基于沉積分析的頂板疏放水技術(shù)研究

黃 浩

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710077）

1 概述

呼吉爾特礦區(qū)含煤地層為侏羅系延安組，目前區(qū)內(nèi)礦井主采2#、3#煤層。煤層埋深普遍在600m以下，埋深較大。在建井和回采過(guò)程中主要的水害威脅來(lái)自頂板砂巖裂隙水。煤層開(kāi)采造成的導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通頂板直羅組中粗砂巖強(qiáng)含水層。根據(jù)煤礦防治水規(guī)定，煤層（組）頂板導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)分布有富水性強(qiáng)的含水層，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行疏干開(kāi)采。目前，頂板預(yù)疏放水技術(shù)主要是通過(guò)井下施工頂板預(yù)疏放水鉆探工程來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-2]。因此，查明直羅組砂巖含水層位置、分布特征以及富水規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化頂板疏放水鉆孔設(shè)計(jì)和施工、提高頂板疏放水效果、避免無(wú)效疏放、保障工作面安全回采具有重要意義[3-5]。

2 頂板含水層沉積特性分析

礦井位于呼吉爾特礦區(qū)的中部。設(shè)計(jì)首采工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度4676.8m，斜長(zhǎng)320m。主采煤層為2-1煤，煤層頂板埋深為623.45～646.08m，采高2.85m。采動(dòng)引起的頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為85m，溝通直羅組含水層。

侏羅系中統(tǒng)安定—直羅組以辮狀河、曲流河和湖泊相沉積為主。煤層頂板含水層富水性在平面和剖面上均顯示出極強(qiáng)的不均一性特征[6]。其中，安定組在區(qū)域上屬于相對(duì)隔水層。直羅組下段辮狀河道砂巖具有良好的滲透性、連通性和成層性[7]。由于其特殊的陸相沉積背景、多相變層疊的覆巖結(jié)構(gòu)和錯(cuò)綜復(fù)雜的地下水徑流系統(tǒng)，導(dǎo)致了礦井水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，頂板含水層富水性極不均一。

2.1 含水層展布規(guī)律

通過(guò)高分辨率層序地層格架的建立，可以獲得短期基準(zhǔn)面旋回內(nèi)超短期，建立不同級(jí)次基準(zhǔn)面旋回中砂層數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，繪制不同級(jí)次砂層厚度等值線圖，反映砂體的平面分布特征。

直羅組一段砂體展布方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向展布（圖1）。井田大部分區(qū)域砂體厚度為20～40m，H09鉆孔附近、H 30鉆孔附近、H 32鉆孔附近的砂體厚度均大于40m。在H01鉆孔、HK39鉆孔、N43鉆孔附近及HK01鉆孔、HK12鉆孔附近的砂體厚度均大于30m。在HK42鉆孔附近，砂體發(fā)育較差，厚度小于10m；直羅組二段砂體厚度要比直羅組一段的大，但兩者展布方向基本相同，亦為北西—南東向（圖1）。該段砂體厚度20～40m。在N15鉆孔、HK21鉆孔附近，以及H18鉆孔、h9鉆孔附近的砂體較發(fā)育，厚度均大于40m；H16鉆孔、HK44鉆孔、HK47鉆孔、H 40鉆孔之間和HK13鉆孔、H21鉆孔、N49鉆孔、H32鉆孔之間的砂體厚度大于30m。砂體厚度小于10m的地方僅出現(xiàn)在HK37鉆孔和HK09鉆孔、H 12鉆孔附近。

2.2 富水性分區(qū)

圖1 直羅組一、二段砂體等厚圖

分析葫蘆素井田富水性的地質(zhì)控制因素，并結(jié)合井田水文地質(zhì)特征和鉆孔抽水試驗(yàn)成果，重點(diǎn)考慮沉積環(huán)境和不同沉積相中砂巖的發(fā)育程度、孔隙度、斷層等因素，根據(jù)綜合量化指數(shù)值對(duì)井田范圍內(nèi)砂巖含水層分層進(jìn)行了富水性分區(qū)。圖2為直羅組一、二段富水性分區(qū)圖。圖中，21102工作面頂板直羅組一段含水層富水性整體上為中等—強(qiáng)，其中H 07鉆孔和H 17鉆孔之間的范圍為強(qiáng)富水性，總體上位于工作面中部偏北的位置；直羅組二段富水條帶總體上呈北西—南東方向展布，且在21102工作面內(nèi)存在2處富水性較強(qiáng)的區(qū)域。圖中顯示地面H8水文長(zhǎng)觀孔和大53氣井處于同一富水條帶上。

