趙秋陽(yáng)，樊振麗，張風(fēng)達(dá)，于秋鴿

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

覆巖破壞規(guī)律的研究是解放水體下壓煤和保證礦井生產(chǎn)安全的關(guān)鍵[1]，而導(dǎo)水裂縫帶高度是煤層覆巖破壞規(guī)律研究中的重要問(wèn)題[2]，是預(yù)測(cè)礦坑涌水量，設(shè)計(jì)探放水鉆孔，計(jì)算垂向防水煤柱的主要技術(shù)參數(shù)，對(duì)于研究頂板突水機(jī)理有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，廣泛應(yīng)用在礦井防治水安全評(píng)價(jià)[3]、綠色保水開采設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[4]，對(duì)礦井安全生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是最基本的技術(shù)依據(jù)。獲取導(dǎo)水裂縫帶高度的最直接、最有效、最可靠的方法是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，主要包括地面鉆孔簡(jiǎn)易水文觀測(cè)法、井下仰孔雙端堵水器觀測(cè)法、鉆孔聲速法、鉆孔超聲成像法、彩色鉆孔電視觀測(cè)法、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)、其它物理探測(cè)方法等[5，6]。其中，井下仰孔觀測(cè)作為一項(xiàng)較為新型的技術(shù)方法，相較于地面鉆孔觀測(cè)法具有鉆進(jìn)及觀測(cè)速度快、工藝簡(jiǎn)單、工程費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，其核心原理在于采用雙端堵水膠囊脹封的方式在密閉空間探測(cè)水源在孔內(nèi)裂隙中的漏失量[7，8]，從而根據(jù)漏失量的大小來(lái)反映孔壁裂隙的發(fā)育程度，為導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)判別提供技術(shù)依據(jù)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)井下導(dǎo)水裂縫帶高度的探測(cè)展開了一定的應(yīng)用研究，山東礦業(yè)學(xué)院1990年對(duì)于雙端堵水器進(jìn)行了研發(fā)，裝置采用中間導(dǎo)管連接兩端兩個(gè)堵孔注水(充氣)器而成，具有堵孔和注水(充氣)兩項(xiàng)能力，該系統(tǒng)膠囊起脹和鉆孔測(cè)試采用同一套管路，觀測(cè)工作實(shí)施較為便利，在當(dāng)時(shí)井下導(dǎo)水裂縫帶觀測(cè)中發(fā)揮了重要作用，但該裝置注水閥門關(guān)閉壓力較開啟壓力閥值偏低，致使開啟容易關(guān)閉難，制止不住孔內(nèi)水壓升高，容易使膠囊封堵失效[9]。河南理工大學(xué)2014年研發(fā)了井下封堵鉆孔分段注(放)液裂隙測(cè)量系統(tǒng)，膠囊起脹與鉆孔測(cè)試段注水采用兩套獨(dú)立的管路系統(tǒng)分別控制，本套系統(tǒng)對(duì)鉆孔要求不高，方法簡(jiǎn)便，但儀表較多，管路系統(tǒng)容易纏繞及現(xiàn)場(chǎng)操作較為復(fù)雜[10]。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司2018年對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度井下仰孔探測(cè)裝置進(jìn)行了改進(jìn)及應(yīng)用，以轉(zhuǎn)換閥作為關(guān)鍵部件，通過(guò)鉆具上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)膠囊、測(cè)試段與注水系統(tǒng)之間的連接與切換，機(jī)械轉(zhuǎn)換效果較為可靠[11]。以上研究成果對(duì)于井下采動(dòng)裂縫探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展起到積極推進(jìn)作用，同時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者一直在圍繞膠囊脹封水(氣)源與探測(cè)水源兼容性進(jìn)行研究[12-14]，可見其對(duì)于該類設(shè)備探測(cè)成功率及效率的重要性?；诖耍芯恳环N單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)減壓閥高低壓分級(jí)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)單水源膠囊脹封和探測(cè)充水一體化，利用高壓轉(zhuǎn)換成不同級(jí)別的低壓實(shí)現(xiàn)低多壓遞進(jìn)探測(cè)。系統(tǒng)研究成功解決了傳統(tǒng)井下導(dǎo)高探測(cè)儀膠囊脹封管路與探測(cè)水源管路纏繞導(dǎo)致探測(cè)成功率低的問(wèn)題，還能豐富不同低壓狀態(tài)下的導(dǎo)水裂縫帶探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于研究多壓狀態(tài)下的采動(dòng)裂縫導(dǎo)水能力、精確探測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度有重要意義。

