紅柳林煤礦15205工作面探放水技術(shù)應(yīng)用分析

陳小繩，朱國超

(陜西煤業(yè)化工集團(tuán)紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西神木719300)

紅柳林井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田神北礦區(qū)最南端，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10Mt/a。根據(jù)井田水文地質(zhì)資料及勘探結(jié)果，4－2煤及5－2煤層頂板含水層總體上含水量較小，但在某些地段可能導(dǎo)水裂隙較發(fā)育，基巖頂界風(fēng)化帶及新生代沙層底部含水性也很不均勻，部分區(qū)段含水性較強(qiáng)，而井田內(nèi)探明分布4－2，5－2煤的燒變巖，有地下水存在及富水的可能，成為影響采區(qū)安全生產(chǎn)的重要隱患。因此，本文就紅柳林井田15205工作面初采以前的探訪水工作及工作面涌水情況，做好“有疑必探”的準(zhǔn)備工作，以解除15205工作面受到頂板水害的威脅，保障采面順利回采。

1 水文地質(zhì)概況及頂板充水條件分析

1.1 工作面水文地質(zhì)條件

15205工作面位于南一盤區(qū)5－2煤輔運(yùn)大巷北側(cè)，西側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為正在開采的15204工作面，南側(cè)為采礦邊界。工作面實(shí)際開采走向長達(dá)3033m，傾向長度350m?，F(xiàn)工作回風(fēng)、膠運(yùn)、輔運(yùn)巷均已形成。

15205工作面地表無村莊，地表北部地勢較平坦，以沙丘、黃土地貌為主，南部受沖溝切割，以梁峁溝谷地貌為主，梁峁區(qū)植被覆蓋，溝谷受流水沖刷切割較深，溝谷兩側(cè)邊坡較陡，靠南有部分耕地。工作面地表自然形成南北向的分水嶺，東側(cè)沖溝匯入馬牙岔，西側(cè)沖溝匯入肯鐵令溝。溝內(nèi)一般為棕紅色黏土，局部受侵蝕基巖出露，雨季時(shí)容易匯集大量山洪。地表蓋層厚度35～204m，由于巷道掘進(jìn)期間對巷道圍巖系統(tǒng)影響有限，不會(huì)受地表水及松散層潛水的影響。但由于局部沖溝基巖侵蝕嚴(yán)重，工作面回采期間地表匯水及上覆含水層將會(huì)對工作面安全回采造成一定影響。

1.2 工作面頂板充水條件分析

根據(jù)礦井水文地質(zhì)報(bào)告，15205工作面區(qū)域5－2煤主要的含水層為頂板砂巖裂隙承壓含水層，其次為孔隙潛水含水層。地表無大的水體，補(bǔ)給條件較差，第四系沙層潛水以接受大氣降水直接補(bǔ)給為主，凝結(jié)水補(bǔ)給微弱;侏羅系孔隙裂隙承壓水主要接收區(qū)域側(cè)向補(bǔ)給和上部地下水的滲透補(bǔ)給。在基巖出露區(qū)域，大氣降水直接通過裂隙向巖層微弱滲透補(bǔ)給，其次是沙層孔隙水入滲補(bǔ)給。

15205工作面受水害威脅最大的頂板松散層水及基巖風(fēng)化帶水，在回采階段，頂板一旦垮落后將使直羅組風(fēng)化基巖水、第四系砂層水全部涌入到工作面內(nèi)，易造成工作面水害事故的發(fā)生。

因此，需要對15205工作面頂板實(shí)施探放水工程用以查明采面頂板上覆延安組和直羅組風(fēng)化巖的富水狀況，并對工作面5－2煤頂板上覆直接充水含水層進(jìn)行預(yù)疏放，降低工作面涌水強(qiáng)度。

2 探放水施工設(shè)計(jì)方案

2.1 施工概況

本次探放水工程以保障15205工作面安全回采為前提，以優(yōu)化鉆孔數(shù)量為原則，將設(shè)計(jì)的探放水鉆孔分為一期、二期、三期工程施工。施工時(shí)首先對切眼內(nèi)的探放水鉆孔進(jìn)行施工，確保15205工作面初采初放期間的安全;然后對異常區(qū)的探放水鉆孔進(jìn)行施工;最后，根據(jù)鉆孔出水情況，對頂板水鉆孔進(jìn)行優(yōu)化施工，以查明并探放工作面上覆風(fēng)化基巖、松散層含水層和4－2煤燒變巖水富水狀況。

本次探放水一期、二期、三期工程設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)為38個(gè)，其中一期鉆孔數(shù)為16個(gè)鉆孔，二期鉆孔數(shù)為15個(gè)，三期鉆孔數(shù)為7個(gè)，設(shè)計(jì)總工程量為5806m。在實(shí)際施工過程中，根據(jù)鉆孔出水及施工條件情況，對部分探放頂板水鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后鉆場數(shù)仍為12個(gè)，累計(jì)施工鉆孔數(shù)為32個(gè)，其中一期施工鉆孔數(shù)為16個(gè)，二期施工鉆孔數(shù)為15個(gè)孔，三期施工鉆孔數(shù)為1個(gè)孔，實(shí)際施工總工程量為4721m，如表1所示。

