2地面钻孔观测示意图为了减少工程费以及提高观测的准确度，本次观测采用了井下仰孔分段注水观测的新技术方法。该技术方法的实质性特点是在煤矿井下采煤工作面周围选择合适的观测场所，例如可在相邻工作面的区段平巷或所测工作面的停采线或开切眼以外的巷道中开掘钻场，向采空区上方打仰斜钻孔。观测钻孔应避开冒落带而斜穿断裂带，达到预计的断裂带顶界以上一定高度。使用“钻孔双端封堵测漏装置”沿钻孔进行分段封堵注水，测定钻孔各段水的漏失流量，以此了解岩石的破裂松动情况，确定断裂带的上界高度，如图3所示。图3井下钻孔法观测示意图“钻孔双端封堵测漏装置”是进行井下仰孔分段注水观测的主要设备，它包括孔内封堵注水探管和孔外控制阀门及观测仪表系统，如图4所示。测试探头钻孔II耐压软管钻机[M高压胶管放水阀年高压气冰）源注水操作台巷道钻窝封堵操作台接高压水源压力表、进水阀□="=□ □=—=1测试探头钻孔II耐压软管钻机[M高压胶管放水阀年高压气冰）源注水操作台巷道钻窝封堵操作台接高压水源压力表、进水阀□="=□ □=—=1□严.U-调压阀,■■■压力表 1压力表进水阀〔°丁、口放水阀调压阀口图4井下仰孔观测系统示意图孔内封堵注水探管如图5所示，两端有两个互相连通的胶囊，平时处于静止收缩状态，呈圆柱形，可用钻杆或人力推杆将其推移到钻孔任何深度。通过细径耐压软管、调封堵胶囊注水管封堵胶囊钻杆钻杆

封堵胶囊注水管封堵胶囊钻杆钻杆压阀门和指示仪表向胶囊压水或充气，可使探管两端的胶囊同时膨胀成椭球形栓塞，在钻孔内形成一定长度（设计为lm）的双端封堵孔段。通过钻杆或人力空心推杆（兼作注水管路）、调压阀门和压力流量仪表向封堵孔段进行定压注水，可以测出单位时间注入孔段并经孔壁裂隙漏失的水量。实测结果表明，在尚未遭受松动破坏的岩石中，在0.lMPa的注水压力下，每米孔段每分钟的注水流量值小于l升，甚至趋近于0；而在充分发育的断裂带范围内可达30升。观测技术方法的先进性探测覆岩断裂带的井下仰孔分段注水观测方法与以往的传统方法相比，具有“精度高、工程量少、投资省、观测效益明显”等优点，具有较普遍的适用性和推广意义。该技术方法能在任意倾角的岩石钻孔内进行分段封堵注水，测定孔段漏失流量，确定岩体的裂隙及松动状况，为安全防范及岩体加固提供参数。用于探测覆岩断裂带，比传统的地面钻孔冲洗液消耗量观测法节省工程费用70%以上；具有准确度高的优点。还可用于探测煤层采后底板破坏深度，为防治煤矿底板突水提供资料。采动覆岩断裂带高度预计覆岩导水断裂带高度的大小是关系到开采工作安全与否的一个重要因素，并由此决定了覆岩安全保护层带的厚薄或存在与否，根据山东科技大学多年来对覆岩导水断裂带高度的研究，认为受采动影响上覆岩层连续性遭到破坏，在层面方向上产生离层破坏，而在垂直方向上受剪切及层向拉力的作用，形成垂直的覆岩破坏带。根据2000年版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，导水断裂带高度按下面的三个公式计算：在实际应用中，根据覆岩类型不同将上式分为⑴煤层顶板上覆岩层类型为坚硬时：(1)100XM(1)H= 土8.9Li1.2乙M+2.0式中：HLi式中：HLi导水断裂带高度（m）工M——累计采厚工M——累计采厚（m）⑵煤层顶板上覆岩层类型为中硬时：100乂MH= 土5.6Li1.6乙M+3.6(2)式中：HLi式中：HLi导水断裂带高度（m）Em——累计采厚（m）⑶煤层顶板上覆岩层类型为软弱时：100乂MH=—V +4.0 （3）Li3.1乙M+5.0式中：HLi——导水断裂带高度（m）Em——累计采厚（m）根据彭庄煤矿1301综采工作面的开采参数及地质采矿条件，工作面顶板岩层属于中硬类型，煤层厚度参照X-3钻孔资料按2.3m计算，其断裂带高度预测结果如表5所示。表51301综采工作-面断裂带咼度预测结果岩性煤层厚度/m断裂带预测高度/m备注坚硬2.348.32±8.9中硬2.331.6±5.6软弱2.316.0±4由表5可见，在设计观测孔时，主要对覆岩采动破坏高度在30〜50m范围内的覆岩破坏情况进行控制研究。同时，为防止出现裂高过大等异常情况，适当加大钻孔深度，至少延长5m孔段的深度，以便测出一定长度的不漏水孔段，作为确定断裂带顶界的依据，实际最大控制高度为55m。