1 探測(cè)系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

井下導(dǎo)水裂縫帶觀測(cè)一般在工作面周邊巷道向煤層采空區(qū)上方覆巖施工仰斜鉆孔，采用雙端堵水膠囊脹封的方式在密閉空間探測(cè)水源在孔內(nèi)裂隙中的漏失量，從而根據(jù)漏失量來(lái)反映孔壁裂隙的發(fā)育程度，為導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)判別提供技術(shù)依據(jù)。

目前市場(chǎng)流通的井下仰孔觀測(cè)設(shè)備存在一項(xiàng)較大的弊端：井下導(dǎo)高觀測(cè)儀必須采用單獨(dú)的充氣或充水管路對(duì)起脹膠囊進(jìn)行充氣封堵，探測(cè)過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)封堵觀測(cè)一體化，實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中充水鉆桿與充氣高壓管極易纏繞或擠堵，從而降低探測(cè)成功率，而且現(xiàn)有技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)壓力狀態(tài)下鉆孔各孔段漏失流量的觀測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)較為單一且無(wú)對(duì)比性，未對(duì)低壓探測(cè)段的多壓遞進(jìn)式探測(cè)進(jìn)行研究。

圖1 傳統(tǒng)雙端堵水器探測(cè)系統(tǒng)

為解決上述問(wèn)題，研究了一種單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)系統(tǒng)包括Ⅰ級(jí)高壓注推一體化系統(tǒng)、Ⅱ級(jí)高壓膠囊脹封系統(tǒng)、Ⅲ級(jí)低多壓遞進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)，其中Ⅲ級(jí)低多壓遞進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)單水源分級(jí)多壓式功能的關(guān)鍵組件，位于兩側(cè)膠囊的探測(cè)段，通過(guò)高壓轉(zhuǎn)換不同級(jí)別低壓的壓差[15，16]實(shí)現(xiàn)的，這種觀測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單水源高壓膠囊脹封與低壓轉(zhuǎn)換探測(cè)的雙重功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)低壓探測(cè)段的多壓遞進(jìn)式探測(cè)。

圖2 單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高觀測(cè)系統(tǒng)

2 探測(cè)系統(tǒng)工作步驟

利用研發(fā)的單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，測(cè)試步驟如下：①井下仰上鉆孔施工，在煤巖巷道中向頂板巖體中先后施工規(guī)定角度的多個(gè)鉆孔，孔深視工作面采厚、鉆孔角度、施工場(chǎng)地等實(shí)際條件而定；②安裝觀測(cè)系統(tǒng)，依次將Ⅲ級(jí)低多壓遞進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)、Ⅱ級(jí)高壓膠囊脹封系統(tǒng)(耐受壓力區(qū)間0～3MPa)與Ⅰ級(jí)高壓注推一體化系統(tǒng)中的頂部鉆桿連接在一起，使得兩個(gè)高壓膠囊脹封系統(tǒng)中的連通花管與Ⅰ#水壓轉(zhuǎn)換腔、Ⅱ#水壓轉(zhuǎn)換腔及之間的連通管保持連通，通過(guò)井下鉆場(chǎng)鉆機(jī)操作，連接鉆桿，推進(jìn)至測(cè)試段，計(jì)算靜水壓差，連接高壓水源；③系統(tǒng)連接后，開始對(duì)高壓注推一體化系統(tǒng)進(jìn)行注水，直至Ⅱ級(jí)高壓膠囊脹封系統(tǒng)壓力升至1.5～2.0MPa，高壓膠囊脹封系統(tǒng)開啟工作，探測(cè)段兩端得到有效脹封；④Ⅱ級(jí)高壓膠囊脹封系統(tǒng)脹封工作完成后，繼續(xù)加壓，直至高壓膠囊脹封系統(tǒng)與水壓轉(zhuǎn)換腔壓力達(dá)到2.0MPa，Ⅲ級(jí)低多壓遞進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)中的Ⅰ#減壓閥開啟，Ⅱ#減壓閥關(guān)閉，注水高壓保持在2.3MPa左右，探測(cè)段維持固定低壓0.1MPa，穩(wěn)定后探測(cè)段在0.1MPa水壓下開始進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)30s后停止觀測(cè)，記錄水量漏失數(shù)據(jù)；⑤完成低壓一級(jí)探測(cè)后，繼續(xù)加壓，直至高壓膠囊脹封系統(tǒng)與水壓轉(zhuǎn)換腔壓力達(dá)到2.5MPa，Ⅲ級(jí)低多壓遞進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)中的Ⅱ#減壓閥開啟，Ⅰ#減壓閥關(guān)閉，注水高壓保持在2.6MPa左右，探測(cè)段維持固定低壓0.2MPa，穩(wěn)定后探測(cè)段在0.2MPa水壓下開始進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)30s后停止觀測(cè)，記錄水量漏失數(shù)據(jù)；⑥在Ⅰ級(jí)高壓注推一體化系統(tǒng)中進(jìn)行泄壓操作，Ⅱ級(jí)高壓膠囊脹封系統(tǒng)泄壓恢復(fù)原狀，Ⅲ級(jí)低多壓遞進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)中的Ⅰ#減壓閥、Ⅱ#減壓閥關(guān)閉，完成一個(gè)循環(huán)的觀測(cè)工作，I級(jí)高壓注推一體化系統(tǒng)續(xù)接鉆桿，繼續(xù)推進(jìn)，進(jìn)入下一個(gè)觀測(cè)段，如此循環(huán)。其探測(cè)詳細(xì)步驟如圖3所示。

