頂板探放水在工作面生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)踐

張國(guó)斌

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 物測(cè)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

雅店礦1417 工作面頂板直羅組和延安組砂巖裂隙水為工作面直接充水含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水通過導(dǎo)水裂隙帶增加采后涌水，開采煤層后導(dǎo)致煤層頂板穩(wěn)定性破壞冒落，從而生成的導(dǎo)水裂隙為工作面的主要充水通道。因此，為防止水害發(fā)生保證工作面安全生產(chǎn)，依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中第六十二條規(guī)定，當(dāng)煤層（組） 頂板導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層或者其他水體影響采掘安全時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用超前疏放、注漿改造含水層、帷幕注漿、充填開采或者限制采高等方法，消除威脅后，方可進(jìn)行采掘活動(dòng)[1]。要求該礦區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件，必須對(duì)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通范圍內(nèi)的頂板水進(jìn)行探放。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含(隔)水層

（1） 第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水層（Q4），為第四系松散地層含水巖系中富水性強(qiáng)含水巖組。

（2） 第四系黃土孔隙潛水含水層（Q1+2+3），為第四系松散地層含水巖系中富水性弱的含水巖組。

（3） 新近系上新統(tǒng)小章溝組粘土弱含水層（N2x），富水性變化較大。

（4） 白堊系下統(tǒng)華池組弱含水層（K1h），系區(qū)域弱含水層（個(gè)別地段中、下部偶含中、粗砂巖而含水，富水性中等）。

（5） 白堊系下統(tǒng)洛河組含水巖組（K1l），該層富水性中等。根據(jù)1101 工作面疏放孔，鉆孔涌水量20~50 m3/h，1417 工作面回采過程中，該層含水為采空區(qū)涌水主要來源。

（6） 白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖含水層（K1y），屬富水性極弱—弱的含水層。由于致密堅(jiān)硬，透水性極差，亦可作為穩(wěn)定的相對(duì)隔水層組。

（7） 侏羅系中統(tǒng)安定組相對(duì)隔水層（J2a），富水性弱，視為相對(duì)隔水層。

（8） 直羅組含水巖組（J2z），富水性弱。

（9） 侏羅系中統(tǒng)延安組含水層（J2y），富水性微弱。

（10） 侏羅系下統(tǒng)富縣組相對(duì)隔水層（J1f），為較好的相對(duì)隔水巖層，局部地區(qū)（如東部無煤區(qū)附近） 砂巖富集，可能出現(xiàn)含水巖層。

（11） 三疊系上統(tǒng)胡家村組、銅川組相對(duì)隔水巖組（T3h、T3t），該層埋藏較深，裂隙不發(fā)育，一般無水。

2.2 礦井充水因素分析

（1） 充水水源。

依據(jù)礦水文地質(zhì)報(bào)告，影響該區(qū)域主要含水層自下而上依次為侏羅系中統(tǒng)延安組含水層，直羅組含水巖組，白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖含水層，白堊系下統(tǒng)洛河組含水層以及第四系全統(tǒng)空隙潛水含水層。根據(jù)礦內(nèi)抽水試驗(yàn)表明，上述含水層為礦井主要充水水源。區(qū)內(nèi)第四系潛水由于未被導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通，故其為礦井充水的間接水源。洛河組地下水由于富水性中等，水頭壓力較高且大部分被導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通而成為未來礦井的主要和間接的充水水源，對(duì)煤層開采會(huì)造成直接的威脅。煤層頂板的延安組和直羅組均為承壓水，雖具有較高的水頭壓力，但其富水性極弱，易于疏干，故成為未來礦井的次要和直接的充水水源。

（2） 充水通道。

工作面充水通道主要是煤層開采形成的冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶。煤層開采后，冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶波及上部主要含水層，從而引起含水層水沿導(dǎo)水裂隙涌入井下。本次采用經(jīng)驗(yàn)公式與周邊礦井實(shí)測(cè)“裂采比”兩種方法共同確定導(dǎo)水裂縫帶高度，從而為探放水鉆孔垂高確定提供依據(jù)。

