高承壓含水層下近距離煤層頂板水害立體防控技術(shù)研究

張 坤， 丁 湘， 蒲治國(guó)， 吳永輝

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司,陜西西安 710054； 2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200；3.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司門(mén)克慶煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200)

0 引言

近距離煤層在蒙陜地區(qū)深部侏羅紀(jì)煤田普遍賦存。針對(duì)上述煤組間存在的頂板砂巖含水層高承壓、富水性強(qiáng)且極不均一、隔水層薄等開(kāi)采防治水難題[1-3]，使上煤層在巷道掘進(jìn)階段即面臨嚴(yán)峻的水害問(wèn)題，同時(shí)由于煤層間距近，使得上下煤層同采防治水難度加大，在采掘過(guò)程中極易造成礦井涌水異常波動(dòng)，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全[4-9]。前人在頂板水害防治方面開(kāi)展了大量的研究，實(shí)現(xiàn)了頂板水害治理的有益探索，取得了一定的成效，但目前針對(duì)近距離、高承壓、薄隔水層頂板水害治理仍處起步階段，蒙陜礦區(qū)深部礦井上下煤層聯(lián)合開(kāi)采頂板水害防治缺乏技術(shù)理論和工程實(shí)踐支撐[10-13]。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)

某礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗、伊金霍洛旗境內(nèi)，呼吉爾特礦區(qū)中部。井田內(nèi)地層由老至新發(fā)育有：上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)，中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，下白堊統(tǒng)志丹群(K1Zd)和第四系全新統(tǒng)(Q4)。中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)為本井田含煤地層，2-2煤層位于延安組第三巖段(J2y3)中部，平均煤厚2.21m，與3-1煤層(平均煤厚4.42m)間距為23.70～52.27m。

井田構(gòu)造形態(tài)總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向270°左右，地層傾角1°～3°。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層和陷落柱構(gòu)造，亦無(wú)巖漿巖侵入，綜合評(píng)價(jià)井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單類型。

1.2 水文地質(zhì)條件

井田主要含水層自上而下可分為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙層孔隙潛水含水層、下白堊統(tǒng)志丹群孔隙潛水-承壓水含水層、侏羅系安定組裂隙承壓水含水層、中侏羅統(tǒng)直羅組碎屑巖類承壓水含水層、中侏羅統(tǒng)延安組碎屑巖類承壓水含水層、上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)碎屑巖類承壓水含水層；井田隔水層主要有中侏羅統(tǒng)安定組隔水層、安定組底板至2煤組頂板隔水層和侏羅系延安組2煤組底至3-1煤頂板隔水層。

直羅組底部砂巖含水層為礦井主要充水含水層，地層厚度117.75～219.45m，平均157.18m，水位標(biāo)高+1 249.02m，q=0.060 8～0.206 8L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.071 7～0.598 2m/d，地下水化學(xué)類型為SO4·HCO3—Na·Mg型水，礦化度484～1 045 mg/L，富水性中等，局部強(qiáng)且極不均一；中侏羅統(tǒng)延安組碎屑巖類承壓水含水層為2煤和3煤開(kāi)采時(shí)直接充水含水層，3-1煤上部延安組含水層厚度47～110.2m，平均82.02m。地下水位埋深35.92～43.01m，水位標(biāo)高1 273.75～1 283.01m，q=0.009 02～0.007 50 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.005 93～0.018 2m/d，地下水化學(xué)類型為HCO3—Na·Ca型水，富水性弱。

第四系松散巖類孔隙潛水含水層補(bǔ)給來(lái)源主要以大氣降水垂向入滲為主，其次為鄰區(qū)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，以及下伏基巖裂隙承壓水的越流補(bǔ)給，徑流方向由北向南或由東北向西南徑流，排泄方式以徑流排泄為主。碎屑巖類基巖裂隙承壓含水層主要賦存于下白堊統(tǒng)志丹群(K1Zd)、中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)以及下侏羅統(tǒng)延安組(J2y)砂巖中，其主要補(bǔ)給來(lái)源為井田外承壓水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，其次為上覆第四系孔隙水的下滲補(bǔ)給，徑流方向沿地層走向由北向南徑流，排泄以側(cè)向徑流排泄為主。

