深部工作面底板太灰水可疏放性評價及防治措施

高家平，祝漢京，朱術(shù)云，楊 培

(1.河南能源化工集團(tuán)有限公司 能源事業(yè)部，河南 鄭州 450046；2.河南能源化工集團(tuán)永煤公司順和煤礦，河南 永城 476600；3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著我國井工煤礦開采年限的增加，華北地區(qū)許多礦井已進(jìn)入延深帶壓開采，突水系數(shù)增大，面臨的底板太灰和奧灰突水的危險性越來越大，已引起眾多學(xué)者對不同地質(zhì)及開采條件下許多工作面開展了能否安全帶壓開采和相關(guān)防治措施的研究[1-5]。尹尚先等系統(tǒng)回顧了我國煤礦帶壓開采的傳承與創(chuàng)新發(fā)展歷程，提出相應(yīng)5級帶壓開采條件以及5種治理模式及未來卡脖子難題[1]；龐貴艮采用采掘前隱伏導(dǎo)水構(gòu)造的綜合探查與評價和奧陶系峰峰組隔水性能，利用2種奧灰水害防治方法保證了保德煤礦安全帶壓開采[2]；張曉俊基于阻水系數(shù)法對山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司底板帶壓開采治理進(jìn)行了研究[4]。近年來，永城礦區(qū)主采的山西組二2煤層底板受太原組上段灰?guī)r含水層威脅的相關(guān)研究提上了日程，以前主要采用底板注漿加固進(jìn)行帶壓開采，雖取得了較好的安全效果，但成本較高，隨著開采范圍的不斷延伸，太原組上段灰?guī)r含水層富水性發(fā)生了較大變化，具有可疏放性[6-11]。張勝軍等較早對城郊煤礦二水平區(qū)域水文地質(zhì)條件開展專項(xiàng)系統(tǒng)研究，提出了疏水降壓與底板加固相結(jié)合的水害防治技術(shù)[6]；高家平[7]、白鑫[8]和汪佩[9]等又進(jìn)行了城郊煤礦二水平疏水降壓方面的延續(xù)跟蹤研究；張家峰[10]和吳啟濤[11]等分別對車集煤礦28和29采區(qū)底板太灰疏降可行性進(jìn)行了研究。

本文研究的順和煤礦位于永城礦區(qū)內(nèi)，按生產(chǎn)接續(xù)計劃，西翼24采區(qū)正常主采的二2煤層底板埋深已在-500m以下，首采面2401工作面正處于掘進(jìn)階段，預(yù)計底部太原組上段灰?guī)r含水層水壓可達(dá)4.5MPa以上，突水系數(shù)大于規(guī)定的安全經(jīng)驗(yàn)值[12]，面臨典型的太灰高承壓底板水害威脅問題。為保障安全帶壓開采，打算按疏降方法進(jìn)行防治。為此，需探究該工作面底部太原組上段太灰含水層是否具有可疏降性。

1 首采面基本概況

順和煤礦2401工作面是西翼24采區(qū)首采工作面，平均埋深550m左右，開采山西組二2煤層，開采煤層厚度1.5～3.0m，平均2.1m。該工作面東為DF7斷層保護(hù)煤柱，西為2402工作面(設(shè)計)，北為實(shí)體煤，南側(cè)F40斷層保護(hù)煤柱。軌道巷道長1003m，運(yùn)輸巷道長873m，傾向長176m。工作面采用走向長壁后退式綜采，全部垮落法管理頂板。

工作面煤層偽頂為泥巖，平均厚度0.4m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度7.5m；直接底板為泥巖，平均厚度2.2m，老底為細(xì)粒砂巖，平均厚度10.5m。工作面整體為一單斜構(gòu)造，地層傾向北西西，傾角5°～20°，平均12°。軌道巷道和運(yùn)輸巷道掘進(jìn)期間實(shí)際揭露斷層3條，三維地震解釋斷層1條，均為正斷層，最大落差4.3m，斷層附近煤層厚度和產(chǎn)狀有較大變化。

根據(jù)2401工作面部分施工的二2煤層底部太原組上段灰?guī)r探查鉆孔，進(jìn)行了底板注漿，獲得該工作面底部太灰上段含水層水壓介于3.25～4.15MPa之間，平均約3.71MPa，鉆孔參數(shù)及對應(yīng)太灰水的水壓見表1，這5個鉆孔分布如圖1所示，水文地質(zhì)柱狀如圖2所示。

