2 导水裂隙带高度观测新技术.ppt

1、高 延 法 中 国 矿 业 大 学 (北京) 2010年5月,水体下采煤 导水裂隙带高度观测,目 录,序 言 第一章,序 言,在井下回采工作面周边某位置布置钻窝，由该钻窝向工作面采空区上方的覆岩导水裂隙带内打仰斜钻孔，采用井下导高观测仪观测导高，这是获得国家发明专利。 这是一项成熟的技术，近10几年来，已经在山东微山湖下采煤、渤海湾龙口海下采煤、河北岳城水库下采煤、山东、河北、江苏、安徽等省各矿区的河流下采煤和含水松散层下采煤中广泛应用。井下导高观测已经在40多个矿井应用。,井下导高观测法的优点,井下观测法与传统的地面钻孔冲洗液消耗量观测法相比，有如下优点： 井下观测法钻孔工程量小，井下观测法

2、钻孔施工成本低。一般小于地面观测法三分一；地面钻孔施工费每米上千元，井下钻孔仅仅六七百元，总施工费一般能节省70%以上； 井下观测法观测精度高。在井下是使用仪器，每米逐段观测，精度高，成果可靠。 为矿井水体下采煤确定最为安全合理的开采上限。根据实测导高值，按照“三下”采煤规程确定开采上限，合理提高开采上限，确保水体下采煤安全。,第一章 井下导高观测原理与方法,图2.1 井下仰斜钻孔导水裂隙带高度观测示意图,图2.2 井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测原理系统图,2仪器结构 整个观测仪器由三部分组成：双端堵水器、连接管路、控制台，如图 1.2和图1.3。双端堵水器由两个起胀胶囊和注水探管组成。连接管

3、路有两条：起胀管路和注水管路。控制台也是对应两个：起胀控制台和注水控制台。 起胀控制台、起胀管路和双端堵水器的两个胶囊相连通，构成控制胶囊膨胀和收缩的控制系统 。 注水控制台，注水管路和双端堵水器的注水探管相连通，构成一个控制和观测岩层导水性的注水观测系统。,图2.3 双端堵水器结构示意图,3井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测原理与方法 （1）仰斜钻孔穿过导水裂隙带。在回采工作面周边的适当位置，向采空区 上方打仰斜钻孔，该钻孔要穿透覆岩导水裂隙带，并进入其上方的弯曲带一定距离，一般510m则可，该钻孔就是导高观测钻孔。 （2）使用双端堵水器测试各段岩层的透水性。使用双端堵水器，由孔口起自下而上逐段

4、（每段1米）测试每段岩层的导水性能，一直测试到孔底 实测到的透水岩层的最大高度，就是采场覆岩的导水裂隙带高度。,（3）双端堵水器的控制与岩层透水性观测。起胀控制台和注水控制台的一端 分别连接起胀管路和注水管路，另一端则连着高压水源。要观测某一高度位置的岩层的透水性， 首先，操作起胀控制台，使双端堵水器的两个胶囊处于无压收缩状态； 第二步，使用钻机钻杆将双端堵水器推移到位； 第三步则是操作起胀控制台，对双端堵水器的两个胶囊注水加压，使之处于承压膨胀状态，从而封堵分隔一段钻孔； 最后，则是操作注水控制台，对分隔出的一段钻孔进行注水观测，通过注水控制台上的流量表，观测出这段岩层单位时间的注水渗流量，

5、从而测试出这段岩层的透水性能。,井下导高观测仪的改进, 控制台增加了两对过滤器，避免了仪表的堵塞损坏； 起胀胶管使用了高强度的钢编管，避免了拉断、磨断和挤裂； 所有接头都使用了O型圈和标准件，保证了水和气两套系统不泄漏； 一对起胀胶囊之间，使用了外连接方式，使结构大为简化而且性能更加可靠； 采 用了优质高强度胶囊保障了在额定起胀压力下不会破裂。,第二章 采场覆岩导水裂隙带高度观测实例,龙口海下采煤H2101工作面覆岩导水裂隙带高度观测方案,一导高预计 导高预计是进行观测设计的依据，只有准确预计了冒落带高度和导水裂隙带高度，才能保证观测成功。导水裂隙带和冒落带的发育高度主要取决于地层结构、岩石力

6、学性质和开采方法。北皂煤矿H2101综放工作面的覆岩属于典型的软岩地层，开采煤层厚度按M=3.6m，根据二十多个矿井的实际观测经验和龙口矿区的地层结构状况，H2101综放工作面开采后的冒高、导高预计如下： 导高上限：H导上=10M=103.6=36 (m) 导高下限：H导下=6M=63.6=21.6 (m) 冒 高：H冒=3M=33.6=10.8（m）,二观测位置的选择与观测钻孔布置,图2.5 导高观测剖面图A,图2.6 导高观测剖面图B,打孔顺序, 在工作面推采至距停采线距离60m之前，打出采前观测孔； 采后孔的施工顺序是1号孔、2号孔、3号孔； 4号孔，根据需要再研究是否施工； 5号孔是冒

