首采工作面頂板巖層覆含水量分析及防治水工程實踐

潘長斌，呂兆海，楊皓博，高 雅，林金川，靳 華，李德彬

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏回族自治區(qū) 銀川市 750011；2.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西省 彬州市 713500；3.西北礦井水文地質研究院，內蒙古自治區(qū) 烏海市 016000)

0 引言

礦井水作為我國煤礦主要災害之一，嚴重威脅礦井安全。隨著煤礦開采深度、強度的“雙向”加大，工作面頂板水害威脅日益嚴重[1]。在工作面采動影響下，加劇圍巖裂隙擴展，導致工作面“三帶”變化劇烈，易導通巷道頂?shù)装甯羲畬?，進而誘發(fā)涌突水事故[3,4]。據(jù)不完全統(tǒng)計，地表水、大氣降水、地下水等水患類型造成的礦井巷道突水事故占比95.3%[5,6]。開挖擾動破壞范圍越大，導水裂隙帶高度極易觸及到頂?shù)装搴畬覽7,8]?？紤]到煤層頂?shù)装寰植扛凰訹9，10]，易形成礦井涌水的水源、通道。因此，筆者以金家渠煤礦110301首采工作面為背景，通過地質調查、理論分析、現(xiàn)場實測等手段，研究工作面頂板在開采擾動作用下的防治措施，對礦井安全生產具有借鑒意義。

1 工作面煤巖組合、地質構造及水文特征

1.1 煤巖組合與地質構造特征

金家渠煤礦110301工作面開采煤層為3煤，其厚度為3.68 m,黑色，以暗煤為主，局部夾鏡條帶煤層；偽頂為炭質泥巖，厚度為0.2 m,黑色，泥質膠結，易碎；直接頂為粉砂巖，厚度為3.79 m,灰色，塊狀結構，較硬，局部含植物化石；老頂為粗粒砂巖，厚度為26.7 m，灰色，灰白、淺黃色，以石英長石為主，分選性中等，泥質膠結，塊狀結構。3煤層直接底為粉砂巖，厚度為13.4 m，灰色，泥質膠結，堅硬，塊狀結構，局部含植物化石。井田地處華北地臺、鄂爾多斯盆地西緣褶皺沖斷帶的南北向逆沖構造帶，為中等構造程度。110301首采工作面位于金家渠逆斷層西側，尖兒莊背斜東北側。沿煤層走向整體呈寬緩背斜，沿煤層傾向為單斜構造。首采面順槽掘進階段揭露正斷層7條，落差均小于2 m。采用槽波地震物探方法在工作面內部查明2條斷層隱伏斷層，其落差均小于煤厚的二分之一。

1.2 首采面含水層分布特征

根據(jù)工作面采動影響，現(xiàn)場實測煤層頂板垮落帶為15.8 m、導水裂隙帶最大高度58.6 m、彎曲下沉帶為138 m。根據(jù)工作面水文地質條件可知，工作面主要充水水源為3煤頂板(延安組含水層)、直羅組下段粗砂巖含水層和風氧化帶水。依據(jù)工作面內鉆孔揭露地層資料統(tǒng)計，3煤層老頂為延安組砂巖含水層，其厚度為9.5 m～35.76 m，平均厚度22.87 m。受首采面距離3煤風氧化帶較近的影響，工作面回風順槽局部區(qū)域裂隙較為發(fā)育，加之此區(qū)域接近風氧化帶，預計會出現(xiàn)裂隙導水。首采面與各含水層垂直距離如表1所示。

表1 首采面與含水層位置關系

1.3 生產條件

金家渠煤礦首采工作面，開采煤層為3層煤，煤層平均厚度3.68 m，工作面傾角22°～35°、走向長度1960 m、傾斜長度266 m。工作面水文地質條件復雜，正常涌水量315 m3/h，最大涌水量569 m3/h。3煤層直接頂板為粉砂巖，屬不穩(wěn)定頂板，呈塊狀，局部有滑面，完整性較差。老頂為粗粒砂巖含水層，半堅硬至堅硬，富水性弱。

2 工作面涌水量預測

工作面采后總涌水量Q由靜儲量Qj和動儲量(動態(tài)補給量)Qd兩部分組成，其中靜儲量綜合預測關鍵是儲水系數(shù)確定，動態(tài)補給量綜合預測關鍵是滲透系數(shù)確定。

2.1 頂板砂巖含水層動態(tài)補給量預測分析

(1) 動態(tài)補給量即工作面采后的穩(wěn)定涌水量，動態(tài)補給量采用“大井法”預計。整個坑道系統(tǒng)的涌水量就相當于“大井”的涌水量，計算公式如下：

(1)

式中，Q為涌水量，m3/h；K為滲透系數(shù)，m/d;M為含水層厚度，m；H為水頭高度，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m。