3.4观测剖面布置（1）观测工程布置观测剖面位置的确定首先应考虑采前需打孔观测，而且要留有一定的富裕时间，重点考虑采后观测的可行性；其次要考虑钻孔开工处（钻窝）围岩的完整性，以便于巷道峒室的维护和观测孔孔口的完整，还应考虑水源、通风行人的方便。综合考虑上述因素，决定将观测剖面设在1301综采工作面停采线附近的上部运输巷内，停采线外距离停采线15m处布置钻场（具体布置见图6）。由于1301综采工作面回采完毕，运输巷不再使用，因此可以直接在1301综采工作面运输巷内布置采前、采后观测钻孔。（2）观测地点配置观测地点除能放置一台150钻机及其钻杆等配套器材外，还需容纳4〜6人进行钻机作业与观测，其场地面积应不小于8m2，高度控制在2.5m上下，不宜过高。作业场所内应配备不小于1MPa的高压水源管路及相应的阀门和接头；如能配备不小于1MPa的高压气源最好。如不便设置高压气源，也可临时采用高压瓶气或高压水代替。东翼轨道下山工广保护煤柱厂*场车中一东翼轨道下山工广保护煤柱厂*场车中一图6观测钻孔平面布置图观测钻孔的设计与施工采前钻孔用于观测未受采动影响的煤层覆岩岩层的原始裂隙状态，以作采后观测对比的基础；采后观测用于控制覆岩岩层导水断裂带的最大发育深度，应在采后覆岩移动基本稳定后施工。为了达到预期的试验研究目的，钻孔施工与布置应按以下步骤进行。⑴为保证资料对比的可靠性，在1301运输巷靠近停采线附近斜交于顺槽方向，向着1301综采工作面第二联络巷方向以60°仰角向煤层覆岩施工采前钻孔，孔径89mm孔深为65m。⑵在工作面停采后约两个半月时，先以65。仰角向煤层覆岩施工采后2#钻孔，孔深为65m；根据观测资料，若导水断裂带发育较低，则再以55。仰角向煤层覆岩施工采后3#钻孔，孔深为60m；若导水断裂带发育中等，则孔深分别为65m；若导水断裂带发育较高，则孔深分别为70m，孔径均为89mm。依据上述设计，钻孔施工要素及要求见表6，观测钻孔布置剖面见图7。表6钻孔施工要素孔号名称孔径mm方位仰角孔深m完成时间1#采前孔89参见钻孔平面布置图60°65未受采动影响2#采后孔89参见钻孔平面布置图65°65采后60天3#采后孔89参见钻孔平面布置图55°65采后60天如果第一个采后观测孔（2＃）测得的导水断裂带高度明显低于预计高度，第二个采后观测孔（3＃）可适当减小长度。施工观测注意事项⑴钻孔开孔与施工顺序应严格按照设计的钻孔参数进行施工，保证按时保质保量完成。⑵为便于钻孔施工，可根据具体情况先用小孔径钻头钻孔，然后再用大钻头扩孔成型。扩孔时，钻头推进速度不宜太快，以保持孔壁完整光滑，利于分段封堵进行观测。⑶钻孔施工过程中，每班应填写报表，详细记录钻进过程中出现的漏水、涌水、卡钻、钻空等现象，班后向钻机队汇报，有关情况钻机队技术人员应及时通报地测科。⑷钻孔施工要确保钻孔孔体的方向及倾角的准确性，扩孔后孔壁保持圆滑。钻孔终孔后应在孔口标注孔号及钻孔参数。⑸钻孔施工完成后，应用清水将孔内碎碴及岩屑冲洗干净，以利观测。图7钻孔布置剖面图⑹钻孔施工完成后，切勿立即移动或撤走钻机，因为观测时还要用钻机和钻杆推送探管；如果发生孔内故障，也要用钻机进行处理。一旦撤离钻机，观测时重新恢复原来的位置、方位和仰角是很困难的。⑺钻孔施工完成后，应立即进行观测，以免时间长了孔壁垮落，尤其在软弱覆岩条件下，更应注意这一点。⑻因观测时要用钻杆向封闭孔段注水，所以每根钻杆间的连接应能保持密封（观测时可在每根钻杆的连接缝隙处缠以棉线或蔴皮），如钻杆有缺损或有漏水沙眼，应及时维修或弃用。⑼施工时若遇未尽技术问题，应及时与地测科取得联系，研究商讨解决。⑽施工中严格按照《煤矿安全规程》及《煤炭地质钻探规程》中的有关规定执行。观测过程井下仰孔探测覆岩采动破坏高度观测系统由孔内双端双路堵水器、耐压软管、推进杆、观测工作台、外接水源及相应的阀门和压力、测量测试仪表构成。具体观测时，先将观测设备的各个组件组装在一起（确保各个接口处的密封效果），放入钻孔之前应先进行试验，一切正常后再放入钻孔中。工作时将推进杆逐根连接，把具有一定压力的外接水源通过观测工作台及两根耐压软管与双端堵水器相连接，用推杆将双端堵水器送至欲测深度。