工作面底板太灰水可疏降性分析與疏降效果評價

祝漢京

（河南能源化工集團永煤公司順和煤礦，河南 永城 476600）

目前，我國礦井防治井下工作面底板承壓水突水的方法主要有底板注漿加固法和疏水降壓法[1-2]。 但由于底板注漿加固方法工程量大，需投入大量的人力、物力，造成礦井噸煤成本過高；而疏水降壓方法不僅工程量少、成本低，且能夠達到防治水的目的[3-6]。 基于此，根據(jù)順和煤礦2401 工作面水文地質資料及現(xiàn)場實際情況，對2401 工作面底板突水性進行分析，對工作面底板太灰承壓水的可疏降性進行評價，提出工作面疏水降壓技術方案并對疏降效果進行評價分析，為礦井其他工作面底板防治水提供參考依據(jù)。

1 工程概況

順和煤礦西翼24 采區(qū)2401 工作面設計走向長893～1 195 m，傾斜長185 m，平面積157 452 m2。工作面煤層底板標高-492.9～-626.9 m。 煤層結構簡單，煤層傾角8°～15°，平均12°，平均煤層厚度2.6 m。 工作面正常涌水量為43 m3/h，回采期間最大涌水量為120.4 m3/h。 24 采區(qū)二 2 煤層底板埋深已在-500 m 以下，該采區(qū)首采面為2401 工作面，目前正處于開拓準備階段。

根據(jù)礦井勘探資料及2401 工作面掘進期間實際的水文地質資料，2401 工作面煤層頂板和底板砂巖裂隙水是工作面直接充水水源，該充水水源屬于砂巖裂隙承壓弱含水層，以消耗靜儲量為主。 在工作面巷道掘進過程中已對該頂?shù)装迳皫r裂隙含水層進行局部疏放，局部裂隙發(fā)育地段頂板淋水和底板裂隙滲水進入回采工作面，目前砂巖裂隙水涌水量約5 m3/h。 由于2401 工作面為24 采區(qū)首采工作面，砂巖裂隙水未經(jīng)全面疏放，回采期間隨著采空區(qū)面積增大，將導致工作面涌水量增大。

2 2401 工作面底板帶壓開采條件分析

2.1 工作面底板水壓情況

根據(jù)部分二2 煤層底板太灰?guī)r層的鉆孔揭露，太灰水的水壓如表1 所示，據(jù)此繪制出評價區(qū)底板太灰水等水壓線如圖1 所示。

表1 太原組灰?guī)r水壓及突水系數(shù)統(tǒng)計

圖1 太灰水壓等值線

從水壓等值線圖可知：2401 工作面太原組上段灰?guī)r含水層平均水壓值為3.7 MPa 左右。其中，最小3.25 MPa，最大4.15 MPa，水壓有明顯的波動區(qū)，而2401 工作面最低點位于圖1 左上角附近，此處承受底板水壓較高，達到4.15 MPa。

2.2 工作面底板突水危險性評價

根據(jù)臨界突水系數(shù)統(tǒng)計經(jīng)驗，對于完整底板帶的塊段臨界突水系數(shù)TS≤0.1 時為安全，對于存在地質構造的不完整底板塊段的臨界突水系數(shù)TS≤0.06 時為安全。 根據(jù)采掘揭露資料，2401 工作面斷層構造較為發(fā)育，共有5 條斷層，分別為DF7、S2F5、S2F3、S2F4、DF6斷層 （具體參數(shù)如表2所示）。 由于評價區(qū)斷層相對較為發(fā)育，選取臨界突水系數(shù)TS≤0.06 為安全。 采用突水系數(shù)法對2401 工作面底板突水性進行預測：

表2 2401 工作面地質構造統(tǒng)計

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為工作面底板隔水層承受水壓，MPa；M為工作面底板隔水層厚度，m。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算，結果如表1 所示。 根據(jù)上述計算，2401 工作面底板臨界突水系數(shù)TS＞0.06，存在底板突水危險，在工作面開采前需要采取專項治理措施保障工作面安全開采。

3 工作面底板太灰水可疏降性分析

3.1 邊界條件分析

2401 工作面位于井田西翼的24 采區(qū)，采區(qū)北部邊界為F8斷層，東部和南部分別主要受DF7、DF8和F40斷層交叉切割，西部主要受DF3斷層作用，導致24 采區(qū)接受外部補給的能力相對減弱，太灰含水層地下水補給、 徑流條件相對較差。 同時，2401 工作面受巷道掘進排水等人為因素的影響，使得工作面底板太灰上段的水源補給、徑流條件相對減弱，因此，認為2401 工作面具有一定的可疏降性。

3.2 工作面放水孔水量分析

在對2401 工作面留設的5 個水文孔進行放水試驗過程中，其中P2-1、S5-1、S5-2 進行放水，P1-6、P4-2 作觀測孔，以“大流量，大降深”的方式充分揭露水文地質情況。放水試驗開始階段，P2-1放水孔，水澄清透明，水量在18 m3/h 左右波動，僅6 個小時，P2-1 的水量就直線衰減直至穩(wěn)定在10.5 m3/h 左右。S5-1 放水孔在放水初始階段出水澄清透明，水量于55 m3/h 左右波動，18 個小時后，S5-1 的水量就衰減穩(wěn)定在25 m3/h，后期放水孔穩(wěn)定總流量僅35 m3/h。S5-2 放水孔初始1 小時內，水量時大時小，大時噴涌而出夾煤塊持續(xù)1～3秒，1 小時后水量小于2 m3/h 且穩(wěn)定。