根據(jù)水文地質補勘成果，提取延安組2-3間砂巖含水層和直羅組下段砂巖含水層滲透系數(shù)K,含水層水頭高度H取310m。滲透系數(shù)K取值見表2。

表2 滲透系數(shù)K值分布

(2) 含水層厚度M。金家渠煤礦3煤層開頂板充水水源為延安組2～3煤間砂巖含水層和直羅組下段砂巖含水層，根據(jù)工作面內鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)結果：工作面內延安組2～3煤間砂巖含水層平均厚度為22.87 m，直羅組下段砂巖含水層平均厚度為90.46 m。

表3 η 取值分布表

圖1 η取值曲線

根據(jù)礦井采掘工程平面圖，工作面形狀近似一個矩形，因此選擇計算引用半徑的公式為：

(2)

礦坑所在含水層概化為均質無限分布，天然水位近似水平，因此引用影響半徑R0可采用如下式計算：

R0=r0+R

(3)

(4)

工作面回采過程中，周期性垮落后動態(tài)補給量(穩(wěn)定涌水量)預計結果見表4所示。

2.2 風氧化帶水動態(tài)補給量預測研究

風氧化帶作為相對獨立的含水體，對首采面的影響范圍為風巷中部區(qū)域。工作面“兩帶”高度計算值為79.8 m，塌陷角按70°，計算塌陷邊界為回采工作面外圍約30 m。風氧化帶和松散層為潛水含水層，對煤層開采是一種側向補給的作用，運用潛水流單寬流量公式：

(5)

式中，q為任意斷面上潛水流的單寬流量，m3/d·m；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；H為含水層水柱高度，m；l為風氧化帶寬度，m；W為年平均降水量，mm；各項參數(shù)選取見表5所示。

表4 首采面采后穩(wěn)定涌水量預測計算

表5 各項參數(shù)選取表

解析法預測結果顯示，首采面在采取頂板水充分疏放后，工作面回采前1000 m范圍正常的正常涌水量為225 m3/h，最大涌水量為418 m3/h。整個工作面回采過程中正常涌水量為315 m3/h，最大涌水量為569 m3/h。

2.3 頂板砂巖含水層靜儲量分析

首采面頂板砂巖含水層和風氧化帶古封存地下水為靜儲量主要組成部分，對該工作面頂板充水含水層進行靜儲量預測。

(1) 頂板砂巖含水層靜儲量預計

采用公式：

Q靜儲量=Q彈性+Q重力=μe·F·h+μd·F·m

(6)

式中，Q彈性為含水層彈性釋水靜儲量；Q重力為含水層重力釋水靜儲量。

其中，含水層彈性釋水靜儲量算公式和由彈性釋水造成的工作面涌水量qj(m3·d-1·m-1)為：

Qt=S·F·ΔH=S·(b·I)·ΔH

=S·b·v·t·ΔH

(7)

(8)

式中，S為儲水系數(shù)，取10-3；F為采空區(qū)面積，m3；b為采空區(qū)寬度，m;l為工作面推進長度，m；v為工作面推進速度，m·d-1；ΔH為采空區(qū)內頂板砂巖承壓水位降深。

其中，含水層重力釋水靜儲量計算公式為：

Q重=μd·F·m

(9)

式中，μd為含水層重力給水度；F為評價區(qū)疏干范圍面積；m為含水層厚度。

煤頂板含水層給水度實驗值?。害唐骄等?.0578，μ最大值取0.0852。利用彈性釋水和重力釋水計算公式，分別對110301整個工作面、工作面前1000 m范圍內、頂板初次來壓步距(按60 m 考慮)范圍內以及周期來壓步距范圍內含水層的靜儲量進行估算。

工作面預計回采時間為2019年6月1日至2020年9月31日，合計12456 h。整個工作面回采過程中正常涌水量為301 m3/h，最大涌水量為441 m3/h。具體靜儲量見表6所示。

表6 首采面頂板砂巖含水層靜儲量估算表

(2) 風氧化帶水靜儲量預計

風氧化帶富水性不均一性明顯，其水文地質條件尚不滿足相關理論，現(xiàn)采用比擬法初步計算。以相鄰金鳳煤礦的011801工作面回采前對風氧化帶靜儲量疏放數(shù)據(jù)，預計首采面西側3#煤風氧化帶靜儲量。在疏放條件下，2011年11月011801工作面切眼疏放風氧化帶靜儲量約10500 m3。

式中，Q1為首采面切眼附近風氧化帶靜儲量，m3；Q2為金鳳煤礦011801工作面切眼處風氧化帶靜儲量，取值為10500 m3；L1為首采面內風氧化帶影響范圍寬度，取值為45 m；L2為金鳳煤礦011801工作面內風氧化帶影響范圍寬度，取值為25 m；B1為首采面內風氧化帶寬度，取值為140 m；B2為金鳳煤礦011801工作面內風氧化帶寬度，取值為80 m；通過計算得出，首采面切眼附近風氧化帶水靜儲量33075 m3。