表1 15205工作面鉆孔設(shè)計(jì)、實(shí)際施工工程量

本次探放水工程施工的32個(gè)鉆孔中，24個(gè)孔探放頂板風(fēng)化基巖水、松散沙層水，8個(gè)孔驗(yàn)證并疏放物探圈定的富水異常區(qū)。探測以上探放水孔以15～62°仰角向頂板含水層鉆進(jìn)。

2.2 施工工藝

本工程探放水的裸孔孔徑設(shè)計(jì)為75mm，孔口管孔徑φ108mm，長6m，孔口管以下為裸孔。

本工程鉆探施工工藝如下:

(1)鉆機(jī)設(shè)置及角度調(diào)整 按設(shè)計(jì)的方位角及俯角給定。

(2)孔口管固管工藝 下入孔口管后，接上同徑壓蓋及連接注漿管路，用注漿泵壓入計(jì)算量的固管用速凝漿液，注漿壓力達(dá)到0.5MPa后，關(guān)閉注漿閥門，等凝12h;透孔后進(jìn)行二次注漿，注漿壓力達(dá)到1.5MPa后，關(guān)閉注漿閥門，等凝12h，再次透孔后用1.5MPa水壓進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為30min，達(dá)到要求后繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位?？卓诠芄探Y(jié)注漿工藝如圖1所示。

圖1 孔口管固結(jié)注漿接頭

(3)鉆進(jìn)方法 采用復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，遇硬巖層用人造鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)，沖洗液采用清水，有塌孔現(xiàn)象時(shí)可改用泥漿鉆進(jìn)，軟巖層可試驗(yàn)用復(fù)合片(無芯)鉆頭鉆進(jìn)。

(4)鉆進(jìn)工藝參數(shù) 人造鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)數(shù)150～200r/min，壓力90～100MPa，沖洗液量50L/min;金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)數(shù)150～200r/min，壓力50～55MPa，沖洗液量50L/ min。

(5)鉆孔施工時(shí)開孔口 φ127mm至孔深7m，下入長6m，φ108mm孔口管，固管后用φ73mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位。

3 疏放水效果分析

3.1 鉆孔涌水量及變化情況

本次施工的32個(gè)鉆孔中，6個(gè)孔為干孔，占比18.8%;18個(gè)孔僅有少量淋水，占比56.3%; 1個(gè)孔水量小于1m3/h，占比3.1%;5個(gè)孔水量介于1～10m3/h，占比15.6%;1個(gè)孔水量介于10～15m3/h之間，占比3.1%;1個(gè)鉆孔涌水量介于20～25m3/h之間，占比3.1%;無水和僅有少量淋水的鉆孔占比合計(jì)達(dá)到75.0%，水量大于1m3/h的鉆孔占比21.9%。探放水鉆孔涌水量數(shù)據(jù)說明，5－2煤層上覆頂板水總體富水性弱;含水層富水性在空間上存在差異，局部存在相對富水異常區(qū)。

3.2 放水效果

從鉆孔成孔放水截至，所有鉆孔涌水量從初始的54.2m3/h衰減至目前的8.0m3/h，累計(jì)疏放水量44084m3，從鉆孔涌水量變化情況來看，水量較大的地段主要集中在地表溝谷區(qū)域，該區(qū)域的水經(jīng)過一段時(shí)間的疏放呈逐漸減小的趨勢，說明地表溝谷地段以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水較少。

通過鉆孔涌水量衰減情況分析，探放水對各含水層的疏降取得了顯著效果，并表明疏放目標(biāo)含水層富水性弱，滲透性差，補(bǔ)給有限，以靜儲(chǔ)量為主。

4 工作面涌水量預(yù)計(jì)

根據(jù)15205工作面推進(jìn)過程中工作面的涌水特點(diǎn)，首采工作面涌水量主要由以下兩部分組成。

第1部分為頂板垮落裂縫帶初次或周期發(fā)育至含水層后，導(dǎo)致裂縫帶影響范圍內(nèi)的含水層與周邊含水層被導(dǎo)水裂縫斷開，使其內(nèi)部的水通過縱橫交錯(cuò)的裂隙被釋放出來流入到工作面內(nèi)，這部分水因?yàn)榕c原來的含水層脫離，不再接受側(cè)向補(bǔ)給，因而這部分屬于靜態(tài)水，可按照含水層在一定時(shí)間內(nèi)給水能力進(jìn)行預(yù)計(jì)，其計(jì)算公式為:

式中，M為含水層厚度，正常涌水量時(shí)由于疏將作用含水層厚度取 6m;L為工作面斜長，取348m;B為初次溝通主要含水層垮落區(qū)寬度，取60m，周期性溝通含水層垮落區(qū)寬度為20m;μ為含水層給水度，取0.02;t為最終完成潰水時(shí)間，取2d。

