煤矿采空区顶板裂隙带高度井下探测技术及装备研究

探测技术及装备研究曹明世（陕西双龙煤业开发有限责任公司，陕西黄陵727306）摘要：裂隙带高度是瓦斯抽采、顶板管理、矿井防治水等工作必须考虑的一个重要的技术参数%

在分析煤矿采空区顶板裂隙带高度确定方法研究现状的基础上，提出了基于双端封堵测漏原理的 煤矿采空区顶板裂隙带高度探测技术，并研制了低压膨胀封隔器和双通道测试钻杆,代替以往的胶 囊封堵和钻杆胶管结合的常规测试装备％双龙煤矿现场应用效果表明，基于低压膨胀封隔器和双

通道测试钻杆等装备的煤矿采空区顶板裂隙带高度探测技术,105工作面采空区上覆岩层受采动

影响裂隙带高度顶界约为65 m，为煤矿瓦斯抽采及顶板防治水提供了准确的基础数据支撑％

关键词：裂隙带高度;采空区顶板;探测技术；双端封堵；注水漏失量中图分类号TD745

:文献标志码：B 文章编号：1671 -749X（2019 ）03'-0030 -06Research on underground detection technology and equipment for

roof crach zone heighi in mined-oui area of coal mineCAO Ming-shi(Shaanxi Shuanglong Coal Industry Development Co., Ltd., HuangHng 727306, China)Abstract: Fracture zone height is an important technical parameter that must be considered in gas extraction, roof manage­

ment and mine water control. Based on the analysis of the research status of determination methods of roof fracture zone height of coal mine, the detection technology of double-end sealing was put forward, the low-pressure expansion packet and the double-channei testing drili pipe te replace the conventionai testing equipment were developed. The field application in

No. 105 working face of Shuanglong Coal Mine shows that the roof crack zone height in goal is about 65 m, which provides basic date support for gas extraction and roof wateo control in coal mine.Key worde: fractured zone height； roof of goaf； detection technology； double-end plugging； water injection losso引言煤矿采空区的形成导致采场周围岩体的原始应 力平衡状态受到破坏，应力重新分布,直至达到新的

带”高度是瓦斯抽采、顶板管理、矿井防治水等工作

必须考虑的一个重要的技术参数。高位钻孔瓦斯抽 采是采空区瓦斯治理的有效技术手段,实践证明,高 位钻 布 采 上 层 隙带 ,

抽采平衡。在这一过程中,覆岩产生垮落、断裂、离层等 运动,使得采场周围岩层原始的平衡状态受到破坏,

果最佳；此外,采空区上覆岩层导水裂隙亦有可能沟 通含水层,导致矿井涌水量增大，甚至发生水害事

故。《煤矿防治水细则》规定：“煤层顶板存在富水

在垂向上通常会形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带

三个不同变形特征的分带,简称为“三带”。“裂隙收稿日期:2019 -04 -16作者简介:曹明世（1968—），男，陕西佳县人,2008年毕业于陕西能 源职业技术学院采矿专业，高级工程师，现任陕西双龙煤业开发有 限责任公司副经理、总工程师,从事煤矿生产技术管理工作&性中等及以上含水层或者其他水体威胁时，应当实

测垮落带、导水裂隙带发育高度,进行专项设计,确

定防隔水煤（岩）柱尺寸&”因此，准确确定采空区覆

岩“三带”高度对于煤矿安全生产具有十分重要的

第3,期曹明世煤矿采空区顶板裂隙带高度井下探测技术及装备研究31意义。1采空区顶板“三带”理论及技术研究现状1.1采空区顶板“三带”理论煤岩层在未受采动影响时保持其应力平衡状

态，煤炭采出后，采出空间周围的岩层因失去支撑而

向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏。这一过程随着 开采工作面的不断推进，逐渐从采场向外、向上（顶

板）扩展，围岩的移动和破坏随着时间的推移在时 空上是一个复杂的运动破坏过程。经过长期的观测 证实，矿层覆岩（顶板）的移动和破坏具有明显的分 带性，它的特征与地质、采矿等因素有关。在采用走

向长壁垮落法开采缓倾斜中厚煤层的条件下，只要

埋深达到一定的深度（采深与采高比大于40），覆岩 的破坏和移动会出现三个较具有代表性的层段，自 下而上分别为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，简称Ijj o冒落带：冒落带也称垮落带，位于覆岩的最下 部，紧贴煤层。煤层采空后，上覆岩层失去平衡，由

