馬脊梁礦一盤區(qū)3 煤頂板富水性分區(qū)及疏放水方案研究

秦子強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 馬脊梁礦，山西 大同 037027）

馬脊梁礦井田可分為3 煤、5 煤和8 煤3 個(gè)開(kāi)采煤層，根據(jù)采區(qū)的巷道布置及煤層分組情況，將分區(qū)劃分為3 個(gè)盤區(qū)。其中一盤區(qū)3 煤工作面在采掘期間由于3 煤與2 煤頂板的K3砂巖上段含水層距離較近，部分區(qū)域甚至直接接觸含水層，導(dǎo)致多次發(fā)生涌水現(xiàn)象，加大了防治水工作的難度系數(shù)，同時(shí)對(duì)采掘作業(yè)的相關(guān)工作面的安全造成了嚴(yán)重的威脅[1]。

1 地質(zhì)水文概況

一盤區(qū)3 煤平均厚度為6.8 m，頂板隔水層平均厚度為2.1 m，由于3 煤頂板隔水層較薄，隨著3 煤巷道不斷掘進(jìn)和工作面回采，礦井涌水量從采掘初期的5 m3/h 增大到380 m3/h。井田東翼一盤區(qū)首采區(qū)的主要含水層之一是山西組K3砂巖含水層，其頂部以粗粒砂巖為主，較穩(wěn)定，常作為3 煤直接頂板，富水性極強(qiáng)；含水層較穩(wěn)定，平均厚度為178 m，滲透性較好，富水性相對(duì)較強(qiáng)。

2 富水性分區(qū)研究

含水層富水性評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)可分解成2 個(gè)階梯，分別為目標(biāo)層A 和決策層B，決策層包含構(gòu)造密度（逆向）、褶皺分維指數(shù)、斷層分維修正指數(shù)、巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)、單位涌水量插值5 個(gè)指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 層次分析法富水性評(píng)價(jià)指標(biāo)階梯圖Fig.1 Ladder diagram of water abundance evaluation index of analytic hierarchy process

從所有因素中隨機(jī)抽取2 個(gè)因素進(jìn)行對(duì)比，然后將對(duì)比值建立矩陣式，見(jiàn)表1，通過(guò)計(jì)算判斷矩陣A 的最大特征根λmax，得到該矩陣的特征向量P=（p1，p2，p3，p4，p5） T，p1、p2、p3、p4、p5分別對(duì)應(yīng)5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量。

表1 判斷矩陣A ～B（i=1～5）Table 1 Judging matrix A ～B(i=1 ～5)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，p1=0.35、p2=0.26、p3=0.09、p4=0.15、p5=0.14，λmax=5.04。

把計(jì)算完的5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后將指標(biāo)分成4 個(gè)聚類，通過(guò)求相鄰聚類中心點(diǎn)的平均值，得到5 個(gè)指標(biāo)的局部變權(quán)區(qū)間。

為了使每個(gè)區(qū)間的變化趨勢(shì)都能很好地體現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)分析，在一個(gè)合適的局部狀態(tài)變權(quán)向量里建立數(shù)學(xué)模型[3]，再以指數(shù)形式構(gòu)造出均衡函數(shù)，將主控因素下的歸一化數(shù)值代入數(shù)學(xué)模型中，根據(jù)等值線的疏密程度進(jìn)行富水性分區(qū)，得到基于局部變權(quán)的富水性分區(qū)圖如圖2 所示。

圖2 富水性指數(shù)等值線與富水性分區(qū)Fig.2 Contour of water abundance index and water abundance zoning

由圖2 可看出，一盤區(qū)3 煤的強(qiáng)富水區(qū)主要分布在中西和中北部，而在東南和東北局部則是相對(duì)弱富水區(qū)。通過(guò)分析一盤區(qū)3 煤的井下實(shí)際情況，結(jié)合山西組下段含水層水文地質(zhì)條件的變化，從ZL7 鉆孔向北一直掘進(jìn)，發(fā)現(xiàn)山西組下段含水層富水性逐漸減弱，證實(shí)了一盤區(qū)山西組下段含水層富水性分區(qū)的一致性。

3 疏放水方案研究

3.1 工作面掘進(jìn)期間疏放水方案

工作面掘進(jìn)期間，礦井主要充水通道是巷道圍巖松動(dòng)裂隙，放水期間FS0 鉆孔水量最大為1.5 m3/h，G1 鉆孔水量最大為24 m3/h，短時(shí)間內(nèi)水量穩(wěn)定（6 h），鉆孔單孔水量較大且難衰減，說(shuō)明3煤間頂板山西組K3含水層富水性較強(qiáng)。

基于巖層中水壓?jiǎn)栴}，直接影響鉆孔超前距與幫距的長(zhǎng)度，在經(jīng)過(guò)兩次更換探水孔直徑后，采用二級(jí)結(jié)構(gòu)，即開(kāi)孔時(shí)選用合金鋼鉆頭鉆進(jìn)，直徑為94 mm；再更換止水套管下入，直徑為76 mm；最后鉆進(jìn)孔徑56 mm 的至終孔，鉆孔結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在探放水過(guò)程中，還需考慮煤層地質(zhì)構(gòu)造因素，例如1 ～2 煤層中含有泥巖，遇水會(huì)發(fā)生泥化、膨脹等現(xiàn)象，直接造成鉆孔塌孔或堵孔，因此在施工過(guò)程中，為防止出現(xiàn)此類現(xiàn)象，可根據(jù)具體情況，對(duì)泥巖段下設(shè)套管或適當(dāng)增加止水套管的長(zhǎng)度。若巖石裂隙比較發(fā)育時(shí)，可適當(dāng)加長(zhǎng)孔口管的長(zhǎng)度，依情況而定。下入孔口管后，需連接同直徑的壓蓋和注漿管路，并用注漿泵壓入水泥漿液進(jìn)行凝固，水泥漿液需提前計(jì)算好量，注入后至少靜置24 h 方可凝固。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Drilling hole structure

