覆巖結(jié)構(gòu)下含水層開采疏放水效果評(píng)價(jià)研究

呂兆海 潘長(zhǎng)斌 楊皓博 高 雅 林金川 靳 華 李德彬

(1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750011;2.陜西彬長(zhǎng)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(zhì)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，016000)

隨著煤礦開采規(guī)模和開采深度、強(qiáng)度的不斷加大，工作面頂板水害威脅日益嚴(yán)重，煤礦安全高效開采受到制約[1]。采煤工作面上覆含水層疏放水在工作面開采擾動(dòng)作用下，極易造成圍巖失穩(wěn)，圍巖卸荷誘發(fā)采煤工作面覆巖裂隙發(fā)育、巖體大范圍冒落[2]，甚至導(dǎo)通巷道頂?shù)装甯羲畬影l(fā)生涌突水事故，嚴(yán)重制約現(xiàn)場(chǎng)安全高效開采[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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]。考慮導(dǎo)水裂隙帶高度是否觸及到頂?shù)装搴畬覽7-8]，開挖擾動(dòng)破壞范圍越大，冒裂帶到含水層的高度隨之越高，則煤層頂?shù)装寰植扛凰栽綇?qiáng)[9-10]。因此，研究工作面頂板在開采擾動(dòng)作用下突水機(jī)理及防治措施，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有科學(xué)價(jià)值和借鑒意義。

1 概況

金家渠礦110301工作面，走向長(zhǎng)約1900 m，傾向長(zhǎng)約250 m，采高約3.8 m。該工作面位于金家渠逆斷層西側(cè)，尖兒莊背斜東北側(cè)，總體為單斜構(gòu)造，工作面中部高，切眼和停采線位置相對(duì)較低，回采初期為仰采，中部后為俯采。根據(jù)水文地質(zhì)資料分析，工作面受水害威脅主要為3號(hào)煤層頂板砂巖水。工作面距直羅組下段砂巖含水層距離40.55～56.67 m，平均距離51.87 m，該含水層厚18.35～150.0 m，平均厚90.46 m；工作面距2～3號(hào)煤間含水層距離0～9.35 m，平均距離3.5 m，該含水層厚9.5～30.79 m，平均厚度22.87 m。

2 含水層疏放水設(shè)計(jì)

鑒于金家渠礦過去未開展工作面上覆含水層疏放工程，經(jīng)驗(yàn)匱乏的情況，為更好開展疏放工作，疏放鉆孔布置在工作面的回風(fēng)巷道、輔運(yùn)巷及主運(yùn)巷內(nèi)。鉆場(chǎng)總設(shè)計(jì)23個(gè)，鉆場(chǎng)間距100～200 m，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)3～5個(gè)鉆孔，所布置鉆孔均為上仰孔15°，終孔層位為進(jìn)入直羅組下段含水層40 m停止。具體鉆孔施工如圖1所示。

圖1 工作面上覆含水層疏放鉆孔布置

3 含水層疏放規(guī)律研究

筆者從含水層疏放總量及各鉆場(chǎng)水量參數(shù)空間分布、地質(zhì)構(gòu)造主控作用、含水層揭露處涌水特征與含水層露頭補(bǔ)給方面，綜合分析了工作面上覆含水層疏放規(guī)律，得出各鉆場(chǎng)上覆含水層疏放水量變化特征。

3.1 含水層疏放量變化特征

3.1.1 含水層疏放水量變化

110301工作面在2018年4月11日疏放水量為382 m3/h，工作面疏放水量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，各疏放鉆孔存在不同程度堵孔、塌孔現(xiàn)象，造成工作面疏放水量呈現(xiàn)波動(dòng)變化。4月28日，新施工FY2-3孔(130 m3/h)，工作面疏放水量達(dá)492.2 m3/h，隨后平緩下降；至6月3日，施工FY3-4鉆孔(100 m3/h)，工作面疏放水量又增加至335 m3/h；后續(xù)FY4-2和FY4-3鉆孔相繼施工，造成工作面疏放水量于7月8日達(dá)到509.4 m3/h；在8月2日到12月6日期間陸續(xù)對(duì)FY3-7、FY3-9、FY3-11、FY3-12、FY4-2、FY4-12鉆孔進(jìn)行控制性放水，造成工作面疏放水量整體呈波動(dòng)式下降；12月23日達(dá)到最大值596 m3/h，工作面疏放水量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。此后，隨著疏放時(shí)間延續(xù)，頂板砂巖含水層內(nèi)靜儲(chǔ)量被逐漸疏放，工作面疏放水量繼續(xù)降低并趨于穩(wěn)定，至2019年4月9日，工作面疏放水量保持在176.4 m3/h。工作面上覆含水層疏放水量變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 工作面上覆含水層疏放水量變化趨勢(shì)

