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摘 要：煤层开采造成顶板垮落形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，一般称之为“三带”，对煤矿采空区防治水造成重大影响。准确掌握“三带”发育高度是采空区积水防治的重要基础。仰孔分段注水技术通过对孔内水量流失率的分析，能够准确计算出导水裂隙带发育高度和冒落带的高度，为煤矿的采空区积水防治提供可靠的资料，同时也能为瓦斯治理提供参考依据。
关键词：仰孔分段注水；顶板裂隙带；应用
0、前言
煤矿开采过程中，煤层上覆岩层发生变形破坏，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”。“三带”高度是瓦斯抽采、顶板管理、顶板水防治中必须考虑的一个重要的技术参数。因此准确确定“三带”高度对于确保煤矿安全生产具有十分重要的意义。“三带”高度及其分布特征十分复杂，不仅与煤层顶板岩性及其组合特征有关，而且与煤层厚度和开采方法等因素有关。确定“三带”高度的方法较多，包括物探方法、冲洗液法及经验公式法等，但其应用都具有一定的局限性，且精度不高，一般作为综合研究中的辅助手段。而井下仰孔分段注水观测的采空区裂隙带高度探测方法能够探测到采空区顶板裂隙带的发育范围，可以比较准确的测定裂隙带顶界，该方法具有数据可靠、资料准确、速度快、工程省等优点。目前，井下采空区顶板裂隙带高度监测技术正在迅速发展，已经应用到高位瓦斯抽采孔优化定位等领域。
1、技术要点
该技术方法的特点是通过在煤矿井下相邻工作面回风巷选择合适的探测场所，向采空区上方施工仰斜钻孔。钻孔应避开冒落带而斜穿裂隙带，达到预计的裂隙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，确定裂隙带的上界高度。
2、观测工作面概况
选取观测的工作面位于黄陵二号煤矿四盘区，工作面巷道布置为两进一回，即辅运巷、胶带巷和回风巷，同时辅运巷作为下一工作面的回风巷。该工作面所处区域地质构造较为简单，为一单斜构造，倾向西北，地层倾角0～3°。工作面煤层厚度6.1m，煤层直接顶板为灰色细粒砂岩，夹薄层粉砂岩，近水平层理，致密坚硬，厚度8m～10m。根据周边钻孔资料分析，煤层顶板往上100m范围内岩性多为粉砂岩，同时夹有厚度不一的细粒砂岩层，属于中硬岩层。
3、采空区顶板裂隙带高度预计
采后裂隙带高度的预计是准确设计探测钻孔布置和钻孔参数的前提。根据现行《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，对应缓倾斜（0°～35°）煤层覆岩为中硬岩层时，煤层采后覆岩导水裂隙带高度的预计公式为：
观测工作面回采方式为一次采全高，因此最大采高按照煤层厚度取6.1m，将其带入公式（1）和（2），分别得出导水裂隙带发育高度为51m和59m。
4、观测数据分析
为了确保观测数据的真实，尽量减少误差，总共施工三组钻孔，其中一组位于工作面未采动区域，作为对照组，另外两组位于工作面采空区，作为数据收集组。
其中对照组钻孔仰角40度，孔深110m，钻孔编号为1#孔；一组数据收集孔仰角40度，孔深113m，钻孔编号为2#孔；另一组數据收集孔仰角50度，孔深102m，钻孔编号为3#孔。
通过对1#孔观测数据的分析，在观测段孔内连续发育有漏水点，其中漏失率最大17.6 L/min，最小1.6 L/min，平均7.8 L/min。
将2#孔观测数据与1#孔数据进行原始地层漏失校正，分析后得出：距煤层顶板垂高在46.3m～61.7m段出现连续显著漏失，平均漏失水量均达到10.9 L/min，受采动影响裂隙发育；62.7m～65.6m段连续弱漏失，平均漏失量4.9 L/min，受采动影响裂隙发育较弱；65.6m以上到70.4m段仍有漏失，但漏失水量最大3.0 L/min，平均1.7 L/min，基本可视为采动影响裂隙不发育。