礦井采用一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，為保證礦井達(dá)產(chǎn)，計(jì)劃3-1煤與2-2煤同采。由于直羅組底部砂巖含水層水壓高且距離2-2煤頂板較近，頂板探放水鉆孔單孔涌水量達(dá)120m3/h，初始水壓達(dá)6MPa，并且因2-2煤頂板局部地段隔水層缺失(大部分塊段變薄至小于5m)，使該煤層在巷道掘進(jìn)階段即面臨嚴(yán)峻的水害形勢(shì)；2-2煤與3-1煤間平均距離僅為34m，2、3煤組間存在的煤層間距近、含水層高承壓、富水性強(qiáng)且極不均一、隔水層薄等開(kāi)采防治水難題，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。

2 立體防控技術(shù)構(gòu)架分析

2.1 技術(shù)構(gòu)架

針對(duì)某礦井2、3煤組采掘水害問(wèn)題，提出近距離煤層頂板水害立體防控技術(shù)構(gòu)架(圖1)。

圖1 立體防控技術(shù)構(gòu)架Figure 1 Technical framework of stereoscopic prevention and control

該構(gòu)架按照“斷源截流、分區(qū)防控、層組治理”的思路，通過(guò)“低位超前布局掩護(hù)疏放技術(shù)”即礦井采掘布局調(diào)整，將低位截流工作面布設(shè)在地下水徑流方向來(lái)水一側(cè)，通過(guò)低位工作面截流降低上煤層工作面補(bǔ)給水源強(qiáng)度；其次通過(guò)上下煤組結(jié)合的綜合精細(xì)探查技術(shù)，在精準(zhǔn)確定頂板砂巖疏放靶區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)下煤層開(kāi)展超前疏放水工作(掘進(jìn)階段超前探放水、回采前的分段疏放水、回采中泄水巷泄水、回采后采空區(qū)自然疏放水)，實(shí)現(xiàn)下煤層安全生產(chǎn)的同時(shí)，避免了上煤層近“探”近“放”所帶來(lái)的水害威脅；然后在上煤層中進(jìn)一步開(kāi)展疏放水工作，通過(guò)校核上下煤層疏放效果是否滿足定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)高承壓含水層下近距離煤層頂板水害的“層組立體防控、區(qū)域綜合治理”。

2.2 技術(shù)分析

“低位超前布局掩護(hù)疏放”可避免上煤層近“探”近“放”所帶來(lái)的水害威脅，其在技術(shù)上是否可行，將直接影響近距離煤層頂板水害立體防控能否實(shí)現(xiàn)?！暗臀怀安季盅谧o(hù)疏放技術(shù)”分析重點(diǎn)包括兩個(gè)方面：一是垂向上，分析下煤層和上煤層的充水含水層是否為同一目標(biāo)含水層，即下煤層回采后，其導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是否波及上煤層充水含水層；二是平面上，分析下煤層工作面回采產(chǎn)生的疏降漏斗(疏降半徑)是否波及上煤層工作面回采范圍；以上條件滿足時(shí)，方可通過(guò)下煤層超前疏放水工作，實(shí)現(xiàn)上煤層工作面頂板水的間接疏放。

2.2.1 “兩帶”高度確定

為探究3-1煤回采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度能否包含2-2煤充水含水層。采用井下電法探測(cè)、數(shù)值模擬以及雙端封堵壓水試驗(yàn)多種手段，對(duì)礦井具有代表性的工作面進(jìn)行綜合測(cè)試。

1)鉆孔電法探測(cè)。煤層頂板巖層受到采動(dòng)影響后，巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而引起巖層視電阻率值發(fā)生變化，根據(jù)探測(cè)剖面的視電阻率分布特征對(duì)煤頂板巖層變形與破壞規(guī)律進(jìn)行分析，可以判定裂縫帶發(fā)育高度值，2017年11月在井田南翼3-1煤層11-31011工作面泄水巷3L巷道位置采用井下鉆孔電法探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