第2部分為頂板垮落后，裂縫帶周邊未受開采影響的含水層，沿冒裂邊界側(cè)向徑流源源不斷地流入到工作面內(nèi)，該部分水量主要由冒裂區(qū)頂部含水層的垂直下滲補(bǔ)給和冒裂區(qū)四周含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給兩部分組成，因?yàn)橛袆?dòng)態(tài)補(bǔ)給源，所以這部分水屬于動(dòng)態(tài)水，可按照“大井法”進(jìn)行水量預(yù)計(jì)，其計(jì)算公式為:

式中，Q動(dòng)為最大涌水量，m3/h;K為滲透系數(shù)，取3.0m/d;M為含水層厚度，m;H為水頭高度，m;h為動(dòng)水位至底板隔水層水柱高度，m;R0為引用影響半徑，m;r0為引用半徑，m。

將兩部分水量相加，即可得出首采面水量計(jì)算公式:

采用公式 (3)可得15205工作面最大、正常涌水量分別為Q最大=141m3/h，Q正常=42m3/h。

5 工作面突、涌水危險(xiǎn)性分析

根據(jù)本次疏放水效果及探放水鉆孔涌水量分析可知，沿著工作面推進(jìn)方向從切眼至310m范圍內(nèi)，所有鉆孔均處于淋水狀態(tài)，據(jù)此分析該范圍內(nèi)頂板富水性較弱，工作面不存在突水威脅;在該范圍內(nèi)，基巖厚度都在60m以上，工作面同樣不存在潰砂的威脅。因此，工作面在0～310m這一地段開采不會(huì)存在水害威脅。

沿著工作面推進(jìn)方向310～935m范圍內(nèi)，出水鉆孔為 4個(gè)，初始涌水量分別為 2.0m3/h，11.0m3/h，2.0m3/h，23.3m3/h，其中T15號(hào)孔初始涌水量達(dá)到了23.3m3/h，化驗(yàn)后的水質(zhì)類型為HCO3－Ca·Mg型，該處鉆孔內(nèi)涌水包含了松散層水和基巖風(fēng)化帶水，說明該范圍內(nèi)頂板含水層富水性較強(qiáng)，工作面推進(jìn)至該區(qū)域時(shí)，可能存在突水的危險(xiǎn)。然而，經(jīng)過多日的疏放，該處4個(gè)出水鉆孔從初始的38.3m3/h衰減至7.8m3/h，水量衰減率為80%，鉆孔對含水層水的疏放效果非常顯著，說明該富水區(qū)域地下水以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)儲(chǔ)量補(bǔ)給有限，通過本次探放水工程，基本解除310～935m這一地段的水害威脅，工作面不存在突水的威脅;在該范圍內(nèi)，基巖厚度都在60m以上，工作面同樣不存在潰砂的威脅。因此，工作面在310～935m這一地段開采不會(huì)存在水害威脅。

沿著工作面推進(jìn)方向935～3033m范圍內(nèi)，出水鉆孔為 2個(gè)，初始涌水量分別為 3.5m3/h，9.1m3/h，經(jīng)過一段時(shí)間的疏放，該段出水鉆孔從初始的12.6m3/h衰減至0.2m3/h，水量衰減率為99%，其余鉆孔為淋水孔甚至為干孔，因此該范圍內(nèi)頂板含水層富水性較弱，工作面不存在突水的威脅;在該范圍內(nèi)，基巖厚度都在60m以上，工作面也不存在潰砂的威脅。因此，工作面在935～3033m這一地段開采不會(huì)存在水害威脅。

目前，所有出水鉆孔涌水量均已變小或干枯，鉆孔涌水量從初始的 54.2m3/h衰減至目前的8.0m3/h，說明該區(qū)域地下水以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)儲(chǔ)量補(bǔ)給量有限，通過本次探放水工程，基本解除15205工作面的水害威脅。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)15205工作面探放水成果，并結(jié)合淺埋煤層導(dǎo)水裂縫帶直接發(fā)育至地表這一特征，15205工作面回采時(shí)防治水重點(diǎn)是第四系松散層潛水，其次是基巖風(fēng)化帶水;正?；鶐r內(nèi)的砂巖裂隙水富水性微弱，對工作面不構(gòu)成威脅，而第四系松散層直接接受大氣降水的補(bǔ)給，因此在雨季應(yīng)加強(qiáng)塌陷區(qū)回填及工作面涌水量觀測工作。

(2)采用“動(dòng)靜態(tài)水結(jié)合法”對15205工作面涌水量進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)計(jì)得出工作面最大涌水量為141m3/h，正常推進(jìn)時(shí)涌水量為42m3/h，為提高工作面抗災(zāi)變能力，應(yīng)確保工作面總體排水系統(tǒng)能力不低于300m3/h。

(3)通過鉆孔涌水量衰減程度分析，工作面富水區(qū)域以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)儲(chǔ)量補(bǔ)給有限，通過本次探放水工程，基本解除15205面頂板水害威脅。

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