李村煤礦2302 工作面頂板砂巖含水層疏放技術(shù)應(yīng)用研究

連潞偉

（潞安化工集團(tuán)李村煤礦，山西 長治 046600）

1 工程概況

山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司李村煤礦2302 工作面為二采區(qū)3#煤綜采一次采全高工作面，地貌呈現(xiàn)北高南低平原特征，地表無河流通過，地面高程在+947～ +956 m 之間。2302 工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，回采范圍煤層傾角在-7°～+6°之間，起伏變化較明顯，順槽及切眼掘進(jìn)過程中未發(fā)現(xiàn)明顯地質(zhì)異常情況。3#煤層厚度在4.2～5.3 m之間，平均厚4.6 m，位于山西組下部，頂板標(biāo)高+326.3～+380.2 m 之間，埋藏深度576～621 m。2302工作面為李村煤礦接替工作面，為確保工作面安全回采，需對工作面頂板涌水情況進(jìn)行研究。

2 工作面導(dǎo)水裂隙帶研究

回采使上覆巖層原有賦存狀態(tài)遭到破壞，將出現(xiàn)垮落、彎曲下沉等運(yùn)移、破壞現(xiàn)象[1]，一些隔水層喪失其阻隔工作面和含水層之間水力聯(lián)系的作用，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度將決定工作面涌水水源。通過對鄰近2301 工作面采空區(qū)施工鉆孔注水，根據(jù)注水漏失量判斷鉆孔圍巖裂隙發(fā)育情況，漏失量越大證明巖層內(nèi)裂隙越發(fā)育，漏失量為零時表明裂隙不發(fā)育，已鉆至導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍之外。向2301采空區(qū)共施工3 個鉆孔，K1 孔深166 m，與水平方向夾角39°；K2 孔深104 m，與水平方向夾角74°；K4 孔深114 m，與水平方向夾角61°。根據(jù)測得的導(dǎo)水裂隙帶邊緣點坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育曲線：

H=21.547lnx-15.558 （1）

式中：x為距采空區(qū)邊緣距離，2301 工作面長度290 m，變化范圍為0～145 m；H為導(dǎo)水裂隙帶高度。得到2301 工作面長度方向?qū)严稁Оl(fā)育情況如圖1，導(dǎo)水裂隙帶實測高度為92 m。

圖1 上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況（m）

3 2302 工作面涌水量預(yù)測

3.1 穩(wěn)定流大井法涌水量計算

根據(jù)2302 工作面附近4-3 鉆孔資料顯示，2302工作面之上K 細(xì)粒砂巖含水層下距3#煤層頂面4.5～7.48 m，含水層厚度6.80～14.76 m，平均厚度10.78 m；K8 含水層下距3#煤層頂面40.7～50.7 m，含水層厚度3.40～8.95 m，平均厚度6.18 m，巖性為細(xì)粒砂巖或中粒砂巖；K9 含水層下距3#煤層頂面約78.24～93.59 m，含水層厚度5.40～7.35 m，平均厚度6.38 m，巖性為淺灰-灰色中粒砂巖；K10 含水層下距3#煤層頂面126.5～133.45 m，含水層厚度7.90～10.16 m，巖性為灰色中粒砂巖或粗粒砂巖。ZK6397 鉆孔柱狀圖（局部）如圖2。結(jié)合2301 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，2302 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為92 m，則可判定K7、K8、K9 砂巖裂隙含水層構(gòu)成3202 工作面充水水源。

圖2 ZK6397 鉆孔柱狀圖（m）

工作面回采期間涌水量用承壓-無壓穩(wěn)定流大井法計算[2]：

3.2 比擬法涌水量計算

通過“比擬法”可準(zhǔn)確預(yù)測正常涌水量。與李村煤礦相鄰的趙莊礦水文地質(zhì)條件與礦井涌水特征表現(xiàn)為：（1）3#煤厚度約5 m，頂板直接充水含水層也為K 砂巖和K8、K10 砂巖含水層，底板直接充水含水層K7 富水性弱；（2）礦井涌水量與降水量無關(guān)，隨開采面積增加，涌水量略有增加；（3）礦井突水主要是由于頂板導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通K 及上部含水層引起，突水量約100～140 m3/h。

正常涌水量：2302 工作面與趙莊礦直接充水含水層（K 和K8）及充水通道（頂板導(dǎo)水裂隙帶）條件相似，而且含水層接受外來補(bǔ)給作用微弱，K和K8 本身的富水程度決定了正常涌水量大小，利用“比擬法”能較可靠預(yù)測工作面正常涌水量。則2302 正常涌水量為10～30 m3/h。