由于探測(cè)點(diǎn)距離工作位置較遠(yuǎn)，采動(dòng)對(duì)上覆地層的影響尚未波及至監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，故可將此次視電阻率剖面作為背景值進(jìn)行分析。由于巖層裂隙發(fā)育、含水性不均一，導(dǎo)致背景視電阻率主要集中在50～300Ω·m，局部小區(qū)域?yàn)?00～450Ω·m。

工作面推進(jìn)至孔口33.7m時(shí)，水平方向-110～-90m，高度0～20m以及60～100m，視電阻率值顯著升高，部分范圍視電阻率值達(dá)到1 000Ω·m，其余范圍視電阻率值有一定變化，0～20m視電阻率值升高，主要受控制范圍垮落帶開(kāi)始發(fā)育影響。

推進(jìn)過(guò)孔口79.5m時(shí)，控制范圍垮落帶已充分發(fā)育，高度范圍主要為0～21m，該范圍視電阻率值大多已升高到1 000Ω·m以上，為典型的垮落帶視電阻率值特征；煤柱內(nèi)裂縫帶的寬度約18m。

工作面推進(jìn)過(guò)鉆孔孔口120m，“三帶”發(fā)育已經(jīng)穩(wěn)定，裂縫帶開(kāi)始發(fā)育，裂縫高度為50～106m，該范圍視電阻率值普遍升高到600Ω·m以上，為典型的裂縫帶視電阻率值特征，反映工作面邊緣部分導(dǎo)水裂縫帶的高度為106m。

綜上所述，11-31011工作面導(dǎo)水裂縫帶的高度為106m，為砂質(zhì)泥巖與泥巖界面位置；垮落帶的高度為21m，為細(xì)粒砂巖和中粒砂巖界面位置。根據(jù)工作面回采資料，鉆孔控制段采高為4.1～4.6m，平均4.35m。因此，11-31011工作面裂采比為24.37，垮采比為4.83。

2)數(shù)值模擬。以井田北翼3-1煤層11-3103工作面為原型，依據(jù)2011年11月《井田首采區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告》所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模擬模型，研究頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。運(yùn)用FLAC3D模擬軟件從數(shù)值模擬中提取不同推進(jìn)距離的最大主應(yīng)力場(chǎng)云圖、塑性區(qū)形態(tài)兩者進(jìn)行綜合分析。通過(guò)對(duì)比研究得出回采作用下煤層覆巖運(yùn)移特征和“三帶”發(fā)育范圍、發(fā)育規(guī)模及其空間展布特征(圖2)。

采用分段開(kāi)挖的方式模擬開(kāi)挖過(guò)程，工作面沿走向(X軸正向)推進(jìn)，每步開(kāi)挖20m，共開(kāi)挖30步，每步開(kāi)挖后最大不平衡力小于1×10-5N即認(rèn)為達(dá)到新的平衡狀態(tài)。當(dāng)工作面推進(jìn)40m時(shí)，煤層頂板的粉砂巖出現(xiàn)較明顯的塑性剪切變形破壞，破壞區(qū)高度在26m左右(圖2a)，此時(shí)豎向應(yīng)力圖形為軸對(duì)稱的拋物線形分布(圖2b)。當(dāng)工作面推進(jìn)至120m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層塑性破壞區(qū)在拉張應(yīng)力的作用下，持續(xù)向上發(fā)育，煤層兩壁處剪切破壞嚴(yán)重，隨著開(kāi)采步長(zhǎng)的增加拉應(yīng)力區(qū)域也隨之?dāng)U張。此時(shí)的破壞區(qū)最大高度達(dá)到74m(圖2c)。圍巖遭受拉應(yīng)力的范圍擴(kuò)大，拉應(yīng)力最大值也有小幅增加，達(dá)到0.60MPa，最大壓應(yīng)力增加至42.32MPa(圖2d)。當(dāng)工作面推進(jìn)至200m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層塑性破壞區(qū)發(fā)育高度不再有明顯增加，覆巖破壞的范圍已基本穩(wěn)定，破壞區(qū)高度穩(wěn)定在107m左右(圖2e)。采空區(qū)上方以剪切破壞為主，下部拉伸破壞與剪切破壞共存。與上一步開(kāi)挖相比，最大拉應(yīng)力小幅增加，最大壓應(yīng)力基本保持穩(wěn)定(圖2f)。整個(gè)工作面上覆巖層塑性區(qū)破壞大致呈“馬鞍形”分布。導(dǎo)水裂隙帶高度以“馬鞍形”兩端的高度為準(zhǔn)。