3 工作面防治水技術

綜上所述，對金家渠煤礦提出“疏放和離層探放”的工作面防治技術。頂板含水層進行提前疏放，回采時進行離層探放，減小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，以實現(xiàn)“消峰平谷”，保證工作面在回采期間頂板水不會對工作面安全生產造成較大威脅。

3.1 疏放鉆孔布置

金家渠煤礦首采面為了更好的開展疏放工作，避免頂板水疏放鉆孔施工影響工作面正常的設備安裝，工作面頂板水疏放鉆孔布置在首采面的風巷、輔運巷，共設計布置23個鉆場。每隔100～200 m布置1個鉆場，每個鉆場設計3～5個鉆孔。所布置鉆孔均為上仰孔，終孔層位為進入直羅組砂巖含水層40 m。疏放鉆孔設計布置方式如圖2所示。

圖2 首采面頂板水疏放鉆孔設計布置圖

3.2 離層水探放設計及要求

根據(jù)地質條件和生產情況，施工垂向上的離層水探放鉆孔，穿透首采面頂板直羅組下段含水層約10 m；在平面上，最低點位置距離機巷煤幫約30～60 m范圍。前期施工的頂板水疏放鉆孔塌孔嚴重，為確保探放離層水效果，出現(xiàn)塌孔堵孔時，需及時透孔。

(1) 鉆孔參數(shù)優(yōu)化設計

本次初步在輔運巷設計2個鉆場，9個鉆孔，如果已成鉆孔出水量超20 m3/h，再加密放水鉆孔，首采面離層水鉆孔設計平面布置見圖3，圖中藍色鉆孔表示離層孔。

圖3 離層水鉆孔設計平面布置

(2) 鉆孔結構參數(shù)設計

從煤層頂板完整粉砂巖段開孔，穿過3煤層老頂粗砂巖含水層10 m后終孔。鉆孔開先采用φ94 mm鉆頭鉆進，再用φ165 mm鉆頭擴孔，安裝φ127 mm套管，之后采用φ94 mm鉆頭加φ73 mm鉆桿正常鉆進。

(3) 鉆孔技術參數(shù)要求

鉆孔施工時間要結合首采面回采速度、周期來壓等因素，施工時間不宜過早，否則離層空間尚未形成，如果施工時間過晚，則不能在老頂垮落之前施工完畢，離層水會隨著老頂垮落進入巷道，造成水害事故。在工作面回采之前先開孔、下設止水套管、耐壓試驗等，待工作面即將回采至離層水發(fā)育位置開始繼續(xù)施工鉆孔，具體施工時間可以根據(jù)現(xiàn)場情況調整。

(4) 鉆孔施工工序優(yōu)化設計

首先施工LC1鉆場距離機巷30 m的LC1-1和LC1-2鉆孔，然后依次施工距離機巷45 m的LC1-3和LC1-4，最后施工距離機巷60 m的LC1-5和LC1-6。依據(jù)工作面回采步距及LC1鉆場離層水探放情況，施工LC2鉆場離層水探放鉆孔。

3.3 防治水效果評價

(1) 采前疏放

采前疏放水階段，至2019年4月9日工作面涌水量為176.4 m3/h。風巷各鉆場鉆孔涌水量已于2018年10月3日前后疏降為0 m3/h，首采面疏放水量全部來自輔運巷各鉆場疏放水量占工作面疏放水量100%。隨著輔運巷疏放水鉆孔的不斷施工，疏放周期的延長，首采面涌水量呈現(xiàn)為趨于穩(wěn)定的趨勢。首采面疏放水量歷時變化曲線如圖4所示。

(2) 離層探放

在110301工作面輔運順槽內施工離層水共3個鉆孔，進尺為434.5 m。離層水鉆場距切眼位置90 m,鉆孔終孔位置距切眼32 m。鉆孔施工過程中孔內無水，結合工作面回采速度，說明工作面未形成離層水。

圖4 首采面疏放水量歷時變化曲線

4 結論

(1) 分析了影響110301首采工作面安全回采的主要水源，結合3煤層與含水層之間層間距，確定3煤層導水裂隙帶高度與含水層之間關系，并對頂板含水層靜儲量與動儲量計算，為下步疏放水工程施工提供指導性意見。

(2) 分析110301首采工作面地質及水文地質條件，采用常規(guī)頂板水疏放加離層水的防治水方法，有效杜絕了工作面回采期間發(fā)生突水事故。此方法在本礦及地質及水文地質條件類似其他礦井防治水工作具有借鑒意義。