表1 鉆孔參數(shù)及太灰水水壓情況

圖1 研究區(qū)2401首采面放水孔和觀測孔布置

圖2 水文地質(zhì)柱狀圖

2 工作面放水試驗(yàn)

2.1 鉆孔布設(shè)及放水試驗(yàn)過程

為了獲取順和煤礦深部24采區(qū)首采面2401工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，充分利用工作面已有相關(guān)鉆孔，選取P2-1、S5-1和S5-2鉆孔作為放水試驗(yàn)的放水孔，P1-6和P4-2鉆孔為觀測孔，如圖1所示，分階段開展了井下太原組上段灰?guī)r的放水試驗(yàn)。

放水試驗(yàn)開始階段，P2-1放水孔水澄清透明，水量18m3/h，放水階段后期水量始終穩(wěn)定在10.5m3/h。由于S5-1放水孔和S5-2放水孔鉆孔施工距離較近，鉆孔結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，使得兩孔發(fā)生串孔產(chǎn)生了水力聯(lián)系，S5-2放水孔初始1h內(nèi)，水量時大時小，大時噴涌而出夾煤塊持續(xù)1～3s，小時如緩緩細(xì)流，流入鐵箱內(nèi)，收集的煤塊煤渣數(shù)量多于1箱，水呈黑色，1h后水量小于2.0m3/h且穩(wěn)定，仍呈黑灰色；S5-1出水澄清透明，初始階段水量穩(wěn)定于55.0m3/h，在放水階段后期始終穩(wěn)定在25.0m3/h。兩放水孔流量與時間實(shí)測曲線如圖3所示。

圖3 兩放水孔流量-時間變化曲線

2.2 放水試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合放水試驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)收集初步整理，本次放水試驗(yàn)求參方法選擇非穩(wěn)定流的降深-時間配線法和直線圖解法[13-16]，按不同放水階段綜合進(jìn)行計算，采用平均值。

限于篇幅，這里以放水階段P4-2鉆孔的兩種圖解法為例進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)求參分析。降深-時間配線法求參中借助Aquifertest軟件進(jìn)行擬合，觀測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合效果最好的情況如圖4(a)所示，可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中的公式[13-16]，求得導(dǎo)水系數(shù)T=4.33m2/d，貯水系數(shù)μ*=4.55×10-6，滲透系數(shù)K=0.62m/d；P4-2鉆孔直線圖解法如圖4(b)所示，求得的斜率m′=15.95，換算成lg函數(shù)斜率m=36.69；再根據(jù)公式T=0.183Q/m，計算可得導(dǎo)水系數(shù)T=4.19m2/d，滲透系數(shù)K=0.60m/d。

圖4 放水階段P4-2鉆孔水文地質(zhì)參數(shù)圖解法

同理，可獲得2401工作面放水試驗(yàn)前的放水階段和水位恢復(fù)階段通過這兩種方法獲得的底部太原組灰?guī)r上部含水層水文地質(zhì)參數(shù)，見表2。

表2 順和礦2401工作面滲透系數(shù)計算結(jié)果

對比分析發(fā)現(xiàn)兩種方法求得的參數(shù)在數(shù)值方面，放水階段Thies標(biāo)準(zhǔn)曲線法求得的滲透系數(shù)與直線圖解法求得的滲透系數(shù)平均值比較接近，分別為0.50m/d和0.48m/d，相對誤差只有2%；恢復(fù)階段Thies標(biāo)準(zhǔn)曲線法求得的滲透系數(shù)與直線圖解法求得的滲透系數(shù)平均值相差較大，分別為0.32m/d和0.26m/d，相對誤差達(dá)到了10%左右；Thies標(biāo)準(zhǔn)曲線法求得放水階段和恢復(fù)階段的滲透系數(shù)平均值相對誤差達(dá)到了22%；直線圖解法求得放水階段和恢復(fù)階段的滲透系數(shù)平均值相對誤差達(dá)到了30%。

通過相關(guān)綜合分析后認(rèn)為，太灰上段含水層的滲透系數(shù)取值介于兩種方法計算的結(jié)果之間。在此采用兩種方法求得的各孔滲透系數(shù)的平均值作為該區(qū)滲透系數(shù)的參考值，即2401工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層滲透系數(shù)K=0.39m/d，滲透性平面上差異較大，但整體仍偏弱。

根據(jù)P2-1和S5-1兩個放水孔最后穩(wěn)定階段的放水流量和最大降深，結(jié)合兩孔直徑可初步獲得工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層單位涌水量，具體見表3。按文獻(xiàn)[12]規(guī)定，該含水層富水性弱。

