永隴礦區(qū)煤層頂板離層水形成及其防治研究

郭 云， 楊 磊， 黃 陽

(1.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司,西安 710075； 2.陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721599)

0 引言

永隴礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地南部，區(qū)內(nèi)生產(chǎn)礦井主要集中在東部，即郭家河煤礦、崔木煤礦、招賢煤礦和園子溝煤礦，多數(shù)煤礦近年來都發(fā)生過工作面離層積水涌突事故，造成巨大經(jīng)濟損失,嚴重危害礦井安全生產(chǎn)[1]。離層水研究是我國目前礦井水文地質(zhì)領(lǐng)域研究的難點和熱點之一，孫占國對離層的形成機制和發(fā)育規(guī)律等做了相關(guān)研究，認為離層的萌生、發(fā)展、擴大、閉合是覆巖運動的結(jié)果[2]。許家林等認為離層主要出現(xiàn)在各關(guān)鍵層下[3]。楊國棟結(jié)合郭家河煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，認為在進一步查清水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，預(yù)先在工作面可能出現(xiàn)離層涌(突)水位置施工地面泄水孔，并在回采期間反復(fù)透孔使鉆孔和采空區(qū)處于連通狀態(tài)，破壞離層空間的密閉性，防止離層空間大范圍積水的防治水技術(shù)方案[4]。呂廣羅等結(jié)合崔木煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，建立了以地面監(jiān)測孔水位、覆巖破斷矩、工作面來壓、支架異常狀態(tài)、圍巖異常變化、瓦斯涌出異常等指標(biāo)的離層水涌水預(yù)警系統(tǒng)，并提出了地面直通式泄水鉆孔與井下探放水鉆孔相結(jié)合的離層水疏放關(guān)鍵技術(shù)[5]。招賢煤礦還提出了“超前疏排、工程試驗、科研攻關(guān)、綜合治理”的水害防治思路和“抽、排、截”疏放水源等關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)武強院士專家組論證后，在該礦1304工作面成功實施了首例離層水地面抽排水害防治工程。通過對本區(qū)涌突水特征綜合分析認為，受煤層采動影響，在上覆軟硬巖層結(jié)合部因變形程度不同步，形成離層水聚集，在覆巖破斷沖擊力和靜水壓力共同作用下，穿過導(dǎo)水裂隙下泄至工作面形成礦井水害。

前人通過對煤層頂板離層水形成機理的研究，提出了以施工地面直通式導(dǎo)流泄水孔和地面大孔徑抽排孔為主的離層水綜合防治體系[6-10]。多年來運用實踐表明，采用泄水孔和抽排孔技術(shù)，通過疏放和抽排可以有效破壞離層積水的形成條件，達到水害防治目的。但隨著煤礦開采的進一步深入，采空區(qū)范圍的不斷擴大，新的問題相繼出現(xiàn)，諸如基礎(chǔ)勘查和綜合研究不足，施工技術(shù)創(chuàng)新性不夠等。本文結(jié)合永隴礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，通過對離層水害形成要素分析，并對防治方法及實施效果進行了客觀評價，對泄水孔和抽排孔在應(yīng)用與發(fā)展過程中遇到的問題進行了分析總結(jié)，并提出了相關(guān)建議，為區(qū)內(nèi)外相似地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下離層水害防治工作提供借鑒。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

永隴礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地南部，東起陜西省永壽縣，西至隴縣，南至鳳翔，北至陜甘省界，面積3 160km2。礦區(qū)位于涇河水系的補給區(qū)，煤系為侏羅系中統(tǒng)延安組，煤層埋深小于800m。與地面鉆孔施工相關(guān)性較高的主要含(隔)水層包括：下白堊統(tǒng)洛河組砂巖孔隙-裂隙含水層、宜君組礫巖裂隙含水層，中侏羅統(tǒng)安定組泥巖隔水層、直羅組砂巖裂隙含水層、延安組砂巖裂隙含水層。其中白堊系洛河組砂巖孔隙-裂隙含水層是區(qū)內(nèi)主要含水層，厚度在35～686m，單位涌水量0.008 99～0.449 7L/(s·m)，滲透系數(shù)0.002 446～0.224 8m/d。主采煤層頂面至洛河組底面之間的覆巖厚度125～482m，平均厚度大于200m。區(qū)內(nèi)生產(chǎn)礦井主要集中東部，各煤礦主要水文地質(zhì)特征存在較大差異。

從表1可以看出：各煤礦煤層埋深、含水層厚度以及洛河組底板標(biāo)高變化均較大，加之洛河組底板至煤層頂板之間的安定組和直羅組巖性泥質(zhì)含量較高，易破碎、糜化，更增加了煤層頂板離層水防治難度。