①—初始狀態(tài)；②—膠囊脹封階段；③—Ⅰ#減壓閥開啟階段；④—Ⅱ#減壓閥開啟階段圖3 單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高觀測(cè)步驟

3 探測(cè)系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

3.1 工作面概況

榆林某礦21302工作面埋深約200m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，3-1煤層采厚2.8m，已于2019年10月回采結(jié)束，工作面上覆垂距約30m處為2-2煤層采空區(qū)，2-2煤層采厚4.3m，屬于淺埋近距離煤層重復(fù)采動(dòng)條件。為了研究上述地質(zhì)采礦條件下的煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征，在距離始采線830m位置的21302工作面輔運(yùn)巷施工2個(gè)井下仰上鉆孔，采用單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行地層注水漏失量觀測(cè)。鉆孔預(yù)想剖面及參數(shù)如圖4所示。

圖4 21302工作面仰上鉆孔預(yù)想剖面

21302工作面頂板垂距約30m存在2-2煤層采空區(qū)，井下仰上鉆孔需穿過(guò)上部煤層采空區(qū)及垮落帶，采空區(qū)及垮落帶范圍內(nèi)的巖層極其破碎，穩(wěn)定性差，鉆孔孔壁容易失穩(wěn)塌陷，增加了地層注水漏失量觀測(cè)的難度。采用單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高探測(cè)系統(tǒng)，由于簡(jiǎn)化了原有系統(tǒng)的風(fēng)管結(jié)構(gòu)，可以增加探測(cè)工作的成功率，減小廢孔及埋管的風(fēng)險(xiǎn)，有效提高了井下導(dǎo)高探測(cè)工作的安全性及經(jīng)濟(jì)性。

3.2 鉆孔注水測(cè)試結(jié)果

采用單水源分級(jí)多壓式采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高探測(cè)系統(tǒng)對(duì)CH01、CH02鉆孔進(jìn)行了注水滲漏量觀測(cè)，分別在注水壓力0.1MPa、0.2MPa條件下進(jìn)行了低多壓遞進(jìn)式觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)分析不同孔深位置的注水滲漏量，判定采動(dòng)裂縫是否發(fā)育以及發(fā)育程度。CH01、CH02鉆孔分段注水滲漏量數(shù)據(jù)變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 CH01鉆孔分段注水滲漏量分布

圖6 CH02鉆孔分段注水滲漏量分布

3.2.1 CH01鉆孔分段注水滲漏量分析

分析圖5可知，CH01鉆孔在孔深89.0～107.1m層段，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量達(dá)11.6～15.0L/min，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量達(dá)13.1～17.1L/min，滲漏量處于較高水平，可見該層段有采動(dòng)裂縫發(fā)育，其位于裂縫帶下部，因而滲漏量較大，判定該段已進(jìn)入工作面頂板的采動(dòng)裂縫發(fā)育范圍。在孔深107.1～128.3m段，鉆孔分段注水滲漏量逐步下降，鉆孔越深，巖層距離煤層越遠(yuǎn)，采動(dòng)裂縫發(fā)育程度越弱，裂縫發(fā)育寬度越小，因而滲漏量逐步下降；在孔深128.3～151.5m，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在3.6L/min以內(nèi)，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在5.4L/min以內(nèi)，由于巖性多為中、粗砂巖，本身具有較好的滲透性，封堵段的注水發(fā)生了少量滲漏，推斷該段已穿過(guò)采動(dòng)裂縫發(fā)育區(qū)域，進(jìn)入完整巖層段。

