唐家會煤礦頂板砂巖水綜合立體快速超前疏放技術的應用與實踐

陳宗念，孔皖軍，白 明

（1.江蘇煤炭地質勘探二隊，江蘇 徐州 221006；2.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

水平定向鉆進技術起始于20 世紀70 年代末期，隨著該技術裝備的不斷改進與完善，于80 年代中期在發(fā)達國家逐漸得到人們的認可和接受，從而得以迅速發(fā)展，并以其獨特的技術優(yōu)勢和廣闊的市場前景得到了世界各國的重視，從而形成了新產業(yè)[1-3]。

我國自上個世紀90 年代從國外引進定向長鉆孔鉆進技術，并在國內多個礦井進行試驗研究。位于寧夏靈武市的棗泉煤礦通過定向長鉆孔設計、施工和疏放水效果考察，證明了定向長鉆孔起到了良好的頂板超前疏放效果，確保了工作面巷道掘進和回采安全。張雙樓礦在7113 工作面施工多達24個疏放水鉆孔，鉆孔的邊際效益明顯。上海廟西礦區(qū)通過沿工作面布設定向鉆孔，根據(jù)頂板砂巖滲透系數(shù)確定鉆孔間距，最終達到了預期的防水效果。東歡坨礦通過疏放水鉆孔的布置和設計，研究了疏水量的時間動態(tài)特征、疏水量與影響因素之間的相關性。

唐家會煤礦主采華北型石炭二疊系6 號煤，水害隱患主要來自于頂板砂巖水[4-6]。所采6 煤層受4煤、5 煤及6 煤頂板砂巖含水層威脅，4 煤、5 煤及6 煤頂板砂巖含水層位于6 煤回采冒落帶及導水裂隙帶內，富水性不均一，局部富水性強，裂隙較為發(fā)育，為保證工作面在頂板砂巖水疏干狀態(tài)下回采，達到安全生產，本文采用了頂板順層定向長鉆孔和普通穿層孔在結構設計、平面與空間布置等方面相結合，實現(xiàn)了煤層頂板砂巖水綜合立體快速超前疏放技術，達到了唐家會煤礦首采面安全生產的疏放水目標，同時通過首采面的放水實驗，分析出適用唐家會礦區(qū)疏放煤層頂板砂巖水的水文地質規(guī)律，為其他工作面開采提供技術保障。

1 工區(qū)概況

1.1 井田基本概況

唐家會井田位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾煤田東孔兌普查區(qū)（圖1），地形總體上呈北高南低的特點。作為鄂爾多斯高原的一部分，黃土分布廣泛，且無常年地表徑流。井田總體構造是一個走向近于南北，具有波狀起伏的向西傾斜構造，地層走向NNE，傾向NWW，傾角小于10°。

圖1 唐家會井田與東孔兌普查區(qū)位置關系Fig.1 Position relationship between Tangjiahui mine field and Dongkongdui census area

1.2 試驗工作面概況

61101 首采工作面位于一盤區(qū)東翼，工作面走向長1040 m，實際回采走向長960 m，傾向寬220 m，煤層標高+770—+790 m，傾角0 ～5°，平均2°，煤層厚度為9.64 ～21.7 m，平均16.1 m，煤層結構復雜，含夾矸4 ～7 層，全區(qū)穩(wěn)定，地質儲量475 萬t，可采儲量404 萬t，采用綜采放頂煤方法開采。

2 基本原理

以往對于煤層頂板砂巖水進行疏放時，常常采用穿層鉆孔進行疏放，然而穿層鉆孔需要在工作面巷道形成后才可施工，采用穿層鉆孔進行疏放，鉆孔數(shù)量多，鉆孔施工工期和疏放周期長、成本高，嚴重影響工作面回采準備周期和回采進度。

考慮到定向長鉆孔的鉆孔軌跡可控、有效距離長、可以實現(xiàn)超前放水，能夠使鉆孔軌跡最大程度地沿含水層延伸，在巷道掘進完成前超前進行鉆進，可以緩解巷道掘進施工過程中的頂板淋水問題。因此，此次研究中所應用的綜合立體快速超前疏放技術作為新型的煤層頂板砂巖水疏放技術，便是利用定向長鉆孔的這些優(yōu)勢，將定向長鉆孔和穿層短鉆孔相結合，進而實現(xiàn)煤層頂板砂巖水的安全快速疏放。61101 工作面位置如圖2 所示。

圖2 61101 工作面位置示意Fig.2 No.61101 face position

3 施工設計

3.1 鉆孔設計原則

為了能夠提高鉆孔的疏放水效率，增加鉆孔的利用率，同時提高經(jīng)濟效益，針對不同地質情況的頂板砂巖水，需要設計做出不同的疏放水鉆孔設計。首先，需要對工區(qū)的地質勘探資料進行整理分析，根據(jù)煤層頂板富水性分區(qū)情況，有所側重布置鉆孔；根據(jù)煤層上覆基巖厚度和含水層厚度，可以確定出終孔層位，同時可以確定出鉆孔的垂距；然后根據(jù)放水試驗資料來計算出疏放水鉆孔的影響半徑，進而可以確定鉆孔的平距；最后根據(jù)作面巷道圍巖的支護參數(shù)信息，計算巷道圍巖松動圈厚度，確定孔口管長度。