直接顶岩层开始冒落，并逐渐向上发展，直到开采空

间被冒落岩块充满为止&冒落岩块由于碎胀，在自

由堆积状态下，体积较冒落前增大，增大的比率与岩 性和采厚有关，通常用碎胀系数表示,平均在1-2~

1.6之间&冒落带内岩块之间空隙多，连通性强，是 水体和泥沙溃入井下的通道，同时也是瓦斯逸出或 聚集的场所。裂隙带:裂隙带又称裂缝带，以冒落带为底界,

位于冒落带之上,具有与采空区相通的裂隙,但岩层

连续性未受破坏。裂隙带的裂隙主要有两种:一种

是垂直或斜交于岩层的新生张裂隙，主要是岩层向 下弯曲受拉而产生;另一种是沿层面的离层裂隙，主

要是由于岩层间的力学性质差异较大，岩层向下异

步弯曲移动所致。裂隙带上部，垂向裂隙不发育，故 与下部裂隙沟通较少，而裂隙带的下部，垂向裂隙逐

渐发育增强，离层裂隙和垂向裂隙连通，导水、导气 性明显增加，但由于裂隙宽度及路径，一般不透

泥沙。裂隙带随采区扩大而向上发展，当采区扩大

到一定范围时，裂隙带高度达到最大。此时采区继 续扩大，裂隙带高度基本不再发展，并随着时间的推

移，岩层移动趋于稳定，裂隙带上部裂缝逐渐闭合,

裂隙带高度也随之降低。弯曲下沉带:弯曲下沉带又称整体移动带，裂隙

带顶部到地表的岩层,弯曲带呈整体移动,在垂直剖

面上,弯曲带上下各部分下沉量差值较小，上部很少

出现离层，下部可能出现零星离层，但弯曲带中的离

层裂隙不与裂隙带连通。1.2采空区顶板裂隙带高度确定技术采空区覆岩“三带”包括冒落带、裂隙带和弯曲 下沉带，目前国内外主要考察冒落带和裂隙带的分 布范围-17.o中国科学院院士宋振骐完善了以岩层

的运动为中心，集预测预警、精准设计和效果分析于

一体的实用矿压理论体系;钱鸣高等应用模拟试验、 图像分析等方法,对上覆岩层采动后“三带”分布规

律的理论特征进行了研究，结合“0”形圈理论，揭

示了长壁工作面覆岩采动后“三带”的发展规律；中 国煤炭科学研究院刘天泉院士在对采空区覆岩裂隙

带、冒落带形成理论研究的基础上，结合大量现场工

程应用经验得出了各类条件裂隙带、冒落带的计算 公式;于师建、程久龙等利用电阻率测试规律理论对 裂隙带的发育特征进行了研究，得出了裂隙带电阻

率的变化特点，计算了裂隙带的高度;王金安教授用

分形几何学对覆岩的裂隙带进行了相应的研究分

析。因采空区冒落带和裂隙带的高度与煤层开采厚 度、煤层倾角、采空区顶板管理方法、上覆岩层岩性 等因素密切相关[3-5],许多学者开展了不同条件下 采空区覆岩“三带”规律理论研究并结合工程经验 对三带高度进行了估算，得出了不同前提条件下的

冒落带及裂隙带高度估算经验公式。但由于岩石工 程具有复杂性，难以用固定的解析公式来定量地求

解所有的覆岩三带高度问题的特性，理论计算公式 需要在一定假设和简化基础上做出计算，各种计算

公式都有一定局限性和适用条件。数值模拟方法就是利用相似材料建立上覆岩层

的 ， 煤层 采时的 破坏过程，破坏特征和规律，获取覆岩破坏规律和高度[6-8] o

随着计算机技术的发展，数值模拟成为了过程分析

的有力手段,其具有成本低、耗时短,能较为准确地

出三带的高 。 数拟方法简单有效，但当单独进行数值模拟或仿真模

拟时，由于岩层的性质是不连续和网格划分时进行

了简化处理，地应力和岩层边界的理想化替代,得到 的结果和实际情况有差别，需要与现场工程施工结

合使用。现场实测方法主要有钻孔冲洗液法、钻孔电视

32陕西煤炭2019 年法、钻孔深部基点法、超声成像及数字测井法、超声 波穿透法、钻孔CT及电法、井下仰孔分段注水测漏 法等[9^11] &上述方法中的物探方法,本身技术要求

高，影响因素多，误差一般较大，且费用较高，因此在 实际应用中一般将其用作综合研究中的辅助研究方 法&地面钻孔冲洗液法是利用采后地面打到煤层顶 板中的钻孔在各孔段冲洗液消耗量及钻进过程中掉