總體上看，各放水孔流量衰減速度快，放水孔穩(wěn)定流量低，說明工作面底板太灰上段的水源總體補給不充分，具有疏降的可行性。

3.3 工作面觀測孔降深分析

在放水初期的4 天里，通過群孔持續(xù)放水，在放水孔P2-1 附近87 m，距放水孔S5-1 附近349 m 處的P1-6 觀測孔形成182 m 的降深，二2煤層底板灰?guī)r上段含水層的水壓值從3.59 MPa降到1.77 MPa。 在放水孔P2-1 附近230 m，距放水孔S5-1 附近183 m 處的P4-2 觀測孔形成92 m的降深，二2 煤層底板灰?guī)r上段含水層的水壓值從4.04 MPa 降到了3.11 MPa。 放水階段各個觀測孔降深統(tǒng)計如表3 所示。

表3 放水階段（4 天）各觀測孔降深統(tǒng)計

由表2 可知，整個放水階段，底板灰?guī)r上段含水層的水壓值下降非常明顯，說明底板灰?guī)r上段含水層的連通性較好，含水層的富水性弱，易于疏降。

綜上分析，2401 工作面底板太灰上段滲透條件相對較好，但受采區(qū)邊界條件控制，采區(qū)內地下水的補給條件相對緩慢，疏降試驗也表明能夠形成有效的降落漏斗，使水位降至安全水頭值2.04以下，總體表明2401 工作面底板太灰具有較好的可疏降性。

4 工作面底板疏降方案及效果評價

4.1 疏降方案設計

根據(jù)2401 工作面底板疏降要求，同時考慮到24 采區(qū)后期巷道布置，在充分利用2401 工作面現(xiàn)有水文孔的基礎上，在上下巷內總共設計12 個水文鉆孔（如表4 所示），其中8 個水文鉆孔直接作為后期疏水降壓的放水孔，4 個水文鉆孔作為后期疏水降壓的觀測孔。 鉆孔終孔均位于二2 煤底板L9灰?guī)r含水層內。 由于P4-2 處構造復雜，放水試驗時水位降深小，故將P4-2 設計為一個疏降孔。各鉆孔布設分布于2401 和2402 工作面各水平。

在充分利用原已有的3 個水文孔的基礎上，為減少打鉆成本，選用2401 工作面下巷已完成或正在施工的2 個鉆孔P4-9 和S7-2 以及上巷準備施工的G1-7、G3-3 和G5-6 鉆孔作為疏放水孔。選用2401 工作面下巷已完成的S5-1 鉆孔及上巷準備施工的G2-4、G4-4 和G5-8 鉆孔作為觀測孔，鉆孔布置如圖2 所示，鉆孔具體設計參數(shù)如表4 所示。

圖2 鉆孔布置

表4 各設計鉆孔參數(shù)

4.2 工作面疏放效果評價

（1）各放水孔水量變化分析

2401 工作面膠帶順槽施工有P1-6、P2-1、P4-2、T3、T4、補T3-1 和P4-1 共7 個鉆孔，統(tǒng)計整理各放水孔自10月4日至12月8日每日放水水量，繪制相應水量變化曲線，如圖3 所示。

圖3 各個放水孔水量變化

根據(jù)圖3 分析，在11月4日至11月24日，所觀測到的各個放水孔水量均未出現(xiàn)明顯變化。期間由于井下排水系統(tǒng)故障，原各放水孔均關閉，但新增G4-1 放水孔，該孔水量不大，且當其他放水孔開始放水時不再出水。11月22日排水故障修復，11月23日得到各孔放水水量，由于含水層可疏降性較好水量快速穩(wěn)定到合理范圍。

（2）工作面疏放效果評價

根據(jù)突水系數(shù)法，在經(jīng)后期G3-1 孔數(shù)據(jù)驗證的12月5日水壓等值線圖基礎上確定水壓，并分別根據(jù)隔水層53 m、 有效隔水層34 m 作突水系數(shù)分布圖，如圖4、圖5 所示。

圖4 12月5日隔水層53 m 相應突水系數(shù)分布等值線

圖5 12月5日有效隔水層34 m 相應突水系數(shù)分布等值線

由于評價區(qū)斷層相對較發(fā)育，選取臨界突水系數(shù)TS≤0.06 為安全，則無論煤層底板隔水層厚度取34 m 還是53 m，I段500 m 區(qū)域最大突水系數(shù)在0.03 MPa/m 左右，具備帶壓開采的基本水文地質條件，在正常情況下一般不會發(fā)生災害性突水。

5 結論

1）以順和煤礦24 采區(qū)鉆孔鉆探資料及采掘過程揭露的地質資料和工作面水文地質為基礎，采用突水系數(shù)法計算得出，工作面底板突水系數(shù)大于臨界系數(shù)0.06，工作面具有底板突水危險性。通過對各防治水手段的分析，且考慮到防治水成本的高低，確定采用疏水降壓的方式對工作面底板太灰水進行治理。

2）通過對2401 工作面邊界條件、放水量變化、觀測孔降深數(shù)據(jù)進行分析，結果表明，2401 工作面底板太灰上段含水層滲透條件相對較好，富水性弱，表明2401 工作面底板太灰含水層具有較好的可疏降性。

3）考慮到底板太灰含水層的富水差異性及實際疏放過程中的水量相互疊加干擾問題，設計2401 工作面底板太灰水不同疏降強度下的有效疏降量設計方案，并以下巷現(xiàn)在僅有的三個疏放孔P1-6、P2-1 和P4-2 實際穩(wěn)定流量為依據(jù)，開展疏降效果評價。

4）依據(jù)突水系數(shù)法，繪制工作面突水系數(shù)等值線圖，工作面采取疏水降壓措施后，與臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m 比較，2401 工作面I 段500 m區(qū)域最大突水系數(shù)在0.03 MPa/m 左右，具備帶壓開采的基本水文地質條件，在正常情況下一般不會發(fā)生災害性突水。