7、落带高度观测孔。,三观测时间,导高合理的观测时间主要与覆岩岩性、开采厚度有关。 这次导高观测时间控制在：开采过后1020天。 时间过短，覆岩变形尚未稳定，钻孔难以成型，观测时钻孔容易变形，卡住探头。 时间过长，覆岩会逐渐压实，导高会降低。 H2101面的采厚为3.6m，覆岩覆岩软弱，岩层移动速度比较快，所以采后1020天观测导高是最佳时机。 每打完一个钻孔，就观测一个，钻机不要移动，观测时要使用钻机。每个钻孔的观测时间为1天，并提前一天在井上做好下井观测前的准备工作。,第三章 采场覆岩导水裂隙高度观测成果,3.1 钻孔施工与导高观测过程 H2101工作面施工观测钻孔19个。其中：采前对比孔5个

8、，采后的导高观测孔14个。钻孔的施工与观测分为三个阶段 第一阶段，是在原来的外测观测钻窝施工了3个采前对比孔：外 A1孔、外B1孔和外A2孔。 第二阶段，在外侧观测钻窝施工了2个采前对比孔：外A3孔和外B2孔，外A3孔和外B2孔距H2101工作面停采线的水平距离越38米，分析认为不会受到开采影响。 第三阶段，在距停采线11米处的内侧观测钻窝，施工了14个导高观测钻孔。,3.2 H2101工作面采前对比孔观测成果,一外A1采前对比孔观测成果,二外A2采前对比孔观测成果,三外A3采前对比孔观测成果,四外B1采前对比孔观测成果,五外B2采前对比孔观测成果,采前对比孔观测成果总结,5个采前对比孔，测点

9、总数为70个，漏水点共14个，有效测点数为56个，注水量0值点18个，0值占有效测试点的32。 岩层的原始渗透性较小，除去最靠近孔口的点外，最大注水量只有8L/min，而且绝大多数小于6 L/min，而且渗流段较少。这说明岩层的原始连通型裂隙的不发育，这是软岩性质决定的。 五个采前对比孔，都是在外测钻窝，采后导高观测孔都是在内侧钻窝，所以不宜每个钻孔作具体的采前与采后对比。 岩层原始渗流量，反映了岩层的原始连通型裂隙的发育程度，即使是同一层位，不同层面位置岩层的裂隙发育程度也有较大差异，也不是可以简单对比的。,3.3 H2101工作面采后导高观测孔观测成果,导水裂隙带上限的判断标准,导水裂隙带

10、范围内：注水量大于6L/min，而且连续多个测点有较大的注水量。 导水裂隙带范围外：注水量小于6L/min，而且有注水量的测点不连续，出现较多的0值。,一A1孔导高观测孔的观测成果A1孔在观测过程中，封堵效果较差，不宜以此为依据判断导高上限。,二A2孔导高观测孔的观测成果A2孔在孔深41.5m到孔深49.5m这一段，渗流量要么是0，要么仅仅是2、3L/min，量很小属于不导水。所以A2孔的导水上限是孔深41.5m，对应的静压值是0.06MPa，相当于6m高。观测巷钻窝位置的巷道底板相对煤层2的高度是24m。因此，由A2孔判断出的导高上限是: H(A2)=24+6=30(m),三A3孔导高观测孔

11、的观测成果A3孔是俯斜孔，全孔处于导水裂隙带内,四A4导高观测孔的观测成果 A4孔是俯斜孔，全孔处于导水裂隙带内,五A5导高观测孔的观测成果 A5孔是俯斜孔，全孔处于导水裂隙带内,六A6孔导高观测孔的观测成果 A6孔是俯斜孔，全孔处于导水裂隙带内,七A7导高观测孔的观测成果A7孔：在孔深32m到孔深46m段，渗流量几乎全是0。所以A7孔的导水上限是孔深32m，对应的静压值是0.05MPa，相当于5m高。观测巷钻窝位置的巷道底板相对煤层2的高度是24m。由A7孔判断出导高上限是: H(A7)=24+5=29(m),八A8孔导高观测孔的观测成果A8孔所测出的岩层导水性能较弱，渗流点很少，渗流量也较

12、小。该孔资料不宜判断导高上限,九B1孔导高观测孔的观测成果,B1孔所显示的覆岩的导水性能较为复杂，在孔深32.5m到孔深37m这一段有渗流，其相对观测钻孔孔口的高度为10.512m。 而在孔深17.531m这段岩层共有10个测点，其中5个测点的渗流量为0，另5个渗流值也很小，只有2.51.5L/min，这段岩层相当于不导水。 综合考虑上述矛盾着的两方面，在孔深32.5m到孔深37m这一段的渗流很可能是原生裂隙的渗流。 所以B1孔的导水上限是孔深17.5m处，对应的静压值是0.06MPa，相当于6m高。观测巷钻窝位置的巷道底板相对煤层2的高度是24m。因此，由B1孔判断出的导高上限是: H(B1