根據(jù)勘探資料分析，首采工作面附近鉆孔揭露2-1煤頂板距離直羅組一段的距離為2.85～6.81m。因此，巷道掘進(jìn)超前探放水鉆孔揭露的就是直羅組一段底部含水層。具體情況如圖3所示。

圖3表明：回風(fēng)巷超前探鉆孔出水總體較小，只有工作面中部以及切眼附近鉆孔水量較大；巷道掘進(jìn)期間運(yùn)輸巷超前探鉆孔水量相對(duì)回風(fēng)巷總體較大，除切眼附近鉆孔水量較大為38m3/h，其余鉆孔水量基本在20m3/h左右。且在距離工作切眼2200～4120m段鉆孔水量總體較為平均，平均水量為7m3/h。說(shuō)明此段含水層富水性較好，驗(yàn)證了直羅組一段底部砂巖含水層富水條帶的客觀存在。

2015年礦井在掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)生大53氣井出水事故。圖4為事故發(fā)生和治理過(guò)程中，H 8鉆孔水位變化曲線。圖中，大53出水前，H 8鉆孔水位呈緩慢下降態(tài)勢(shì)。之后經(jīng)歷了緩慢下降—急劇下降—緩慢恢復(fù)—快速恢復(fù)的過(guò)程。從4月26日大53氣井出水，到6月25日治理完成，H8鉆孔水位累積下降15.3m；治理完成后，H 8鉆孔水位又上升3.29m。

分析整個(gè)過(guò)程，可以看出，二者之間響應(yīng)明顯，且H8鉆孔水位響應(yīng)存在滯后性。表明二者應(yīng)處于同一個(gè)富水條帶上。驗(yàn)證了沉積分析結(jié)果。

3 頂板水疏放

圖3 首采面掘進(jìn)期間探放水鉆孔終孔水量柱形圖

圖4 H 8鉆孔水位變化曲線

通過(guò)勘探及探查資料分析，確定工作面開(kāi)采直接充水含水層，即疏放水的目的層位。通過(guò)瞬變電磁、沉積分析、掘進(jìn)及鉆孔資料總結(jié)分析，確定直羅組含水層富水性特征，即疏放水的重點(diǎn)區(qū)段。最終結(jié)合開(kāi)采計(jì)劃，確定了總體設(shè)計(jì)、分段實(shí)施、重點(diǎn)把控、持續(xù)優(yōu)化、可控疏放的頂板疏放水技術(shù)路線。根據(jù)上述原則，工作面頂板探放水設(shè)計(jì)：回風(fēng)順槽10個(gè)鉆場(chǎng)、運(yùn)輸順槽10個(gè)鉆場(chǎng)，共計(jì)78個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺12480m。

經(jīng)過(guò)2個(gè)多月的疏降，工作面600m段頂板疏放水鉆孔流量趨于穩(wěn)定（圖5），穩(wěn)定流量為35.6m3/h。說(shuō)明基本完成直羅組一段靜儲(chǔ)量的疏放，進(jìn)入動(dòng)儲(chǔ)量疏放階段。且鉆孔單孔流量疏放至5m3/h以下，水壓疏降至1MPa以下。達(dá)到工作面采前安全要求，確保了工作面按時(shí)實(shí)現(xiàn)回采。

圖5 工作面600m段頂板探放水鉆孔流量曲線

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)呼吉爾特礦區(qū)水文地質(zhì)資料的分析，研究了區(qū)內(nèi)礦井水害特征，確定了煤礦防治工作的研究重點(diǎn)為煤層頂板的延安組和直羅組2層砂巖含水層。

（2）通過(guò)對(duì)本區(qū)防治水工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，摸索一套適合該區(qū)域的深部侏羅系煤田頂板砂巖水防治技術(shù)體系：綜合勘探，精細(xì)探查；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；統(tǒng)籌兼顧，優(yōu)化設(shè)計(jì)；可控疏放，消峰平谷；減小擾動(dòng)，循環(huán)利用。

（3）將該技術(shù)體系用于葫蘆素煤礦首采21102工作面的防治水工作中，精細(xì)探查頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍內(nèi)含水層的富水特征，為工作面超前預(yù)疏放提供科學(xué)依據(jù)。最終，通過(guò)對(duì)頂板直羅組含水層的可控疏放，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。