表3 單位涌水量計算

3 工作面底板太灰可疏降性分析

3.1 邊界條件分析

2401工作面為井田西翼24采區(qū)首采工作面，24采區(qū)北部邊界為F8斷層，東部和南部分別主要受DF7(正斷層)、DF8(正斷層)和F40(逆斷層)等斷層交叉切割，西部主要受DF3斷層作用，導(dǎo)致2401工作面接受外部補(bǔ)給的能力相對減弱，具有相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，太灰含水層地下水補(bǔ)給、徑流條件相對較差。同時，2401工作面受周邊底板注漿、巷道掘進(jìn)排水等人為因素的影響，也使得工作面底板太灰上段的補(bǔ)給、徑流條件發(fā)生了較大變化，富水性相對減弱。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[17，18]，在此基礎(chǔ)上分析認(rèn)為，2401工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層具有一定的可疏降性。

3.2 工作面放水孔水量分析

根據(jù)2401工作面掘進(jìn)中留設(shè)的5個水文孔開展的井下放水試驗(yàn)，三孔放水兩孔作觀測孔，以“大流量，大降深”的方式基本充分揭露了該含水層水文地質(zhì)特征?？傮w上，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總體補(bǔ)給不充分，具有疏降可行性。

3.3 工作面觀測孔降深分析

在放水初期的4d里，通過群孔持續(xù)放水，在放水孔P2-1附近87m，距放水孔S5-1附近349m處的P1-6觀測孔形成了182m的降深，二2煤層底板灰?guī)r上段含水層的水壓值從3.59MPa降到了1.77MPa；在放水孔P2-1附近230m，距放水孔S5-1附近183m處的P4-2觀測孔形成了92m的降深，二2煤層底板灰?guī)r上段含水層的水壓值從4.04MPa降到了3.11MPa。具體見表4。由表4可知，整個放水階段，底板太原組灰?guī)r上段含水層的水壓值下降比較明顯。同時，結(jié)合整個放水階段的水位實(shí)測曲線，也發(fā)現(xiàn)整個放水階段整體降深也較為明顯。說明底板太原組灰?guī)r上段含水層的連通性較好，這在前文計算的滲透系數(shù)上也有所表現(xiàn)，滲透性較弱。由群孔放水試驗(yàn)求得參數(shù)，2401工作面底板灰?guī)r上段含水層單位涌水量q平均值為0.023L/(s·m)，也說明了含水層的富水性弱，易于疏降。

表4 放水階段(4d)兩觀測孔降深統(tǒng)計

另外，2401工作面受相對獨(dú)立的水文地質(zhì)邊界條件控制，整個工作面水文地質(zhì)單元相對獨(dú)立。放水過程中僅有1d時間涌水量穩(wěn)定在35m3/h，P1-6水位下降了170m，占總降深的93%；P4-2水位下降了80m，占總降深的87%，亦說明了采區(qū)邊界的補(bǔ)給相對較慢，工作面底板太灰上段具有可疏降性。

4 底板太灰水疏降防治措施及效果

4.1 疏降方案

首采面二2煤層底部太原組上段灰?guī)r含水層具有較好的可疏降性，但永煤集團(tuán)在永城礦區(qū)已有的防治水技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，一般都采用底板注漿加固措施[6-11]。這里根據(jù)2401工作面賦存條件，建議用疏水降壓代替底板全面注漿加固的新思路，提出了兩種疏降方案：

1)疏降至底板安全水壓：將2401工作面最低點(diǎn)處太灰靜水壓力疏降至2.0MPa，即在疏降條件下含水層的水位降深最小應(yīng)達(dá)到215m左右；P4-2鉆孔處水壓達(dá)到了4.04MPa，可能由于S2F4斷層等阻水構(gòu)造或前期的注漿工程阻斷了P4-2與放水孔的大部分水力聯(lián)系，放水試驗(yàn)過程中水位僅下降92m，但P4-2鉆孔處水位降深最小應(yīng)達(dá)到204m左右。

2)疏降至煤層底板(底板太灰“疏干”)：將2401工作面底板太灰含水層水位疏降至煤層底板以下，即在疏降條件下含水層的水位降深最大應(yīng)達(dá)到362m左右，最小應(yīng)達(dá)到272m左右。