将3#孔观测数据与1#孔数据进行原始地层漏失校正，分析后得出：距煤层顶板垂高在46.0m～60.9m段出现连续显著漏失，平均漏失水量均达到14.9 L/min，受采动影响裂隙发育；62.0m～64.3m段连续弱漏失，平均漏失量5.8 L/min，受采动影响裂隙发育较弱；64.3m以上到71.2m段仍有漏失，但漏失水量最大3.4 L/min，平均2.4 L/min，基本可视为采动影响裂隙不发育。
通过以上数据分析，观测剖面受采动影响裂隙带发育顶界高度约为煤层顶板以上66m层位，裂隙带较发育段顶界高度约为煤层顶板以上62m层位。与公式计算的结果相比较，通过仰孔分段注水技术观测的数据更能反映裂隙带实际高度。
5、结论及建议
煤层回采后上覆岩层“三带”发育，受煤层采厚、煤层倾角、采矿方法、顶板管理、上覆岩层结构和岩性条件、基岩厚度、煤层埋深等因素控制，而且随着时间的推移采动形成的上覆岩层裂隙带是一个由下向上、由内而外的持续发展过程。在受到采动影响后，在地应力和采动应力综合影响下分层明显的交互岩层及硬岩与软岩交接处常常是裂隙带发育的有利地带。
5.1结论
通过采用井下仰孔分段注水观测的采空区顶板裂隙带高度探测技术方法，实际测定了黄陵二号煤矿的采空区顶板裂隙带的发育高度范围，对分析采空区积水补给通道和补给水源提供了参考依据，并为矿井进行合理选择高位抽采层位实施提供了技术支持。
通过监测数据分析得出黄陵二号煤矿四盘区上覆岩层受采动影响裂隙带发育顶界高度距2号煤顶板为66m左右，裂隙带较发育段顶界高度距2号煤顶板为62m左右。
5.2建议
为较好的利用采空区裂隙带探测成果，更好的为矿井防治水工作提供支持，也为了获得更好的高位抽采效果，提出如下建议：
（1）裂隙带的形成受采煤活动和上覆岩层本身岩层结构、岩性条件等众多因素影响，不同区域裂隙带高度有差异。因此，应继续加大对采空区顶板“三带”发育高度的探测，获取更多“三带”发育高度数据。
（2）认真分析统计矿区范围内的钻孔资料，掌握煤层上覆含水层与煤层顶板的间距，对于采空区顶板裂隙带发育高度能超过含水层底界的区段，要采取相应的采空区积水防治措施，避免采空区积水对矿井的安全生产造成威胁。
（3）为确保高位瓦斯抽采效果，保证瓦斯抽采量和抽采浓度，在设计高位瓦斯抽采钻孔时，应避免钻孔穿过冒落带，钻孔应尽量布置于裂隙带发育的中下部层位。
关键词：仰孔分段注水；顶板裂隙带；应用
0、前言
煤矿开采过程中，煤层上覆岩层发生变形破坏，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”。“三带”高度是瓦斯抽采、顶板管理、顶板水防治中必须考虑的一个重要的技术参数。因此准确确定“三带”高度对于确保煤矿安全生产具有十分重要的意义。“三带”高度及其分布特征十分复杂，不仅与煤层顶板岩性及其组合特征有关，而且与煤层厚度和开采方法等因素有关。确定“三带”高度的方法较多，包括物探方法、冲洗液法及经验公式法等，但其应用都具有一定的局限性，且精度不高，一般作为综合研究中的辅助手段。而井下仰孔分段注水观测的采空区裂隙带高度探测方法能够探测到采空区顶板裂隙带的发育范围，可以比较准确的测定裂隙带顶界，该方法具有数据可靠、资料准确、速度快、工程省等优点。目前，井下采空区顶板裂隙带高度监测技术正在迅速发展，已经应用到高位瓦斯抽采孔优化定位等领域。
1、技术要点
该技术方法的特点是通过在煤矿井下相邻工作面回风巷选择合适的探测场所，向采空区上方施工仰斜钻孔。钻孔应避开冒落带而斜穿裂隙带，达到预计的裂隙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，确定裂隙带的上界高度。
2、观测工作面概况
选取观测的工作面位于黄陵二号煤矿四盘区，工作面巷道布置为两进一回，即辅运巷、胶带巷和回风巷，同时辅运巷作为下一工作面的回风巷。该工作面所处区域地质构造较为简单，为一单斜构造，倾向西北，地层倾角0～3°。工作面煤层厚度6.1m，煤层直接顶板为灰色细粒砂岩，夹薄层粉砂岩，近水平层理，致密坚硬，厚度8m～10m。根据周边钻孔资料分析，煤层顶板往上100m范围内岩性多为粉砂岩，同时夹有厚度不一的细粒砂岩层，属于中硬岩层。