由上述模擬過(guò)程分析結(jié)果，可以直觀表現(xiàn)出煤層開(kāi)采后，上覆巖層的破壞過(guò)程，通過(guò)巖層塑性破壞區(qū)和應(yīng)力云圖，可以分析出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。煤層開(kāi)挖之后，圍巖應(yīng)力釋放，采空區(qū)上部主要承受拉應(yīng)力，形成“拱形”拉應(yīng)力集中區(qū)，拱腳處承受上部荷載，成為壓應(yīng)力集中區(qū)域。隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板巖層逐漸失穩(wěn)冒落，在煤巖壁兩側(cè)形成剪切破壞區(qū)域。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，塑性破壞區(qū)呈現(xiàn)出兩邊高、中間低的“馬鞍形”破壞區(qū)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)空間不斷擴(kuò)大，上覆巖層垮落高度持續(xù)向上發(fā)育，最終發(fā)育至中粒砂巖層。從模擬結(jié)果看，模擬區(qū)煤層采高4.5m，塑性破壞區(qū)最大高度107m，以塑性破壞區(qū)最大高度為導(dǎo)水裂隙帶高度，則裂采比為23.78。

圖2 基于FLAC3D模擬的覆巖運(yùn)移特征Figure 2 Overlying strata movement characteristic based on FLAC3D simulation

3)壓水試驗(yàn)。2019年6月，在井田南翼3-1煤層11-3103工作面輔助運(yùn)輸巷第15聯(lián)絡(luò)巷采用雙端封堵壓水試驗(yàn)探測(cè)裂高。設(shè)計(jì)觀測(cè)鉆孔T1、T2、T3平面剖面軌跡，不同測(cè)點(diǎn)注入總水量變化對(duì)比曲線見(jiàn)圖3。

圖3 不同測(cè)點(diǎn)注入總水量變化對(duì)比曲線Figure 3 Comparison of total water injected in different measuring points

由圖4可以看到T1鉆孔在垂高90m、116m、122m處，注入水量較小，裂隙不發(fā)育；其他測(cè)點(diǎn)注入水量相對(duì)較大，裂隙相對(duì)發(fā)育，其中垂高110m注入水量最大，從垂高110m之后地層注入水量明顯減少。T2孔在垂高64m、106m處，注入水量較小，裂隙不發(fā)育；其他測(cè)點(diǎn)注入水量相對(duì)較大，裂隙相對(duì)發(fā)育，其中垂高78m注入水量最大，從垂高106m之后地層注入水量明顯減少。T3孔為T(mén)1和T2注水量對(duì)比孔，共測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，分別為孔深30m、32m、150m，垂高21.2m、22.6m和106m，注入鉆孔水量都較小，說(shuō)明地層裂隙不發(fā)育。根據(jù)T1和T2鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比T3鉆孔進(jìn)行分析，最終確定煤礦3-1煤采后導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為110m。

綜合以上井田南北兩翼“兩帶”高度綜合測(cè)試結(jié)果得出，3-1煤層回采后塑性破壞區(qū)基本呈“馬鞍形”，最大導(dǎo)水裂縫帶高度為106～110m，按照煤層采高換算垮采比為4.22～4.83，裂采比為23.78～24.37，導(dǎo)水裂隙帶處在直羅組底部砂巖含水層的細(xì)粒砂巖和中粒砂巖界面位置。

2.2.2 上下煤組充水含水層確定

根據(jù)煤層采后導(dǎo)水裂縫帶分析，3-1煤采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度最大為110m，通過(guò)各含水層底板與煤層頂板距離分析，直羅組底部距離3-1煤頂板47.0～110.2m，大多小于110m；安定組底部距離3-1煤頂板199.39～327.30m，大于110m；白堊系底部距離3-1煤頂板257.44m～397.41m，大于110m；第四系底部距離3-1煤頂板676.55～708.40m，大于110m。