3.2 鉆孔設計

61101 首采工作面頂板砂巖水疏放設計采用定向順層長鉆孔和普通穿層孔結合的綜合立體快速超前疏放技術。

順層孔的設計如圖3 所示，在主斜井下段施工A 號、B 號鉆場施工了6 個順層孔（A1、A2 、A3、B1、B2、B3） 疏放工作面外段800 m 頂板砂巖水?？紤]到唐家會礦主要受到5 煤頂板砂巖水和6 煤頂板砂巖水的影響，故設計A1、A2、A3 為疏放5 煤頂板砂巖水順層孔，沿5 煤頂板0 ～7 m 砂巖鉆進；A 1、B2、B3 為疏放6 煤頂板砂巖水順層孔，沿6 煤頂板0～7 m 砂巖鉆進。

圖3 61101 工作面疏放水順層鉆孔平面示意Fig.3 Drainage bedding drilling holes plane in No.61101 face

穿層孔的設計如圖4 所示。設計從工作面切眼開始，在運輸順槽和回風順槽巷幫做鉆場，在鉆場內施工頂板放水孔。根據(jù)鉆機能力，設計單孔孔深為118 ～132 m，故鉆場設計間距為100 m，以保證對頂板砂巖水進行徹底疏放。設計施工6 煤頂板砂巖水鉆孔124 個鉆探工程量15624 m。

圖4 61101 工作面疏放水穿層鉆孔平面示意Fig.4 Drainage crossing layer drilling holes plane in No.61101 Face

3.3 靜水量估計

為了定量分析61101 首采面的頂板砂巖水疏放情況，對含水層靜水量采用式（1） 進行估計：

式中：L為工作面的長度，在計算中選取了兩順槽走向長度的平均值1653 m；B為垮落區(qū)寬度，取270 m；M為導水裂隙帶內含水層的厚度，結合工作面周圍多個地面鉆孔資料，確定為45 m；μ為給水度，結合經(jīng)驗，確定為0.05，帶入公式計算得到含水層靜水量為100.4 萬m3。

4 施工情況

疏放水鉆孔于2013 年12 月19 日開始施工，2014 年8 月15 日結束施工，截至2015 年5 月21日，順層長鉆孔累計疏放5、6 煤頂板砂巖水52.5萬m3，穿層孔累計疏放量71.3 萬m3，工作面頂板砂巖水累計疏放量達123.8 萬m3。

5 放水實驗

61101 工作面作為首采工作面，其防治水工程對日后其他工作面的開采有著重要的借鑒價值，體現(xiàn)著唐家會礦區(qū)整體地層的水文特征，因此2015年3 月18 日～4 月6 日，在61101 工作面回風順槽12 號鉆場進行了頂板砂巖水疏放試驗。

此次放水實驗設計在回風順槽12 號鉆場共計施工放水孔5 個，鉆孔的終孔層位均為4 煤頂板砂巖，其中，3 號、4 號、5 號鉆孔均穿過DF11-4 斷層。鉆孔設計的平剖面圖如圖5 所示。

圖5 回風順槽12 號鉆場順層鉆孔設計Fig.5 Bedding drilling holes design in No.12 drilling site of return air roadway

放水試驗共持續(xù)20 d，放水量的統(tǒng)計結果如圖6 所示。

圖6 回風順槽12 號鉆場20 d 各鉆孔放水量統(tǒng)計Fig.6 Drainage amount statistic of each drilling hole in 20 days in No.12 drilling site of return air roadway

從圖6 可以看出，5 個放水孔中，3 號、4 號、5 號的初始放水量較大，均高于70 m3/h，結合設計圖5，其原因在于3 個放水孔均穿過DF11-4 斷層，該斷層發(fā)育有導水通道。同時隨著放水時間的增加，1 號、2 號、3 號、5 號孔放水量迅速衰減，這表明了這部分地層含水量已靜態(tài)水為主，而4 號孔直至20 日依然有接近30 m3/h 的放水量，表明了其可能存在有的動態(tài)水補給較多。

定義鉆孔放水衰減系數(shù)α 為初始放水量和之后每天的放水量之比，見式（2）。

式中：Q初始為鉆孔初始的放水量；Q 為之后每天的放水量。各個疏放水孔衰減系數(shù)變化圖，如圖7 所示。

圖7 各個疏放水孔衰減系數(shù)變化Fig.7 Each drainage hole attenuation coefficients range

通過圖7 的衰減系數(shù)變化圖可以看出，唐家會礦區(qū)在疏放頂板砂巖水過程中，水量的衰減可以初步概括為3 個階段：①迅速衰減期（1 ～5 d）；②緩慢衰減期（6 ～10 d）；③相對穩(wěn)定期（10 d 后）。在第一階段迅速衰減期內，鉆孔水量迅速衰減到初始50%以下；在第二階段緩慢衰減期內，由于日疏放水量的減小，疏放水能力下降，穩(wěn)定水量一般為初始水量的30 左右。最后一階段相對穩(wěn)定期，在該階段，部分鉆孔由于無動態(tài)補給水源，放水量逐漸下降為0，而部分鉆孔的終孔位置可能存在動態(tài)補給，放水量維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

6 結 論

（1） 綜合立體快速超前疏放技術是采用頂板順層長鉆孔和普通穿層孔在結構設計、平面與空間布置等方面相結合，預估工作面靜含水量100.4 萬m3，實際疏放水123.8 萬m3，有效的對頂板砂巖水進行了疏放，達到了安全生產的疏放水目標。

（2） 在唐家會礦區(qū)進行煤層頂板水疏放過程中，水量的衰減可以概括為3 個階段：迅速衰減期、緩慢衰減期、相對穩(wěn)定期。

（3） 通過放水實驗、放水孔、校檢孔水量以及頂板砂巖水水位降深來看，可以得出唐家會礦6煤頂板煤系地層砂巖水具有以靜儲量為主、補給性較弱、能疏干的特點，這對之后其他工作面的探放水工程的開展提供了寶貴的經(jīng)驗。