13、)=24+6=30(m),十B2孔导高观测孔的观测成果,B2孔的导高上限判断在孔深37m处，主要依据除了渗流量，还有渗流段的长短。单纯一个点的渗流，往往不是岩层的导水裂隙；连续几个点有渗流，有时尽管渗流量比较小，也是导水裂隙。 所以B2孔的导水上限是孔深37m，对应的静压值是0.06MPa，相当于6m高。观测巷钻窝位置的巷道底板相对煤层2的高度是24m。因此，由B2孔判断出的导高上限是: H(B2)=24+6=30(m),十一B3孔导高观测孔的观测成果 B3孔是俯斜孔，全孔处于导水裂隙带内,十二B4导高观测孔的观测成果 B4孔是俯斜孔，全孔处于导水裂隙带内,十三B5导高观测孔的观测成果 B5孔

14、是俯斜孔，全孔处于导水裂隙带内,十四B6导高观测孔的观测成果B6孔导水裂隙带上限比较明显，在孔深37m处，该处对应的静水压力为0.05MPa，相当于5m高。观测巷钻窝位置的巷道底板相对煤层2的高度是24m。因此，由B2孔判断出的导高上限是: H(B6)=24+5=29(m),3.4 H2101面导高观测综合成果,在14个采后导高观测钻孔中，有5个钻孔测试出了导水裂隙带的上限，这些观测成果相互印证，可以得出可靠的结论： A2孔：H(A2)=24+6=30(m) A7孔：H(A7)=24+5=29(m) B1孔：H(B1)=24+6=30(m) B2孔：H(B2)=24+6=30(m) B6孔：H

15、(B6)=24+5=29(m) 综合上述观测成果：H2101面导水裂隙带高度： H=30m H2101综放工作面在停采线一侧的平均采厚M3.6m，所以导高与采后之比为： H/M30/3.68.3倍,导水裂隙带发育形态,导水裂隙带马鞍型 导水裂隙带侧边外凸宽度约10m 导水裂隙带的上界面应该在厚度为3.9m的泥岩与厚度为2.9m的炭质泥岩的交界面处。 导水裂隙带马鞍型形成和侧向边界外凸机理： 1. 在开采边界处，覆岩弯曲变形的曲率最大，所以开采边界处的导高最高； 2. 在开采边界外侧即煤柱上方，弯曲变形的覆岩处于拉伸应力状态，容易产生张开型裂隙，因此，导水裂隙带测向边界外凸。,导水裂隙带发育形态

16、,导水裂隙带的观测时间,这次导高时间是工作面停采后10天20天，从观测效果来看，是比较合适的，抓住了最佳观测时机 。 如果观测时间过早，钻孔成孔困难，观测时也容易出现塌孔。 如果观测时间过晚，导水裂隙可能已经闭合，有可能测到的导高值偏低。 今后再次观测时，也可以尝试再采后7天左右打导高观测孔，不断摸索更准确的最佳导高观测时段。 冒高观测比较困难，今后应该想办法测出冒高值，冒高观测应该比导高观测更早几天就观测，更重要的冒高的观测手段和方法。,导高观测钻孔布置的合理数量,导高观测的数目，取决于观测目的要求。如果重点在导高值，那么应该准确预计导高上限，将钻孔布置在测试导水裂隙带上界面的位置上。 这次

17、观测共施工观测钻孔19个，其中采前对比孔5个。采后导高观测孔14个，在14个采后导高观测孔中，仰斜孔和俯斜孔各是7个。 从必要性和经济性来说，采前孔偏多，两个观测剖面需要仰斜孔和俯斜孔，一般24个就可以；采后的 俯斜孔也偏多，两个观测剖面只需要24个。 但是，从资料的丰富性和可靠性角度而言，观测孔数增加对于提高观测成果的可靠性来说是有利的。,第四章 软岩地层覆岩导水裂隙带发育规律分析,4.1 采场覆岩导水裂隙发育的一般规律 裂隙带处于冒落带之上。现场实测表明，裂隙带内，裂缝的形式及其分布有一定的规律性。无论是在缓倾斜煤层还是在急倾斜煤层的条件下，一般是发生垂直或近于垂直层面的裂缝，即断裂（岩层

18、全部断开）和开裂（岩层不全部断开）。 岩层断裂和开裂的发生与否及断开程度，除取决于岩层所承受的变形性质和大小外，还与岩性、层厚及其空间位置有密切关系。靠近冒落带的岩层，断裂严重；远离冒落带的岩层，断裂轻微。如图4.1。 脆性薄层状砂岩会发生断裂，韧性薄层状石灰岩则会发生弯曲缓慢下沉。,图4.1 导水裂隙带的一般特征,北皂海域首采面覆岩导水裂隙带的实测结果为： 严重断裂区在覆岩020m， 一般开裂区在2030m， 没有明显的微小开裂区。,二、导水裂隙带内岩层裂隙发育特征 导水裂隙内的岩层发生的是弯曲断裂，所以导水裂隙一般都垂直于岩层层面，而且这些裂隙是离散分布的，如图4.3所示。所以井下仰斜钻孔比地面垂向钻孔能穿过更多的导水裂隙。这样导高观测成果更为可靠。,第五章 主要结论,一北皂海域首采面的导高观测成果 H2101工作面覆岩导水裂隙带的高度为： H=30m H21