表1 永隴礦區(qū)煤礦地質(zhì)特征對比Table 1 Comparison of geological characteristics of coal mines in the Yonglong Mining area

2 水害形成三要素

近年來，區(qū)內(nèi)煤礦相繼發(fā)生過工作面水害事故，給煤礦安全生產(chǎn)帶來諸多困繞，其水害主要來自頂板離層水。頂板離層水隨著工作面開采而形成，主要源頭為上白堊統(tǒng)洛河組。本區(qū)洛河組屬富水性不均一的弱—中等含水層，地層富水性與本區(qū)所處涇河水系補給區(qū)的區(qū)域位置相符。富水性雖然不強，但當(dāng)離層水聚集足夠多時，會在覆巖破斷沖擊力和靜水壓力共同作用下，穿過導(dǎo)水裂隙下泄?jié)⑷牍ぷ髅嫘纬傻V井水害?？梢?，離層空間、離層水、導(dǎo)水通道是離層水害形成的三要素。

2.1 離層空間

離層的萌生、發(fā)展、擴大、閉合是覆巖運動的結(jié)果[2]，所形成的空間為離層水的聚集、運移和儲存提供了必要的通道和場所。離層空間主要出現(xiàn)在各關(guān)鍵層下，其最大發(fā)育高度止于覆巖主關(guān)鍵層[3]。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層特征，洛河組屬堅硬巖層，為覆巖主關(guān)鍵層，下部與其接觸的安定組為軟弱巖層，受煤層采動影響，由于上覆巖層軟硬存在差異，當(dāng)巖層變形彎曲出現(xiàn)不同步時，洛河組底部軟硬巖層的結(jié)合部易發(fā)育離層空間。

通過對離層空間發(fā)育層位、離層持續(xù)時間的力學(xué)性質(zhì)以及離層水涌突通道形成的動力學(xué)分析得知，離層空間的發(fā)育和閉合與工作面推進有關(guān)，在工作面自切眼推進150m之后離層空間開始發(fā)育；工作面自切眼推進300～350m出現(xiàn)覆巖離層初次閉合，之后的周期閉合距在150～170m[4]?？梢姡x層空間隨著工作面的推進在不同位置依次形成、擴大進而閉合，是一種隱伏的動態(tài)過程，這一認識從后來礦區(qū)防治水實踐中不斷得到證實。

2.2 離層水

根據(jù)鄰區(qū)地面水文地質(zhì)精細化勘查成果可知，洛河組分為上、中、下三個層段，上段為中粒砂巖含泥質(zhì)夾層，中段為中粗砂巖，下段為含礫中砂巖，分層抽水結(jié)果顯示：含水層段主要為洛河組中段。

洛河組底板低位與離層水聚集相關(guān)。資料顯示：崔木煤礦22303工作面切眼至停采線洛河組底板高程呈下降趨勢，落差約36m，當(dāng)該工作面推采至中后期時，井下涌水量成倍增加[4]。郭家河煤礦1308工作面處于盤區(qū)內(nèi)洛河組底板高程最低位，與同一盤區(qū)其他工作面相比，該工作面地面抽排孔水量大，在120m3/h以上。招賢煤礦1304CP-1抽排孔洛河組底板高程也處于低位，落差30m，其前期抽排量不大，后期抽排量在50～60m3/h。綜上所述，洛河組底板低位是離層水聚集的有利區(qū)。

2.3 導(dǎo)水通道

目前，關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度已開展了大量研究[11-12]。根據(jù)鄰區(qū)大佛寺煤礦地下水對煤礦安全開采影響的研究與分析，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與工作面推進距離關(guān)系見圖1。

圖1 工作面推進距離與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度關(guān)系曲線Figure 1 The relationship between the advanced distance of the working face and the development height of the water-conducting fracture zone

由圖1可知，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大于200m，而本區(qū)煤層頂面至洛河組底界之間的覆巖厚度平均186.80m，可以導(dǎo)通至洛河組。上述結(jié)論，從崔木煤礦兩帶觀測孔G1號孔拍攝的孔內(nèi)采后裂隙(深度345m，)清晰可見，裂隙深度位于洛河組下段[13]。

離層水害的防治，要著眼于上述三要素，即通過提高工作面推進速度干預(yù)離層空間的形成[4]，通過離層注漿技術(shù)或地面抽排技術(shù)減少離層水的聚集，通過地面泄水技術(shù)改變導(dǎo)水通道[14-15]。本區(qū)主要通過施工地面直通式導(dǎo)流泄水孔、井下探放水孔以及地面大孔徑抽排孔實現(xiàn)水害防治目的，本文主要對地面直通式泄水孔和地面大孔徑抽排孔的施工工藝、實際效果及存在問題進行探討。