观测时首先打开起胀系统阀门，通过胶管将水压入孔内胶囊，调节水压使胶囊的起胀压力达到规定的压力值，这时胶囊起胀将测试孔段两端封堵，然后开启注水系统，保持规定的注水压力值（小于胶囊压力），待测试孔段的注水流量与孔壁裂隙的漏水流量达到平衡、流量稳定后，即可通过流量仪表测定单位时间内的注水量，亦即孔壁的漏失量；测试完毕，打开胶囊放水阀门，这时水压迅速下泄，胶囊收缩，封闭孔段积水泄出后，关闭注水阀门，读出注水管路所在高程的静水压力，可得到注水段的垂直高程（用于校正孔斜）。然后将装置推到新的测试位置，重复上述过程，这样就可以测得整个钻孔连续各段的漏失量，根据这个漏失量的大小来判断上覆各岩层的裂隙发育状况，从而确定导水断裂带的发育高度。3.8施工观测时间过程2007年11月19日，完成了采前1号孔的施工，仰角60°，孔深65m；2007年11月20日，完成了采前1号孔的观测；2007年11月24日，完成了采后1号孔的施工，仰角60°，孔深50m；2007年11月25日，完成了采后1号孔的观测；2007年11月26日，完成了采后2号孔的施工，仰角50°，孔深60m；2007年11月27日，完成了采后2号孔的观测.导水断裂带高度观测资料分析3煤层采动覆岩断裂带高度观测结果彭庄煤矿1301综采工作面三个钻孔的观测数据列入表7。根据观测数据做出的钻孔分段注水漏失量图如图8、图9所示。⑴采前孔（1#）根据测试结果，采前1号孔在孔深20m以下基本上处于连续漏水状态，在钻孔深20.5m~30m以及35〜36m孔段有少量漏失量。根据施工过程中的顶板岩层情况以及漏失量的大小判断这些漏水点有可能是原生裂隙或受1301综采工作面采动引起的微弱影响，或者巷道变形和地质构造等的影响，在顶板硬岩层中形成的裂隙，硬岩中的原始裂隙即使受采动影响也很难再次闭合，从而形成永久性的裂隙发育地带。在36m以上层位漏失量逐渐减少，趋于完整岩层带。⑵米后孔（2#）2#采后孔浅部没有观测，实际观测深度是从21m孔深开始进行的。在孔深孔深21m〜39m段为显著漏水段，最大漏水位置在孔深34.5m处，漏失量达每米孔段每分钟5升，从孔深40m开始漏失量明显减少。表7钻孔分段注水观测成果表钻杆数钻孔深度(m)钻孔注水漏失量(L/min)采前孔(1#)米后孔(2#)米后孔(3#)21.54364.586107.51291410.516121813.520152216.524182619.50.16.328210.635.63022.504.45.632241.1253425.51.32.55.636271.14.36.43828.50.83.8840300.14.46.84231.5046钻杆数5040302010(}£1#2#3#卷I#£1#2#3#卷I#——i':.：■■:.:.'：：1_'.■■：•'#——门匸丨-「I；::;#一珀—I：:1引H运输巷1301停采线图8观测剖面注水漏失量观测成果图对比采前孔的注水漏失量情况，在孔深40m以上也有孔段少量漏水，因此对于采后2#孔来讲，以孔深39m为采后2#孔实测断裂带上界，该孔倾角60°，此处至煤层顶界的垂高为33.8m，断裂带最发育层位位于孔深27m〜34.5m段。⑶米后孔（3#）3#米后孔，在孔深19.5〜43.5m之间，呈连续明显漏水，最大漏水位置在孔深28.5m处，漏水量达每米孔段每分钟8升，漏失量明显减少则从孔深45m开始。因此，以孔深43.5m为3#采后孔实测断裂带上界，按钻孔仰角50°计算，其至煤层顶界的垂高为33.3m。米动覆岩断裂带高度分布规律将各采后钻孔观测到的最大断裂带发育高度列入表8。表8 1301综米工作面观测的最大断裂带发育咼度孔号倾角（°）最大断裂带发育咼度（m）26033.835033.3综合33.8综合采后两个钻孔的观测资料来看，1301综采工作面开采后煤层顶板覆岩采后形成的断裂带呈现连续大范围漏水的特征，特别是在断裂带顶界附近，注水漏失量非常明显，其顶界在煤层顶板以上垂高33.8m处，最大裂隙发育位置在煤层顶板以上垂高30m左右。实测资料表明，1301综采工作面采后覆岩断裂带呈现整体连续性特征，顶界高度为33.8m，