钻、卡钻、漏风等现象，确定导水裂隙带及冒落带的 上界&由于此法观测中要求准确控制采后成孔时

间，以便捕捉导水裂隙带最大高度,因此技术要求 高,对于中硬以上覆岩地区具有较好的适应性，而对

于软岩地区难以实现&同时由于地面钻孔成孔周期 长，钻孔费用高等因素，采用较困难&井 分段 水采 顶板 隙带高测技术方法简单,测试结果受外界干扰影响小，所以 逐渐获得了推广应用&该技术方法的基本原理是在

煤矿井下已采工作面周围选择合适的探测场所,向 采空区上方施工仰斜钻孔，使用“钻孔两端封堵测

漏装置”沿钻孔进行分段封堵注水，测定钻孔各段

注水的漏失流量，以此了解上覆岩层的破坏和裂隙

发育情况，确定裂隙带顶界,该方法具有数据可靠、

资料准确、速度快、工程节省等优点&2采空区顶板裂隙带高度探测技术及装备2.1采空区顶板裂隙带高度探测技术研制成果:井下仰孔分段注水观测的采空区顶

板裂隙带高度探测方法，因其具有测试结果准确、工 艺简单的特点，已成为煤矿井下实测采空区顶板裂

隙带发育状况的常用方法&在以往探测技术的基础 上，研制了低压膨胀式封隔器和双通道测试钻杆，完

善了采空区顶板裂隙带高度探测技术工艺&该技术 及装备具有封堵效果好、起胀压力低、结实耐用等优

点，很好地消除了以往膨胀胶囊易损、不可重复使用

等问题;将注水起胀封隔器水路和注水测漏水路巧 妙地融于测试钻杆本体，很好地解决了以往外置膨

胀管线容易发生缠绕和断线等问题&该技术应用过 程中，选择煤矿井下已采工作面周围合适的探测场

所,向采空区上方施工仰斜钻孔，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 各段注水的漏失量，以此了解上覆岩层的破坏和裂

隙发育情况，确定裂隙带的上界高度&探测钻孔布置设计要求:采空区顶板裂隙带高

度探测钻孔布置及设计应遵循①应选择顶板垮落较

充分的采空区布置钻孔，同时应考虑现场水、电等使

用便利;②钻孔深度应保证能够穿过预计的最大裂

隙带高度;③根据现场实际尽量增大钻孔彳顷角,既减

小钻孔斜长,降低工程费用,又利于钻孔排渣,提高

封隔器的封堵效果;④钻孔应避免穿越冒落带，以防

止钻孔塌孔或造成埋钻&探测钻孔施工技术要求:①应根据双端封堵测

漏装置尺寸,选择钻头规格,通常钻头尺寸以大于封

堵装置最大外径10 ~20 mm为宜;②严格按照钻孔 设计参数施工,保证钻孔施工质量，施工到位后应用

清水将孔内碎屑冲洗干净，并及时进行漏失量探测;

③钻孔施工过程中,应密切关注并详细记录孔内漏

水、涌水、卡钻、钻空等现象，并分析原因提出解决方

法;终孔后应标明孔号及钻孔参数&2.2注水漏失量探测工艺技术注水漏失量探测系统构成：注水漏失量探测系

统由双端封堵装置、分段封堵启胀装置、注水观测装

置、钻机和管路等构成，如图1所示&双端封堵装置 与双通道测试钻杆连接,并由钻机输送至孔内测试 位置，孔外采用高压水管连接井下静压水或泥浆泵,

并将该水源分别连接至分段封堵启胀装置和注水观 测装置的进水端，之后将分段封堵启胀装置和注水

观测装置出水端分别连接双通道测试钻杆水辫接头 上，即完成了测试系统连接&注水漏失量探测工艺流程:基于双端封堵测漏

原理的煤矿采 顶板 隙带高 工 如 2

所示&钻孔施工完成后,双端封堵装置和双通道测

试钻杆连接,通过钻机将其送入孔底，开启膨胀阀使

监测装置两端的封隔器膨胀，在封隔器和钻孔壁之

间形成密闭的空间,然后开启注水测试装置阀门，在

封隔器之间注水，观测注水测试装置流量和压力表, 一般分三次进行读数记录,时间间隔1 ~3 min,记 录封隔段的漏失速度;完成该段注水后停止注水,解

封封隔器,适当下移设备后重复上一步;依次进行测

量直至预定深度，完成全部监测工作&2.3 采 高 探“钻 双端 堵 漏装 ” 是进 井 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&低压膨胀式封隔器:孔内封堵注水探管主要包