依據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》 （MT/T1091-2008） 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度計(jì)算H 裂=28×ΣM+10，經(jīng)計(jì)算，工作面內(nèi)4 號(hào)煤層平均高度為113.27 m。

礦區(qū)直羅組和延安組砂巖裂隙水成為4 號(hào)煤層直接充水含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水（富水性中等） 通過導(dǎo)水裂隙帶也可直接進(jìn)入礦井。因此，為保證工作面安全，必須對(duì)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通范圍內(nèi)的頂板水進(jìn)行探放。

（3） 充水強(qiáng)度分析。

根據(jù)充水水源和通道分析，白堊系洛河組含水層已參與礦井涌水。白堊系各含水層，其分布范圍廣，厚度較大，富水性較強(qiáng)。預(yù)計(jì)礦井涌水量較大，因此，礦井充水強(qiáng)度較大，若不進(jìn)行提前疏放，頂板跨落后生成導(dǎo)水通道含水層水通過通道直接涌入井下，給礦井帶來一定的水害威脅。

3 探放水工程設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔最大間距

此次探放水工程目標(biāo)層位自下而上分別侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組含水層、白堊系洛河組含水層。探放目的層為洛河組含水層，因此鉆孔間距以該含水層影響半徑為依據(jù)。

探放洛河組含水層單孔探放水影響半徑計(jì)算公式如下：

式中：S為含水層降深，m；K為含水層滲透系數(shù)，m/d。

3.2 探放水鉆孔角度

根據(jù)施工鉆機(jī)性能及巷道寬度，確定鉆孔最佳施工仰角為40°左右。

3.3 探放水垂直高度

根據(jù)礦井充水通道分析計(jì)算結(jié)果，該設(shè)計(jì)采用28 倍采高作為導(dǎo)水裂隙帶的高度，以此作為探放水設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，即4 號(hào)煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶最大高度為113.27 m。因此，確定本次頂板探放水的垂直高度不小于導(dǎo)水裂隙帶高度加維護(hù)帶厚度（20 m），即垂直高度不小于133.27 m。

3.4 止水套管確定

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》要求，沿巖層探放含水層、斷層和陷落柱等含水體時(shí)，按表1 確定探放水鉆孔超前距和止水套管長(zhǎng)度。

表1 巖層中探放水鉆孔超前距和止水套管長(zhǎng)度Table.1 Exploration and drainage borehole advanced distance and length of water stop casing in stratum

根據(jù)已施工鉆孔探放水實(shí)測(cè)資料，洛河組含水層初始水壓1.7~2.7 MPa，結(jié)合鉆孔柱狀圖，考慮到地層局部破碎情況及不同區(qū)域水壓變化，故本次設(shè)計(jì)確定套管長(zhǎng)度暫定為30 m，根據(jù)施工情況現(xiàn)場(chǎng)再做調(diào)整。

3.5 止水套管固定

止水套管采用無縫鋼管固結(jié)，使套管和煤巖體成為一體。導(dǎo)管自套管與孔壁間隙處注入水泥漿液，直至水泥漿液從套管內(nèi)壁流出為止。常溫條件下，凝固24 h，即可掃孔。固管水泥漿液采用水灰比1∶1 水泥漿，固管示意如圖1 所示。

圖1 孔口管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of orifice pipe

3.6 耐壓試驗(yàn)

掃孔后對(duì)孔口管必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。根據(jù)《礦井井下高壓含水層探水鉆探技術(shù)規(guī)范》（GB/T 24505-2009），試驗(yàn)壓力不小于預(yù)揭露含水層水壓的1.5 倍，即6.5 MPa，持續(xù)穩(wěn)壓時(shí)間不小于30 min，確保孔口套管不松動(dòng)、孔口周圍不漏水后方可繼續(xù)鉆進(jìn)[2]。