結(jié)合本方案的總體研究目標(biāo)，為了減少打鉆成本，從經(jīng)濟(jì)、成本、滲透性、地質(zhì)單位劃分等角度分析[19-21]，由于各鉆孔布設(shè)分布于2401和2402工作面已掘進(jìn)巷道內(nèi)，在充分利用之前放水試驗(yàn)已有3個水文孔的基礎(chǔ)上，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(zhǔn)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鉆孔以及上巷準(zhǔn)備施工的G2-4、G4-4和G5-8鉆孔作為觀測孔。本次探查孔總數(shù)量初步設(shè)計為12個左右，全為井下孔，在實(shí)際施工過程中再結(jié)合現(xiàn)場揭露條件的差異進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，各設(shè)計疏降鉆孔參數(shù)見表5。

表5 各設(shè)計疏降鉆孔參數(shù)

結(jié)合以往探查孔揭露資料，考慮到太灰含水層巖溶發(fā)育存在一定的差異性，由于2401工作面標(biāo)高在-620～-490m之間，起伏大，整體為一單斜構(gòu)造，工作面東南角開切眼處標(biāo)高最高，約為-490m，工作面西北角終采線處標(biāo)高最低，約為-620m。根據(jù)放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層水壓分布特征，獲得2401整個工作面的太灰上段富水情況為：開切眼處水壓最低約為3.25MPa，水壓由開切眼向終采線方向呈現(xiàn)遞增趨勢，在終采線處水壓達(dá)到最高約為4.15MPa。根據(jù)工作面下巷-580m處現(xiàn)有三個放水孔P1-6、P2-1和P4-2的放水實(shí)際情況，當(dāng)三個孔以總流量約45m3/h同時放水時，工作面下巷中部5號鉆窩的S5-1孔及S5-2孔僅有少量水涌出甚至無水涌出。由于以上鉆孔疏降效果良好，2401工作面下巷的P4-9、S7-2設(shè)計放水孔和上巷的G1-7、G3-3、G5-6設(shè)計放水孔可能出現(xiàn)無水涌出現(xiàn)象。

4.2 工作面實(shí)際疏放效果

根據(jù)實(shí)際施工情況，2401工作面運(yùn)輸巷道施工有P1-6、P2-1、P4-2、T4、T3、補(bǔ)T3-1和P4-1共7個鉆孔，鉆孔參數(shù)、實(shí)際疏放及10月份觀測結(jié)果見表6。其中，P2-1作觀測孔，對目標(biāo)層位進(jìn)行有效放水的鉆孔主要有P1-6、P4-2以及P4-1，放水水量分別為26、6和62.5m3/h，總疏放強(qiáng)度94.5m3/h；根據(jù)放水孔觀測記錄臺賬，九月份每日總放水強(qiáng)度在45.5～56.5m3/h，平均51m3/h，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)水壓在2MPa左右。

與9月份相比，10月份在增設(shè)P4-1放水強(qiáng)度60m3/h左右?guī)滋鞎r間內(nèi)，水壓由2MPa左右快速降至1.4MPa左右，單孔較高有效疏降強(qiáng)度對其附近區(qū)域水壓降低影響顯著，可見工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層可疏降性較好。

一個月期間放水總強(qiáng)度和水壓監(jiān)測結(jié)果的對比曲線如圖5所示，可以明顯看出，在每日放水總強(qiáng)度逐漸降低條件下，工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層水壓力下降到1.4MPa左右后基本保持不變，突水系數(shù)降到了0.026MPa/m，滿足了該工作面安全帶壓開采的要求。

表6 順和煤礦2401工作面放水孔十月份觀測記錄

圖5 10月期間放水總強(qiáng)度和水壓監(jiān)測結(jié)果對比曲線

5 結(jié) 論

1)系統(tǒng)分析了順河煤礦深部24采區(qū)首采2401工作面地質(zhì)、水文地質(zhì)和開采條件，評價確定了該工作面受到底部太原組上段灰?guī)r含水層水害威脅，提出了采用疏水降壓可疏放性方式對該工作面底板太灰水進(jìn)行治理的新思路。

2)設(shè)計了2401工作面井下群孔放水試驗(yàn)方案，組織實(shí)施了井下放水試驗(yàn)，獲取了放水過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用降深-時間配線法和直線圖解法計算出太原組灰?guī)r上段含水層的主要水文地質(zhì)參數(shù)，相對誤差滿足實(shí)際需要，最終采用兩種方法求得的各孔滲透系數(shù)的平均值作為該工作面的滲透系數(shù)參考值。

3)對2401工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層可疏降性進(jìn)行了分析，該工作面具有相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，認(rèn)為具有可疏放性，進(jìn)行了兩種疏降方案設(shè)計，并通過實(shí)際的疏放驗(yàn)證，表明了該工作面底部太原組上段灰?guī)r含水層具有很好的可疏放性。