3.1.2 工作面累計(jì)疏放水量分析

110301工作面累計(jì)施工可疏放鉆孔86個(gè)，疏放水總量達(dá)321.33萬m3。其中，2016年累計(jì)疏放水15.78萬m3；2017年累計(jì)疏放水25.8萬m3；2018年累計(jì)疏放水209.34萬m3；2019年累計(jì)疏放水71.51萬m3。

3.2 各鉆場(chǎng)上覆含水層疏放水量變化特征

110301工作面各鉆場(chǎng)上覆含水層疏放水量變化見表1。由表1可知回風(fēng)巷道、輔運(yùn)巷各鉆場(chǎng)疏放水量基本呈現(xiàn)：隨著鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔施工，短期內(nèi)水量快速增大，水量達(dá)到最大值后，再呈波動(dòng)式減小趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，且各鉆場(chǎng)疏放水量總體表現(xiàn)為距離切眼越近，早期施工的鉆場(chǎng)最大水量較大。回風(fēng)巷道鉆場(chǎng)疏放周期較長(zhǎng)，疏放水量降至0 m3/h，回風(fēng)巷道F舊1+F1+ F2+F3+F4-2+F5-2鉆場(chǎng)水量0 m3/h；輔運(yùn)巷FY1+FY2+FY3+FY4+FY5+FY6+FY7鉆場(chǎng)水量為176.4 m3/h，占工作面疏放水量的100%，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)出明顯的先快速增大，到最大值后，呈先快速下降、后緩慢下降并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，各鉆場(chǎng)疏放水量波動(dòng)變化明顯?？傮w而言，各鉆場(chǎng)的疏放水量變化規(guī)律與回風(fēng)巷道各鉆場(chǎng)相似，基本趨于穩(wěn)定，鉆孔涌水量衰減良好。

表1 工作面各鉆場(chǎng)上覆含水層疏放水量變化

3.3 含水層疏放鉆孔水量穩(wěn)定性分析

在工作面所施工的鉆孔中，最大水量與最終水量的差值和最大水量之比為衰減率。工作面切眼附近1000 m范圍內(nèi)疏放水鉆孔水量衰減率比例見表2。

表2 工作面試驗(yàn)段疏放水鉆孔水量衰減率比例

對(duì)工作面切眼1000 m范圍內(nèi)上覆含水層疏放鉆孔涌水量分析，疏放鉆孔按照方位角可歸為平行于巷道、垂直于巷道、斜交于巷道、平行地層走向、垂直地層走向5類。工作面切眼1000 m范圍內(nèi)已施工的74個(gè)可疏放鉆孔中，40個(gè)處于穩(wěn)定狀態(tài)，占54%；33個(gè)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，占45%；剩余1個(gè)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，占1%，說明靜儲(chǔ)量已基本疏放完畢。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，工作面切眼附近1000 m范圍內(nèi)最大疏放水量>50 m3/h的可疏放鉆孔21個(gè)，回風(fēng)巷道內(nèi)5個(gè)；輔運(yùn)巷內(nèi)分布16個(gè)。經(jīng)過近一年的集中疏放，頂板砂巖含水層靜儲(chǔ)量得到了有效疏放。回風(fēng)巷道內(nèi)最大涌水量大于50 m3/h的5個(gè)鉆孔都分布在切眼處，且此類鉆孔的最大涌水量值較大；輔運(yùn)巷中鉆孔最大涌水量>50 m3/h的FY1-6、FY2-9也分布在切眼處，進(jìn)一步說明了切眼處煤層底板標(biāo)高低，頂板含水層涌水量較大，說明采前預(yù)疏放工作的必要性。本次統(tǒng)計(jì)的最大涌水量>50 m3/h的21個(gè)鉆孔中，4個(gè)(F1-4、F舊1-3、FY3-5、FY4-3)平行于地層走向分布，6個(gè)(FY3-4、FY3-6、FY3-7、FY3-8、FY3-9、FY4-2)垂直地層走向分布；3個(gè)(F1-2、F舊1-1、FY3-11)垂直巷道分布，2個(gè)(FY2-3、FY2-9)平行巷道分布，剩余6個(gè)(F1-3、FY1-6、FY3-12、FY4-12、FY6-2、FY6-4)鉆孔方位介于垂直與平行巷道之間區(qū)域。最大疏放水量鉆孔及其分布方位見表3。

表3 最大疏放水量鉆孔及其分布方位一覽表

綜合分析，對(duì)后續(xù)疏放水段鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工作面回采過程中礦井涌水量“削峰平谷”。建議在后續(xù)施工疏放水鉆孔時(shí)，多在下巷施工垂直或平行于地層走向并朝向地層標(biāo)高降低方向的鉆孔。