CH01鉆孔整個(gè)注水滲漏量分布圖中，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量普遍大于0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量，而且裂縫帶下部低多壓滲漏量差距較大，說(shuō)明距離煤層較近的裂縫具備較好的連通性，隨著裂縫帶向上發(fā)育滲漏量差距變小，反映了頂板巖層裂縫向上發(fā)育越來(lái)越小、連通性變差的普遍規(guī)律。在孔深128.3m后，兩個(gè)觀測(cè)壓力下的滲漏量同時(shí)出現(xiàn)低滲漏量拐點(diǎn)，且滲漏量之差明顯變小，裂縫導(dǎo)水能力受水壓因素影響變小，呈現(xiàn)明顯的完整基巖特征。

3.2.2 CH02鉆孔分段注水滲漏量分析

分析圖6可知，CH02鉆孔在孔深93.0～118.6m層段，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量達(dá)7.1L/min，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量達(dá)9.3L/min，滲漏量處于較高水平，可見該層段有采動(dòng)裂縫發(fā)育，其位于裂縫帶下部，因而滲漏量較大，判定該段已進(jìn)入工作面頂板的采動(dòng)裂縫發(fā)育范圍。在孔深118.6～129.3m段，鉆孔分段注水滲漏量雖然有波動(dòng)，但其整體趨勢(shì)明顯減小，這是由于鉆孔越深，巖層距離煤層越遠(yuǎn)，采動(dòng)裂縫發(fā)育程度越弱，裂縫發(fā)育寬度越小，因而滲漏量逐步下降；在孔深129.3～150.0m，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在3.7L/min以內(nèi)，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在5.4L/min以內(nèi)，由于巖性多為中、粗砂巖，本身具有較好的滲透性，封堵段的注水發(fā)生了少量滲漏，推斷該段已穿過(guò)采動(dòng)裂縫發(fā)育區(qū)域，進(jìn)入完整巖層段。

3.2.3 小結(jié)

CH01鉆孔傾角73°，CH02鉆孔傾角65°，兩鉆孔位置對(duì)應(yīng)的煤層傾角約1°，3-1煤采厚2.8m，2-2煤采厚4.3m，煤層間距33m。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為CH01鉆孔揭露的21302工作面3-1煤層和2-2煤層采動(dòng)裂縫頂點(diǎn)位于孔深128.3m處，采動(dòng)最大導(dǎo)水裂縫帶高度為距離3-1煤層頂板垂距122.02m處；認(rèn)為CH02鉆孔揭露的21302工作面3-1煤層和2-2煤層采動(dòng)裂縫頂點(diǎn)位于孔深129.3m處，采動(dòng)最大導(dǎo)水裂縫帶高度為距離3-1煤層頂板垂距116.21m處。

經(jīng)與相鄰礦井隆德煤礦地面覆巖觀測(cè)孔數(shù)據(jù)對(duì)比，隆德煤礦實(shí)測(cè)2-2煤層(3.9m采高)裂采比19.41倍，本次采用單水源分級(jí)多壓式井下導(dǎo)高探測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)的2-2煤層單層開采(4.3m)裂采比為19.70倍與18.35倍，預(yù)測(cè)精度較高。單孔探測(cè)時(shí)間由原來(lái)的8h提高至4h，兩次探測(cè)消耗探管一支，未發(fā)生堵孔、廢孔事故，安全及經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

在傳統(tǒng)雙端堵水器的基礎(chǔ)上對(duì)采動(dòng)裂縫井下導(dǎo)高探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)研發(fā)，觀測(cè)設(shè)備包含Ⅰ級(jí)高壓注推一體化系統(tǒng)、Ⅱ級(jí)高壓膠囊脹封系統(tǒng)、Ⅲ級(jí)低多壓遞進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)共三個(gè)主要構(gòu)件，通過(guò)減壓閥高低壓分級(jí)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了單水源膠囊脹封和探測(cè)充水一體化，利用高壓轉(zhuǎn)換成不同級(jí)別的低壓實(shí)現(xiàn)了低多壓遞進(jìn)式的探測(cè)。該一體化設(shè)備對(duì)于近距離煤層綜合導(dǎo)水裂縫帶的探測(cè)較為實(shí)用，在鉆孔穿采空區(qū)段應(yīng)用效果較好，成功率大幅增加，安全及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯，同時(shí)低多壓探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于精確判別導(dǎo)水裂縫帶拐點(diǎn)，研究頂板覆巖破壞發(fā)育的普遍規(guī)律，有著非常實(shí)用的效果。