3 工作面推進與覆巖變化

據(jù)文獻資料，工作面(自切眼)推進約150m時，地層裂隙開始發(fā)育、離層空間隨之發(fā)育[4]。通過對區(qū)內(nèi)兩帶觀測孔(G1)和泄水孔資料分析，并與工作面推進距離對比可知，工作面推進至距觀測位置約100m時，地層裂隙開始發(fā)育，離層空間發(fā)育相對滯后；工作面推進至觀測位置附近時，地層裂隙和離層空間進一步發(fā)育；工作面采過觀測位置150～200m時，地層裂隙和離層空間開始閉合，之后離層空間就進入周期性閉合階段。綜上，離層空間初始形成位置距切眼約150m，目前，地面鉆孔布設(shè)多以此為參考。

據(jù)鄰區(qū)礦井相同開采要素的工作面推進和地面沉降觀測的對比可知，工作面推進過觀測位置30～50m時，地面出現(xiàn)沉降；工作面采過觀測位置150m后，沉降幅度增大；工作面采過觀測點300m以后，沉降減小，直至工作面停采后，地面才趨于穩(wěn)定?？梢?，地面沉降時間明顯滯后于離層空間閉合時間，這是由于覆巖地層巖性的差異導(dǎo)致各地層沉降不同步所致。

4 水位變化與涌(突)水預(yù)測

圖2是崔木煤礦2019-10—2020-09期間長觀D1孔觀測成果與相應(yīng)工作面涌水量實測記錄對比圖。由圖2可知，水位變化可引起工作面涌水量的變化，而且涌水量變化具有一定的滯后性，這就為工作面水害預(yù)測提供了一個較為可靠的方法。

圖2 長觀鉆孔水位與工作面涌水量變化對比Figure 2 Comparison of water level in long-view borehole and change of water inflow in working face

分析認為：工作面開采初期水位下降是由于地層水進入裂隙或離層空間，此時并未導(dǎo)致工作面涌水量的增加，而到了中后期水位下降會導(dǎo)致工作面涌水量明顯增加，也就是說，工作面推進至中后期的水位變化，對水害預(yù)測作用更為明顯。

根據(jù)水位變化與涌水量的關(guān)系，區(qū)內(nèi)成功預(yù)測了多起工作面涌(突)水事故，預(yù)測時間比實際涌突水時間提前了數(shù)小時至3天(表2)。

表2 礦井涌突水預(yù)測預(yù)報與實際涌突水情況比較Table 2 Comparison between prediction and forecast of mine water inrush and actual water inrush

然而，區(qū)內(nèi)煤礦還存在長觀孔數(shù)量不足，孔位距回采工作面較遠，對水文長觀工作的研究缺乏系統(tǒng)性等問題，影響了水害預(yù)測效果。

5 水害防治方法及實施效果

5.1 地面直通式導(dǎo)流泄水孔

施工地面泄水孔是在離層水尚未大量聚集、地層裂隙尚未導(dǎo)通時將離層水緩慢泄入工作面。區(qū)內(nèi)泄水孔工藝的發(fā)展經(jīng)歷兩個階段，第一階段為裸眼泄水工藝，始于2015年，該工藝要求工作面推進距鉆孔100m前(裂隙未發(fā)育時)，鉆孔需施工至目的層位，而后鉆機需原地等待且反復(fù)透孔，以減緩地層擾動影響泄水效果。在工作面采過該孔位350～400m才可終孔，加上鉆機等待時間，單個鉆孔施工周期在三個半月左右。隨著煤礦開采的深入，采空區(qū)范圍的擴大，施工難度不斷增加，泄水效果受到較大影響。

第二階段為下套管工藝，套管能緩解孔內(nèi)變形，以維持泄水效果。這種工藝一般需下篩管并填礫，以減緩地層變形對泄水效果的影響，其泄水效果不錯。施工至目的層位后鉆機無需反復(fù)透孔。而一些煤礦還嘗試下入玻璃鋼套管，利用玻璃鋼的柔性和韌性，一旦地層變形影響泄水效果時，可以在原孔位掃孔透孔，理論上講透孔難度不大，但實踐中，這種工藝在地層變形不大時泄水效果不錯，一旦地層變形較大需要掃孔掃孔時，掃孔進度緩慢，與工作面推進不匹配。