3.4 含水層疏放水量與水壓作用關(guān)系

3.4.1 疏放水量和水壓相關(guān)性

根據(jù)工作面上覆含水層疏放鉆孔的水壓及鉆孔涌水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了鉆孔涌水量和水壓的關(guān)系曲線，如圖3所示，鉆孔疏放水量和水壓之間具有一定的相關(guān)性，隨著疏放周期的延長(zhǎng)，二者的變化趨勢(shì)基本一致，隨著鉆孔疏放水量減小，水壓也隨之減小。

3.4.2 疏放前后水壓疏降情況

頂板砂巖含水層疏放前后的等水壓線圖見圖4。得出疏放前地下水流向大致為自西向東，工作面回風(fēng)巷水壓為0～0.6 MPa，輔運(yùn)巷為1～1.6 MPa，回風(fēng)巷水壓低于輔運(yùn)巷1 MPa。針對(duì)工作面切眼近1000 m范圍開展上覆含水層疏放工程后，地下水大致流向基本和疏放前保持一致，回風(fēng)巷水壓介于0～0.2 MPa，疏放范圍內(nèi)回風(fēng)巷水壓基本降為0 MPa，水壓平均降低0.4 MPa；輔運(yùn)巷水壓疏放后為0.3～0.65 MPa間，水壓平均降低0.9 MPa，整個(gè)工作面水壓介于0～0.65 MPa。

根據(jù)各測(cè)壓孔平均見水點(diǎn)孔深約為60 m，鉆孔內(nèi)水柱影響高度平均約35 m，即0.35 MPa?？紤]到鉆孔水柱的影響，已疏降至0.3 MPa以下，疏放效果整體良好。

圖3 疏放水量和水壓關(guān)系

圖4 3號(hào)煤層頂板砂巖水疏放前后等水壓線

3.5 疏放鉆孔水量與預(yù)測(cè)涌水量分析

通過對(duì)上覆含水層疏放水量與靜儲(chǔ)量的分析得出，疏放水量介于預(yù)測(cè)的正常靜儲(chǔ)量值與最大值之間，各鉆孔水位降深明顯，頂板含水層靜儲(chǔ)量已得到有效疏放；對(duì)上覆含水層疏放水量與動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量分析得出，工作面切眼1000 m范圍內(nèi)上覆含水層疏放鉆孔總水量呈緩慢下降趨于穩(wěn)定?；诮馕龇▽?duì)工作面涌水量預(yù)測(cè)，在距離切眼1000 m范圍的正常動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的預(yù)測(cè)值為225 m3/h(包括頂板砂巖含水層197 m3/h、風(fēng)氧化帶28 m3/h)。鉆孔殘余總水量小于動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，所以本次工作面上覆含水層疏放工作基本達(dá)到疏放效果。

4 含水層疏放效果評(píng)價(jià)

通過對(duì)工作面上覆含水層集中疏放，煤層頂板直羅組砂巖含水層及延安組2～3號(hào)煤層間砂巖含水層和風(fēng)氧化帶水得到有效疏放。上覆含水層及風(fēng)氧化帶疏放探測(cè)，各鉆孔均可有效疏放“兩帶”高度所能波及的含水層范圍，疏放總水量基本穩(wěn)定，含水層水疏放效果明顯。各鉆孔衰減率均勻變化，疏放鉆孔對(duì)頂板砂巖含水層靜儲(chǔ)量的疏放效果良好。靜儲(chǔ)量已基本疏放完畢，目前所疏放的水量大部分由動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量組成?；跍y(cè)壓數(shù)據(jù)和疏放水量變化趨勢(shì)特征，得出含水層水壓隨上覆含水層疏放而逐漸降低，判斷經(jīng)疏放后頂板含水層水壓已小于0.3 MPa，工作面基本無水患威脅。綜上所述，工作面切眼附近1000 m范圍內(nèi)已施工的74個(gè)鉆孔經(jīng)過近12個(gè)月的疏放對(duì)頂板砂巖水疏放效果良好。

5 結(jié)論

(1)工作面切眼1000 m范圍內(nèi)正常動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量預(yù)測(cè)約225 m3/h；目前工作面鉆孔的殘余總水量176.4 m3/h，小于預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，判斷各鉆孔控制范圍內(nèi)頂板含水層靜儲(chǔ)量已得到有效疏放。

(2)覆巖組合特征控制著煤層采動(dòng)含水層釋放過程，對(duì)上覆含水層疏放效果進(jìn)行分析研判，判斷工作面受水害威脅程度降低至安全閾值范圍，具備安全開采條件，評(píng)價(jià)途徑為后續(xù)工作面頂板疏放水方案的制定及效果評(píng)價(jià)提供參考。

(3)疏放水段鉆孔優(yōu)化疏放水效果，實(shí)現(xiàn)工作面回采過程中礦井涌水量“削峰平谷”，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的，垂直或平行于地層走向并朝向地層標(biāo)高降低方向的鉆孔疏放水效果最佳。