3.7 孔口裝置

探放水時(shí)需要記錄放水時(shí)的水量、水壓等資料，要安裝質(zhì)量合格控水閥門（4 寸球閥） （圖2~圖3）?？卓谘b置要同鉆孔套管的法蘭盤連接在一起，并且易于拆開，在測(cè)量過程中要求密封不漏水。為了不影響鉆探施工進(jìn)度，將孔口高壓閥門安排在鉆進(jìn)至揭露含水層提前5 m 時(shí)安裝。等鉆入至含水異常體部位并涌水后，進(jìn)行水量與水壓觀測(cè)。在鉆進(jìn)過程中，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔中水壓、水量突然增大時(shí)，通過閥門控制，根據(jù)《礦井井下高壓含水層探水鉆探技術(shù)規(guī)范》 （GB/T 24505—2009），“下部高壓閥門和套管法蘭的連接口應(yīng)經(jīng)耐壓試驗(yàn)，不應(yīng)滲漏”。

圖2 井下放水孔孔口裝置示意Fig.2 Hole device of downhole drainage hole

圖3 井下壓力觀測(cè)孔孔口裝置示意Fig.3 Downhole pressure observation hole orifice device

孔口安裝防突水裝置如圖4 所示。

圖4 孔口安全裝置示意Fig.4 Orifice safety device

孔口管下鉆時(shí)，先將巖芯管下入鉆眼內(nèi)，再將盤根密封防噴器套在鉆桿上，當(dāng)鉆桿下到鉆眼底時(shí)，擰緊防噴器螺絲，迫使盤根擴(kuò)張。循環(huán)水返回時(shí)由于盤根封閉而由三通下口流出，不射向鉆機(jī)。起鉆時(shí)，巖芯管拔到防噴器后關(guān)閉閥門松開防噴器螺絲，卸開法蘭盤將防噴器及鉆頭取下。

3.8 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一次變徑，便于下入孔口管護(hù)孔，下入層位為開孔30 m 深度（或開孔穿過破碎泥巖段）。

一開：采用φ133 mm 無芯鉆頭鉆進(jìn)至孔深31 m（或穿過破碎地層或泥巖段），下入φ108 mm 套管，用攪拌好的水泥漿采用泵入法封固套管進(jìn)行固井。

二開：采用φ75 mm 無芯鉆頭鉆進(jìn)至富水區(qū)，確認(rèn)進(jìn)入富水區(qū)后終孔。

鉆孔結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

4 頂板探放水工程完成情況

此次探放水工程在1417 綜放工作面施工了5個(gè)鉆場(chǎng)，完成了16 個(gè)鉆孔，分別為1 號(hào)鉆場(chǎng)（回風(fēng)順槽340 m） 施工3 個(gè)鉆孔，進(jìn)尺605 m，放水量17 599 m3；2 號(hào)鉆場(chǎng)（回風(fēng)順槽400 m） 施工2個(gè)鉆孔，進(jìn)尺473 m，放水量12 331 m3；3 號(hào)鉆場(chǎng)（回風(fēng)順槽490 m） 施工5 個(gè)鉆孔，進(jìn)尺1 096 m，放水量35 010 m3；4 號(hào)鉆場(chǎng)（回風(fēng)順槽580 m） 施工3 個(gè)鉆孔，進(jìn)尺679 m，放水量10 942 m3；5 號(hào)鉆場(chǎng)（回風(fēng)順槽680 m） 施工3 個(gè)鉆孔，進(jìn)尺663 m，放水量12 604.8 m3。其中最大涌水量為2-2 號(hào)鉆孔46 m3/h，最小涌水量為3-1 鉆孔4 m3/h，其余鉆孔涌水量在10~ 30 m3/h（隨著回采大部分鉆孔已不涌水）。合計(jì)鉆探進(jìn)尺3 516 m，總放水量88 486.8 m3。

圖5 探放水鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意Fig.5 Structural design of water exploration drilling hole

5 結(jié) 語

通過工作面頂板探放水施工，使得工作面上覆含水層富水大量排出，有效的減少了工作面回采期間的架間淋水，緩解了工作面采后涌水量，保障了工作面安全開采。目前工作面已安全完成回采工作，實(shí)踐證明，嚴(yán)格按照探放水規(guī)定對(duì)上覆巖層含水層進(jìn)行探放，是一種減少采后涌水量有效可行的方法。