綜上分析認(rèn)為，3-1煤層回采后，位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍內(nèi)的3-1煤頂板延安組砂巖含水層、2-2煤頂板延安組砂巖含水層和直羅組底部砂巖含水層為工作面直接充水含水層；位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍以外的直羅組中上部砂巖含水層、安定組砂巖含水層、白堊系砂巖含水層、第四系松散層含水層為工作面間接充水含水層；2-2煤層工作面回采后，位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍內(nèi)的直羅組底部砂巖含水層為工作面直接充水含水層；位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍以外的安定組砂巖含水層、白堊系砂巖含水層、第四系松散層含水層以及大氣降水均為工作面間接充水含水層，因此可以得出頂板直羅組底部砂巖含水層是上下煤組(3-1、2-2煤)共同的直接充水含水層。頂板各含(隔)水層與3-1煤、2-2煤的相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。

2.2.3 基于大流量放水試驗(yàn)的疏放效果評(píng)價(jià)

為研究3-1煤層疏放后，疏放效果在平面上所產(chǎn)生的影響范圍大小，是否波及2-2煤工作面回采范圍，2016年6月14日至6月24日，在門(mén)克慶礦井11-3101工作面切眼附近600m范圍內(nèi)，組織開(kāi)展基于大流量放水試驗(yàn)的疏放效果評(píng)價(jià)，以便進(jìn)一步明確放水試驗(yàn)產(chǎn)生的降落漏斗半徑。

根據(jù)放水試驗(yàn)得出，直羅組底部砂巖含水層滲透系數(shù)為K=0.482 9m/d，通過(guò)含水層滲透系數(shù)可以看出，煤層頂板直接充水含水層具有可疏性；同時(shí)與放水區(qū)域相距2 500m的水文長(zhǎng)觀孔出現(xiàn)明顯水位降深。試驗(yàn)研究表明， 放水試驗(yàn)產(chǎn)生的降落漏斗半徑超過(guò)2 500m，通過(guò)11-31011工作面疏放水及工作面回采可以實(shí)現(xiàn)對(duì)11-2201工作面頂板水疏水降壓目標(biāo)。

圖4 頂板含(隔)水層相對(duì)位置示意Figure 4 Schematic diagram of the relative position of roof containing (separated) water layer

2.2.4 立體防控技術(shù)可行性分析

通過(guò)基于綜合測(cè)試的“兩帶高度”探查研究確定，3-1煤層回采后，位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍內(nèi)的3-1煤頂板延安組砂巖含水層、2-2煤頂板延安組砂巖含水層和直羅組底部砂巖含水層為工作面直接充水含水層，2-2煤巷道掘進(jìn)和開(kāi)采的直接充水含水層是頂板直羅組底部砂巖含水層，直羅組底部砂巖含水層是上下煤組(3-1、2-2煤)的共同直接充水含水層；同時(shí)通過(guò)井下大流量放水試驗(yàn)得出，放水試驗(yàn)降落漏斗半徑超過(guò)2 500m，通過(guò)3-1煤采前疏放水與采后導(dǎo)水裂縫帶泄水降低直羅組砂巖含水層水位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)11-2201工作面頂板水的疏水降壓目標(biāo)，綜合以上可以得出，近距離煤層頂板水害立體防控技術(shù)在理論是可行的。

3 技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)近距離煤層水害立體防控技術(shù)構(gòu)架，2016年5月至2020年1月，按照低位鄰面截流→上下煤層綜合精細(xì)探查→下煤層采前疏放及采空區(qū)疏放→上煤層采前疏放→疏放效果評(píng)價(jià)的立體防控實(shí)施步驟，在內(nèi)蒙古呼吉爾特礦區(qū)11-31011、11-2201工作面開(kāi)展技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。