最大涌水量：最大涌水量主要由導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通間接充水含水層所致，K10 富水性是影響最大涌水的重要因素，所以以趙莊礦工作面突水量100～140 m3/h 作為2302 工作面最大涌水量預(yù)測值。

綜合上述兩種方法：預(yù)計2302 工作面正常涌水量在10～30 m3/h，局部弱含水層局部強(qiáng)富水區(qū)突水和老頂初次來壓時最大涌水量在90～140 m3/h。

4 頂板水害探查與治理

為探明2302 工作面內(nèi)幫頂板、外幫采空區(qū)富水情況，在2302 工作面兩側(cè)順槽及切眼進(jìn)行瞬變電磁探測[3]，根據(jù)探測數(shù)據(jù)在2302 工作面及2301采空區(qū)劃分5 個低阻異常區(qū)域，異常區(qū)分布詳情如圖3（a）。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》要求[4]：煤層（組）頂板導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)分布有富水性強(qiáng)的含水層，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行疏干開采。為減小2302 工作面回采期間頂板水害威脅，需探查頂板砂巖富水性，對2302 工作面上覆K7 砂巖、K8 砂巖、K9 砂巖含水層賦存水進(jìn)行提前疏放，終孔位置為鉆孔進(jìn)入含水層大于3～5 m，探放水重點區(qū)域為老頂初次來壓區(qū)域（距切眼15～40 m）。結(jié)合瞬變電磁探測結(jié)果，頂板疏放鉆孔布置詳情如圖3（b）。

圖3 頂板富水情況及疏放孔布置示意圖

探放水鉆孔開孔孔徑Φ127 mm，鉆進(jìn)20.5 m，自孔口安裝Φ108 mm 止水套管，長度不小于20 m（進(jìn)入3 煤頂板套管不小于10 m），對套管進(jìn)行注漿加固，安裝孔口控水閥門和壓力表，凝固時間不小于24 h，換徑Φ94 mm 鉆頭進(jìn)行掃孔，然后對止水套管進(jìn)行耐壓試驗，試驗合格后方可繼續(xù)鉆進(jìn)，采用Φ94 mm 鉆頭鉆進(jìn)至終孔。2302 工作面頂板共施工16 個疏放鉆孔，終孔垂直高度95 m。探放水鉆孔具體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 探放水鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

本次頂板探放水工程共施工16 個鉆孔，從鉆孔出水和放水情況分析，K8 砂巖含水層出水鉆孔有Q1-1、Q2-2、Q3-2、Q4-3、J1-2、J3-2、J4-2、H1-2、H3-2、H4-3 鉆孔，其中Q2-2 鉆孔出水量36 m3/h，另有J2-2、J3-1 鉆孔分別出水10 m3/h、15 m3/h，其余鉆孔出水量均小于5 m3/h；K8、K9 砂巖含水層除Q1-2、Q3-3、J3-1 鉆孔外，其余所有鉆孔均有出水，其中出水量大于10 m3/h 鉆孔有Q3-2、Q4-3、J1-2、J3-2、H1-2、H3-2、H4-3 孔，Q4-3 鉆孔水量最大，達(dá)到86.5 m3/h。所有施工鉆孔均出水，涌水量差別較大，說明2302 工作面頂板K7 砂巖含水層和K8、K9 砂巖含水層均為弱富水含水層，局部富水，裂隙較發(fā)育。本次施工的16 個頂板探放水鉆孔累計放水量約81 152.9 m3。從放水情況分析，2302 工作面頂板K8、K9 砂巖含水層均為弱富水含水層，總體來看2302 工作面頂板砂巖含水層通過鉆孔疏放后，對工作面回采不會造成較大威脅。但K8、K9 砂巖含水層局部富水，尤其南部開切眼初次放頂區(qū)域，在工作面回采、老頂下來后，局部頂板K8、K9 砂巖水可能會通過裂隙導(dǎo)入工作面，回采時應(yīng)提前做好排水準(zhǔn)備工作。

5 結(jié)論和建議

（1）通過對鄰近2301 工作面采空區(qū)不同方位施工鉆孔并注水，據(jù)此判斷2302 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度92 m。

（2）采用穩(wěn)定流大井法、比擬法計算分析表明，預(yù)計2302 工作面正常涌水量在10～30 m3/h，局部弱含水層局部強(qiáng)富水區(qū)突水和老頂初次來壓時最大涌水量在90～140 m3/h。

（3）通過瞬變電磁法探測表明工作面頂板存在5 個富水異常區(qū)，據(jù)此設(shè)計頂板疏放鉆孔布置參數(shù)，16 個頂板探放水鉆孔累計放水量約81 152.9 m3，探放水后頂板砂巖含水層水對工作面回采不會造成較大威脅，為礦井安全高效生產(chǎn)提供可靠保障。