3、采空区顶板裂隙带高度预计
采后裂隙带高度的预计是准确设计探测钻孔布置和钻孔参数的前提。根据现行《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，对应缓倾斜（0°～35°）煤层覆岩为中硬岩层时，煤层采后覆岩导水裂隙带高度的预计公式为：
观测工作面回采方式为一次采全高，因此最大采高按照煤层厚度取6.1m，将其带入公式（1）和（2），分别得出导水裂隙带发育高度为51m和59m。
4、观测数据分析
为了确保观测数据的真实，尽量减少误差，总共施工三组钻孔，其中一组位于工作面未采动区域，作为对照组，另外两组位于工作面采空区，作为数据收集组。
其中对照组钻孔仰角40度，孔深110m，钻孔编号为1#孔；一组数据收集孔仰角40度，孔深113m，钻孔编号为2#孔；另一组數据收集孔仰角50度，孔深102m，钻孔编号为3#孔。
通过对1#孔观测数据的分析，在观测段孔内连续发育有漏水点，其中漏失率最大17.6 L/min，最小1.6 L/min，平均7.8 L/min。
将2#孔观测数据与1#孔数据进行原始地层漏失校正，分析后得出：距煤层顶板垂高在46.3m～61.7m段出现连续显著漏失，平均漏失水量均达到10.9 L/min，受采动影响裂隙发育；62.7m～65.6m段连续弱漏失，平均漏失量4.9 L/min，受采动影响裂隙发育较弱；65.6m以上到70.4m段仍有漏失，但漏失水量最大3.0 L/min，平均1.7 L/min，基本可视为采动影响裂隙不发育。
将3#孔观测数据与1#孔数据进行原始地层漏失校正，分析后得出：距煤层顶板垂高在46.0m～60.9m段出现连续显著漏失，平均漏失水量均达到14.9 L/min，受采动影响裂隙发育；62.0m～64.3m段连续弱漏失，平均漏失量5.8 L/min，受采动影响裂隙发育较弱；64.3m以上到71.2m段仍有漏失，但漏失水量最大3.4 L/min，平均2.4 L/min，基本可视为采动影响裂隙不发育。
通过以上数据分析，观测剖面受采动影响裂隙带发育顶界高度约为煤层顶板以上66m层位，裂隙带较发育段顶界高度约为煤层顶板以上62m层位。与公式计算的结果相比较，通过仰孔分段注水技术观测的数据更能反映裂隙带实际高度。
5、结论及建议
煤层回采后上覆岩层“三带”发育，受煤层采厚、煤层倾角、采矿方法、顶板管理、上覆岩层结构和岩性条件、基岩厚度、煤层埋深等因素控制，而且随着时间的推移采动形成的上覆岩层裂隙带是一个由下向上、由内而外的持续发展过程。在受到采动影响后，在地应力和采动应力综合影响下分层明显的交互岩层及硬岩与软岩交接处常常是裂隙带发育的有利地带。
5.1结论
通过采用井下仰孔分段注水观测的采空区顶板裂隙带高度探测技术方法，实际测定了黄陵二号煤矿的采空区顶板裂隙带的发育高度范围，对分析采空区积水补给通道和补给水源提供了参考依据，并为矿井进行合理选择高位抽采层位实施提供了技术支持。
通过监测数据分析得出黄陵二号煤矿四盘区上覆岩层受采动影响裂隙带发育顶界高度距2号煤顶板为66m左右，裂隙带较发育段顶界高度距2号煤顶板为62m左右。
5.2建议
为较好的利用采空区裂隙带探测成果，更好的为矿井防治水工作提供支持，也为了获得更好的高位抽采效果，提出如下建议：
（1）裂隙带的形成受采煤活动和上覆岩层本身岩层结构、岩性条件等众多因素影响，不同区域裂隙带高度有差异。因此，应继续加大对采空区顶板“三带”发育高度的探测，获取更多“三带”发育高度数据。
（2）认真分析统计矿区范围内的钻孔资料，掌握煤层上覆含水层与煤层顶板的间距，对于采空区顶板裂隙带发育高度能超过含水层底界的区段，要采取相应的采空区积水防治措施，避免采空区积水对矿井的安全生产造成威胁。
（3）为确保高位瓦斯抽采效果，保证瓦斯抽采量和抽采浓度，在设计高位瓦斯抽采钻孔时，应避免钻孔穿过冒落带，钻孔应尽量布置于裂隙带发育的中下部层位。