3.1 低位截流布局

根據(jù)目前呼吉爾特礦區(qū)水文地質(zhì)研究，該區(qū)域侏羅系安定組底至2-2煤頂?shù)暮畬恿严端匀涣鲌?chǎng)方向?yàn)樽晕鞅敝翓|南方向[14-15]。11-31011工作面位于11-2201工作面的西側(cè)，11-31011工作面頂板水的疏放可以起到在來(lái)水方向干擾11-2201工作面頂板砂巖水的補(bǔ)給，達(dá)到對(duì)其工作面的截流疏水降壓工作(圖5)。

圖5 工作面低位截流布局示意Figure 5 Schematic diagram of the low-level interception layout of the working face

3.2 上下煤層綜合精細(xì)探查

2016年5月，通過(guò)采用井下瞬變電磁探測(cè)，在11-3101工作面帶式輸送機(jī)巷、2號(hào)回風(fēng)巷、切眼、主回撤通道內(nèi)分別布設(shè)4條測(cè)線，對(duì)11-3101工作面頂板進(jìn)行富水性探查。通過(guò)對(duì)工作面頂板+30m、+40m、+50m、+60m、+70m及+80m瞬變電磁探測(cè)水平切片分析(圖6)，得出下煤層工作面頂板相對(duì)富水區(qū)域綜合分布情況。待下組煤頂板鉆孔疏放及采空區(qū)水疏放完畢后，采用井下瞬變電磁探測(cè)進(jìn)行上組煤井下富水性探查工作，對(duì)上組煤2201工作面頂板+20m、+30m、+40m、+50m、+60m、+70m、+80m、+90m及+100m瞬變電磁探測(cè)水平切片圖分析，得出工作面頂板相對(duì)富水區(qū)域綜合分布情況。

3.3 下煤層采前疏放及采空區(qū)疏放

按照上下煤組頂板水疏放的實(shí)施步驟，先對(duì)下煤層3-1煤11-3101工作面頂板實(shí)施疏放水工程，共設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)30個(gè)。通過(guò)對(duì)3-1煤富水異常區(qū)的疏放，11-3101工作面頂板水得到有效疏放，達(dá)到了疏水降壓，削峰平谷的目的；同時(shí)，通過(guò)工作面采空區(qū)對(duì)工作面頂板含水層進(jìn)行頂板水疏放。

11-3101工作面自2016年6月開(kāi)始開(kāi)展頂板疏放水，2016年10月，該工作開(kāi)始回采。截至2019年7月底，該工作面頂板水持續(xù)疏放，經(jīng)統(tǒng)計(jì)累計(jì)疏放水量達(dá)2 659.3萬(wàn)m3。

3.4 上煤層采前疏放

通過(guò)11-3101工作面回采及頂板疏放水，2201工作面頂板水壓有所下降，尤其工作面切眼附近，由于其隔水層較薄，頂板砂巖水延巷道頂板裂隙不斷疏放，2018年1月，對(duì)2201工作面巷道超前探階段施工的頂板孔水壓、水量進(jìn)行了再統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表1、表2所示。

圖6 11-3101工作面頂板+80m瞬變電磁探測(cè)水平切片F(xiàn)igure 6 Horizontal slice of 11-3101 working face roof and 80 m transient electromagnetic detection

表1 11-2201工作面頂板疏放水鉆孔水壓對(duì)比

表2 11-2201工作面頂板疏放水鉆孔水量對(duì)比

通過(guò)巷道掘進(jìn)階段頂板含水層探查孔與疏放后對(duì)應(yīng)探查孔水量水壓的對(duì)比分析如下：

1)鉆孔的水壓、水量都有不同程度的降低，說(shuō)明提出的先開(kāi)采下層3-1煤，通過(guò)其鉆孔疏放水及采空區(qū)水疏放，待直接充水含水層水量、水壓被疏降至可以保證2-2煤順利回采時(shí)，再開(kāi)采上層2-2煤的水害防治方案，達(dá)到了初步效果。

2)11-2201工作面頂板含水層水量、水壓已下降，可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)頂板疏放水鉆孔，把水文地質(zhì)分析和井下瞬變電磁探測(cè)物探圈定的富水異常區(qū)與異常層段做為作為探放水重點(diǎn)區(qū)段與層段。