括膨胀胶囊和出水管，在以往的探测过程中存在膨第3’期曹明世 煤矿采空区顶板裂隙带高度井下探测技术及装备研究33麼呈技术措施|入软管 胶

造成损坏

堵水路，该I J I L-------

现场 过程中，存 钻杆输送困难，软管因与钻

或

|探测完毕卜——|封隔器解封|，基于此，研制路通了双通 ，一路用于

钻杆， 钻 部

，另一路用于注水测——凹T下移探测腐卜漏，如 4所示。图2裂隙带高度探测工艺流程胶 压不足、易破、 合不紧 】问，导致封堵效果不佳。针对上 ，结合现场钻代替胶囊,用工实际，研制了低压 于

水段的封堵，如图3所示。压可实现 ，输送

水压力0. 2 MPa的条 顺 7，井 静压水即可顺利起 '隔图4双通道式测试钻杆，并 钻 紧 合,实现钻孔端分段封堵。该、耐磨，可反复使用等具有体积小、 &3现场应用3.1试验地点概况双龙煤矿位于陕西黄陵县城西北40 km处，行

政 顶岩性

陕西省黄陵县双龙镇管辖&矿井主采2#大，以黑色泥岩为主，局部为粉砂岩或煤层，一般厚度为1.30〜3. 50 m之间。2#煤层直接

图3低压膨胀式封隔器细粒砂岩，呈 层状，厚度0.80〜20. 62 m不等，为

双通道式测试钻杆：由于钻孔内定点封堵和注 水测漏失量的需要， 过程需采 路供水，以往

不坚固-- 固 ；煤层老顶以块状灰 I中-细粒岩屑石英砂 主， 固-坚固 ，矿井105 采工作的 是以钻 通 水测漏水路,沿钻杆定而不易冒落的顶板。

34陕西煤炭2019 年面 工作面，采用双端封堵测漏 采顶板上9 m段为1.198 L/min， 3. 379 L/min。5.000 4.000.SIU •3.000)2.000」*、

1.000瞅

喔0.0000

(T

平均漏失水量为顶板裂隙带高度& 105 简单，煤层起

采工作面地质 较定，平均煤厚2.4 m，煤层倾角2。采，采

~5。，平均倾角3.5。。工 面走向长1 220 m，工 面

]-■-2-2钻孔-*-2-3钻孔t-2-4钻孔----------------------------------------------

235叫目 正 面

3.2采

，采

向长壁后剖面位于工作采，全部垮落式管理顶板。

垮落时间 岩

4

&量测定10 20 30 40

105工 面裂隙带 工4个钻孔，其 16 105工面

50 垂高/m60 70号钻 对比孔，上 层未受采动影响;2号、3号105工 面采

剖面注水漏失量曲线图以及4号钻孔布

。1号对比 段

上部，为探3号 105工面采 上 层范围105工 面未受采动影响的上覆内，从以上数据中发现，整体漏失水量较高，在14 - 60 mV ，最大 煤层顶板上21 m段达到4. 753 L/min,小漏失量为2. 422 L/min，全孔平均

层 ，如 5 ，从数据中可以发现整 发育有漏水点，整体漏失水量较为平稳，最1.883 L/min,小是注水漏失量为3. 504 L/min。4号

面采 上 层 着垂高增加，相应

105工大在煤层顶板上39 m段

0.1 L/min，平均 1.459 L/min。's 5.000g 4.000j 3.000S2.0001.000旄 0.000，从以上数据中发现，随的注水漏失量呈现出先增后|—2-1钻孔|的趋势，距煤层顶板垂高在68 ~80 m段 ，

整体注水漏失量相对较小，与1号未受采动影响的

对比孔漏失量类似,漏失量0. 784 - 1. 370 L/min范，采动影响裂隙发育

0

10

；距煤层顶板垂高20 30 40

50 垂高/m60 70 80 9026 -65 m段 ，漏失水量分布于2. 214 -高 定3.933 L/min，采动影响裂隙发育。图5 1号采前对比孔注水漏失量曲线图3.3采