崔木煤礦22311工作面有2個泄水孔(22311-1、22311-2)采用裸眼工藝，終孔層位是3煤層頂板以上20m，松散層下入Φ311mm套管并固井，其余層段為裸眼，這2個孔實測吸風(fēng)量0～5m/s(注：吸風(fēng)量是衡量泄水孔導(dǎo)通效果亦即泄水效果的重要指標(biāo)，通常在孔口測量)，泄水效果不理想，施工周期均超過三個月。該工作面另有3個泄水孔(22311-4、22311-5、22311-7)采用下套管工藝，終孔層位是3煤層頂板以上20m，松散層下入Φ311mm套管并固井，其余層段為Φ190mm套管，洛河組底面至孔底為Φ190mm篩管，篩管內(nèi)填礫，礫徑為10mm。這3個孔的吸風(fēng)量15～25m/s，泄水效果明顯。園子溝煤礦2007工作面11個泄水孔全部采用玻璃鋼套管工藝，終孔層位是3煤層頂板以上20m，松散層為Φ377mm套管，洛河組下入Φ244.5mm套管并固井，洛河組底面至孔底為Φ108mm玻璃鋼篩管。實測吸風(fēng)量在10～30m/s，泄水效果明顯，但因玻璃鋼套管費用高，增加了施工成本。上述下套管工藝在工作面采過鉆孔位置后鉆機可以搬離，鉆孔施工周期在40～60d(玻璃鋼套管工藝施工周期較長)，與裸眼工藝相比，提高了施工效率。

5.2 抽排孔

抽排孔分為采前抽排和采后抽排兩種，采前孔主要抽排裂隙水(離層未形成)，采后主要抽排離層水。區(qū)內(nèi)第一口抽排孔始于2020年，為招賢煤礦1304CP-1孔，屬采前抽排孔，通過在地面施工大孔徑抽排孔，將離層水抽排至地面，以減輕工作面突水壓力。1304-CP1終孔深度420m，終孔層位安定組(進入安定組42m)，松散層下入Φ478mm套管并固井，洛河組宜君組下入Φ339.7mm套管，其余為裸眼。抽排歷時30d，抽排量50～60m3/h，抽排總量10800m3，抽排效果較好。該工作面推進期間井下水量很小。

2021-2022年4月，郭家河煤礦在1308工作面(已采空)施工兩口抽排孔，屬采后抽排孔，目的是緩解與該工作面相鄰的1310工作面突水壓力。1308和1310工作面均處于盤區(qū)低位，是離層水聚集有利區(qū)。這兩個孔均于宜君組底部終孔，松散層下入Φ478mm套管并固井，洛河組下入Φ325mm套管，其余為裸眼，實測抽排量保持在120～160m3/h，抽排效果很好，地面抽排與1310工作面推進同步進行，該工作面推進過程水量很小。但因鉆孔施工位于采空區(qū)，施工難度較大。

從防治水效果看，采后抽排優(yōu)于采前抽排；從施工難度看，采后抽排大于采前抽排。鉆孔施工中，特別是在采空區(qū)的施工，極易出現(xiàn)孔內(nèi)掉塊、坍塌，這就對施工工藝提出了更高要求。

抽排孔的技術(shù)難點在于孔位選擇，一般選擇離層水聚集的有利區(qū)，以洛河組砂巖含水層厚度較大、洛河組底板低位以及物探含水異常區(qū)綜合選定。

6 結(jié)論與建議

1)洛河砂巖含水層水位變化是礦井水害預(yù)測的重要手段，應(yīng)加強水文地質(zhì)監(jiān)測，做到長遠布局、系統(tǒng)研究，不僅要做好單孔、群孔監(jiān)測，也要結(jié)合地表水文地質(zhì)條件進行動態(tài)分析，進一步發(fā)揮水文監(jiān)測作用。

2)洛河組底板低位是離層水聚集的有利區(qū)，也是選擇地面抽排孔位置的重要依據(jù)，要在洛河組底板相對低位，同時參考洛河砂巖含水層厚度以及物探含水異常區(qū)綜合選定。

3)就泄水效果而言，下套管泄水工藝優(yōu)于裸眼泄水工藝；就抽排效果而言，采前抽排孔優(yōu)于采后抽排孔。

4)加強基礎(chǔ)勘查和綜合研究。采取礦方牽頭、校企聯(lián)合、多方協(xié)作的形式，深入研究含水層厚度與離層水的關(guān)系以及受采動影響覆巖不同地層巖移變化規(guī)律等問題，不斷提高煤礦水害防治的科學(xué)性和針對性。