3.5 疏放效果定量化評(píng)價(jià)

高承壓含水層下近距離煤層工作面能否安全回采，其關(guān)鍵因素就是疏放水工作是否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)建立頂板疏放水效果定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)11-3101、11-2201工作面疏放效果進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)證。

1)單孔涌水量。本指標(biāo)基于將工作面頂板含水層靜儲(chǔ)量疏放徹底，使鉆孔涌水主要來(lái)源為頂板含水層動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量且水量穩(wěn)定，24h內(nèi)，涌水量波動(dòng)幅度不超過(guò)10%。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)保證疏放水段平均單孔涌水量衰減至20m3/h以下。

如圖7所示，11-3101工作面除H3-4外，所有鉆孔涌水量均已經(jīng)被疏降至20m3/h以下，H3-4鉆孔目前涌水量為23.35m3/h，接近20m3/h。認(rèn)為目前疏放水成果滿足第一條評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2)鉆孔水壓力。本條目標(biāo)的主要目的是將工作面頂板含水層由高承壓含水層疏降至不承壓狀態(tài)，即將頂板含水層水頭疏降至含水層頂板以下。直羅組底部含水層頂板距離3-1煤頂板近100m左右，因此項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)的原則為，將工作面頂板含水層水由承壓狀態(tài)疏降至不承壓狀態(tài)；評(píng)價(jià)方法為，判定鉆孔水壓力是否被疏降至了1MPa以下。

由圖8可以看出，所有11-3101工作面觀測(cè)孔水壓力均已經(jīng)衰減至了1MPa以下。目前水壓力最大的兩個(gè)孔為向工作面外圍施工的H1-4和H1-5兩個(gè)鉆孔，水壓力均為1MPa。分析認(rèn)為，目前疏放水成果滿足第二條評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3)靜儲(chǔ)量。本項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)的原則為，將工作面頂板含水層靜儲(chǔ)量疏放干凈，達(dá)到“消峰平谷”的目的，有效減小采后涌水量。評(píng)價(jià)方法有兩種，第一種為判定鉆孔涌水量是否達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，第二種方法為對(duì)比預(yù)測(cè)的靜儲(chǔ)量與實(shí)際疏放的靜儲(chǔ)量，看靜儲(chǔ)量是否被疏放干凈。

鉆孔涌水量變化過(guò)程分析：以11-3101工作面H3鉆場(chǎng)的鉆孔為例(圖9)，從鉆場(chǎng)鉆孔涌水量變化曲線來(lái)看，目前鉆孔涌水量已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，表明頂板含水層靜儲(chǔ)量已經(jīng)基本被疏放徹底，目前鉆孔涌水量主要為動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量。從疏放水靜儲(chǔ)量計(jì)算來(lái)看，根據(jù)礦井水處理站統(tǒng)計(jì)資料，集中放水階段放出的靜儲(chǔ)量為30.5萬(wàn)m3，經(jīng)預(yù)測(cè)11-3101工作面切眼附近600m范圍內(nèi)頂板含水層靜儲(chǔ)量為24.46萬(wàn)m3，小于疏放出的水量。因此認(rèn)為工作面里段600m范圍內(nèi)靜儲(chǔ)量基本已經(jīng)疏放徹底。

圖7 11-3101工作面疏放水鉆孔終孔水量與目前水量對(duì)比Figure 7 Comparison of the final water amount and the current water amount of drainage boreholes in 11-3101 working face

圖8 11-3101工作面鉆孔終孔水壓與目前水壓對(duì)比Figure 8 Comparison of the final water pressure and the current water pressure of drainage boreholes in 11-3101 working face

圖9 11-3101工作面H3鉆場(chǎng)鉆孔涌水量變化曲線Figure 9 Variation curve of water inflow in H3 drilling field of 11-3101 working face

根據(jù)上述三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)對(duì)11-2201工作面是否滿足安全回采評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，有一條不符合標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為11-2201工作面，頂板含水層未被疏降至安全標(biāo)準(zhǔn)。