隙带高

2~4号 水漏失量如图6 & 2号105综采工作面自2018年1月开始回采，本次

钻场位于6

105 工 面采

著漏失，平均漏失水量

响裂隙发育。2号

上 层 ， 从 6采采 ，中发现，距煤层顶板垂高在14~36m段出现 显

采 上 层下沉

分析105工作面

形经历了约4 & 了4. 7 L/min，采动影钻孔注水漏失量 规整体漏失水量较髙，最大，制各钻孔注水漏失量随钻孔斜长 曲线，如煤层顶板上27 m段达到4.7 L/min，最小在煤层7 &7 105 工 面 钻 剖面 水漏失量 曲线第3,期曹明世煤矿采空区顶板裂隙带高度井下探测技术及装备研究35由图7分析得,105运输顺槽布置的4个钻孔 在注水测漏中，均能监测到注水漏失量。其中1号

参考文献：[I] 杜旭.多煤层赋存条件下采场覆岩“竖三带”分布

钻孔注水漏失量较小,分析是煤层上覆岩层未受采

动影响，岩层保持原始受压状态，裂隙不发育导致;2 号钻孔施工倾角较小，终孔位置与煤层顶界垂高36

规律研究与应用-D].北京：煤炭科学研究总 院,2018.[2 ]肖江，高喜才,马岳谭，等.富水覆岩采动裂隙渗

流相似模拟研究[J].采矿与安全工程学报, 2008,25(1)：50-53.m,分析该段受采动影响大，裂隙发育，该孔终孔已 处于裂隙带内;3号钻孔终孔垂高为60 m,监测到注 水漏失量仍较大，采动影响裂隙仍然发育;4号钻孔

[3 ]于士芹，杨宏民,鲁小凯，等.王家岭煤矿高位定

向长钻孔抽采顶板卸压瓦斯技术-J].河南理工 大学学报(自然科学版),2018,37(4) ：31-36.终孔垂高为80 m,26 ~65 m范围内，注水漏失明显, 之后注水漏失量降低至与1号钻孔漏失量相差无

[4] 杨伟峰，刘小亮，孔坤，等.综采工作面覆岩采动

破坏规律与充水特征分析[J].能源技术与管理,

几。综合分析，得出105工作面采空区上覆岩层裂

隙带较发育段顶界高度约为煤层顶板以上65 m&2006,31(1)：7-10.4结论(1) 提出了基于井下钻孔双端封堵测漏原理的 采空区顶板裂隙带高度探测技术与方法，研制了低

压膨胀封隔器和双通道测试钻杆等测试设备，较好

[5] 王延蒙，白海波.司马煤矿薄基岩区导水裂隙带

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场的有限差分分析-J].辽宁工程技术大学学报 (自然科学版),2009,11(S1)：193-195.地解决了以往采用胶囊封堵不严密、胶囊易破不耐 用，以及橡胶软管不耐压、缠绕导致输送困难的 问题。(2) 选择双龙煤矿进行探测试验，完成105工面4 钻 的 层 水漏失量

[8] 李艳清，王冠.郭家河煤矿综放工作面覆岩导水

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长度累计363 m,获取注水漏失量监测数据113组;

大学,2017.通过监测数据分析得出双龙煤矿105工作面采空区 上覆岩层受采动影响裂隙带高度顶界约为65 m&

探测结果为双龙煤矿采空区高位钻孔瓦斯抽采和顶

[10] 朱伟，滕永海,唐志新.潞安矿区综采裂隙带发育

高度规律实测研究[J].煤炭科学技术,2017,45(7) ：167-171.[II] 王玉成.膏体充填开采覆岩导水裂隙带发育规律

研究与应用-D].山东：山东科技大学,2017.板防治水工作提供了准确的数据支持。黄陵矿业首套快速掘进成套设备完成井下组装调试今年2月份，黄陵矿业首套快速掘进成套设备在所属二号煤矿井下303胶带掘进工作面顺利完成组装调试。此次引进的 整套快掘设备由黄陵矿业公司与山西天地煤机装备有限公司依据井下生产实际共同开发设计制造，设备国产率达到100% &本套快速掘进成套设备具有“快速”“安全”“集成”三大优势，现已具备生产条件，对于提高煤矿机械化水平、数字化矿山 建设、缓解煤矿采掘关系、减员增效及减轻职工劳动强度有着深远的意义。本套快速掘进成套设备机组可实现锚杆、锚索多排多臂同时作业，掘锚机支护顶锚杆和上帮锚杆，运锚机打顶锚索、补打 底部帮锚杆。掘进效率是传统掘进机组的2倍以上，使矿井机械化水平得到进一步提高，职工劳动强度大幅降低，入井人员数

量得到有效控制，安全和效益成效都十分显著。据了解，该技术运用至今，平均每月掘进量500米&(权春晖朱克强)