礦井在11-2201工作面頂板累計(jì)施工8個(gè)鉆場(chǎng)和23個(gè)鉆孔，經(jīng)過(guò)近6個(gè)月的持續(xù)疏放，11-2201工作面已施工的23個(gè)鉆孔總涌水量降為31.67m3/h，平均涌水量1.38m3/h，最大的一個(gè)鉆場(chǎng)3個(gè)鉆孔涌水量?jī)H為8m3/h，單孔平均涌水量2.67m3/h，所有鉆孔涌水量均達(dá)到5m3/h以下，達(dá)到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明2-2煤頂板含水層已經(jīng)被疏降至安全狀態(tài)，滿足安全回采評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具備安全回采條件。

3.6 防治水效果

針對(duì)高承壓含水層下近距離煤層頂板水害防治問(wèn)題，從安全采掘條件、水害立體防控可行性、疏放目標(biāo)層精細(xì)探查、低位超前布局掩護(hù)疏放水技術(shù)、疏放效果定量化評(píng)價(jià)角度進(jìn)行了系統(tǒng)全面研究，并通過(guò)礦井11-3101、11-2201工作面安全回采對(duì)高承壓含砂體下近距離煤層頂板水害技術(shù)體系進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高承壓含水層下近距離煤層頂板水害的“層組立體防控、區(qū)域綜合治理”，形成了一套高承壓含水層下近距離煤層頂板水害技術(shù)體系。通過(guò)實(shí)踐成功解決了11-2201工作面的回采安全問(wèn)題，解放受水害威脅的煤炭資源共103萬(wàn)t，最終實(shí)現(xiàn)了礦井的安全開(kāi)采。

4 結(jié)論

1)針對(duì)近距離煤層頂板水害特征，按照“斷源截流、分區(qū)防控、層組治理”的思路，通過(guò)“低位超前布局掩護(hù)疏放技術(shù)”、上下煤組結(jié)合的綜合精細(xì)探查技術(shù)，在精準(zhǔn)確定頂板砂巖疏放靶區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)下煤層開(kāi)展超前疏放水工作(掘進(jìn)階段超前探放水、回采前的分段疏放水、回采中泄水巷泄水、回采后采空區(qū)自然疏放水)，實(shí)現(xiàn)下煤層安全生產(chǎn)的同時(shí)，可避免上煤層近“探”近“放”所帶來(lái)的水害威脅。

2)3-1煤層回采后塑性破壞區(qū)基本呈“馬鞍形”，最大導(dǎo)水裂縫帶高度為106～110m，垮采比為4.22～4.83，裂采比為23.78～24.37，導(dǎo)水裂隙帶處在直羅組底部砂巖含水層的細(xì)粒砂巖和中粒砂巖界面位置，直羅組底部砂巖含水層是上下煤組(3-1、2-2煤)共同的直接充水含水層。

3)“低位超前布局掩護(hù)疏放技術(shù)”是近距離煤層頂板水害立體防控能否實(shí)現(xiàn)的核心關(guān)鍵。通過(guò)基于綜合測(cè)試的“兩帶高度”探查和井下大流量放水試驗(yàn)得出，上下煤組(3-1、2-2煤)開(kāi)采直接充水含水層為同一層含水層，3-1煤回采后疏降半徑能夠波及2-2煤工作面，研究表明近距離煤層頂板水害立體防控在技術(shù)理論上是可行性的。

4)針對(duì)高承壓含水層下近距離煤層頂板水害防治問(wèn)題，從安全采掘條件、水害立體防控可行性、疏放目標(biāo)層精細(xì)探查、低位超前布局掩護(hù)疏放水技術(shù)、基于“單孔涌水量、鉆孔水壓力、靜儲(chǔ)量”的疏放效果定量化評(píng)價(jià)角度進(jìn)行了系統(tǒng)全面研究，并通過(guò)礦井11-3101、11-2201工作面安全回采對(duì)高承壓含砂體下近距離煤層頂板水害技術(shù)體系進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高承壓含水層下近距離煤層頂板水害的“層組立體防控、區(qū)域綜合治理”。