鉆孔位置一般選在鉆窩中心線左右，鉆孔終孔到巷道頂板的垂直距離為15 m。透孔后要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，要求水壓不小于靜水壓值的1.5 倍。截止2021 年8 月初，8117 工作面共計(jì)實(shí)施了15 個(gè)長(zhǎng)度為350 ～500 m 的鉆探放水鉆孔，還配有瞬變電磁超前探測(cè)以便于安全掘進(jìn)，步距為80 m。通過(guò)兩探結(jié)合，超前探放，當(dāng)掘進(jìn)頭推進(jìn)至探水線位置時(shí)，立刻停止掘進(jìn)，執(zhí)行探放水工作。目前，8117工作面長(zhǎng)距離定向鉆孔疏放水量累計(jì)達(dá)700 萬(wàn)m3，觀測(cè)孔水壓不超過(guò)0.51 MPa，說(shuō)明疏放水方案切實(shí)可行，保證了掘進(jìn)工作安全進(jìn)行。

3.2 工作面回采期間疏放水方案

工作面回采期間，礦井主要充水水源為山西組下段含水層，局部區(qū)域3 煤頂板山西組K3砂巖含水層，也成為工作面回采的充水水源。在回采前，需進(jìn)行頂板水疏放，一方面疏放其頂板含水層的靜儲(chǔ)量，另一方面有效降低其含水層的水位，但是由于工作面回采不可避免的會(huì)破壞其頂板含水層，導(dǎo)致回采過(guò)程中涌水量的增大。

鉆場(chǎng)間距按照不同的位置分為2 種，一種是在切眼附近，鉆場(chǎng)的間距設(shè)置為150 m；另一種是在工作面中部區(qū)域或靠近停采線區(qū)域，鉆場(chǎng)間隔為200 m。每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)5 個(gè)鉆孔，分別是1 個(gè)垂直于巷道頂板的疏放水鉆孔，平距為150 m；2 個(gè)沿巷道方向的頂板水疏放鉆孔，平距為90 m；2 個(gè)與巷道夾角為60°，平距為150 m 的頂板水疏放鉆孔。

4 效果分析

4.1 鉆探工程

在8117 工作面機(jī)巷施工6 個(gè)鉆場(chǎng)、26 個(gè)鉆孔，輔運(yùn)巷施工9 個(gè)鉆場(chǎng)、51 個(gè)鉆孔，風(fēng)巷施工10 個(gè)鉆場(chǎng)、45 個(gè)鉆孔，切眼施工2 個(gè)鉆場(chǎng)、13 個(gè)鉆孔，鉆探總工程量為19 793 m。由于回采期間產(chǎn)生裂隙水會(huì)直接滲入到頂板山西組下段砂巖含水層，導(dǎo)致頂板水滲透嚴(yán)重，工作面周圍及內(nèi)部斷層，由于落差較小，對(duì)工作面的影響可忽略不計(jì)。

4.2 數(shù)據(jù)分析

8117 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2 377 m，傾向長(zhǎng)度240 m，頂板含水層疏放后的殘余水頭最大為0.4 MPa，根據(jù)馬脊梁礦防水工程設(shè)計(jì)，得到工作面頂板含水層總靜儲(chǔ)量為385.52 萬(wàn)m3，工作面動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為457.30 m3/h。

4.2.1 頂板水疏放總量變化分析

8117 工作面頂板水疏放總量從2020 年9 月初開(kāi)始，呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，由1 m3/h 逐漸增大至328 m3/h，后又逐漸衰減，截至2022 年4 月下旬，涌水量基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，約176.3 m3/h，頂板水疏放量如圖4 所示。

圖4 工作面頂板水疏放量歷時(shí)曲線圖Fig.4 Duration curve of working face roof water drainage

由圖4 分析可知，8117 工作面頂板水疏放總量變化主要與新施工疏放水鉆孔有關(guān)，尤其是當(dāng)疏放水鉆孔水量較大時(shí)，總涌水量曲線也會(huì)隨之發(fā)生起伏。

4.2.2 各巷道水量變化分析

8117 工作面輔運(yùn)巷施工4 個(gè)鉆場(chǎng)，26 個(gè)鉆孔，機(jī)巷施工8 個(gè)鉆場(chǎng)，49 個(gè)鉆孔，風(fēng)巷施工11 個(gè)鉆場(chǎng)，42 個(gè)鉆孔。機(jī)輔巷頂板水疏放量由最開(kāi)始的16 m3/h 逐漸增大至281 m3/h，后又逐漸減少至110 m3/h，并呈現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。由于疏放水鉆孔的增加，疏放水量也在不斷加大，頂板含水層的靜儲(chǔ)量也會(huì)隨著新鉆孔的增加不斷被疏放，疏放水量由大變小直至呈穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明疏放水鉆孔的增加可以有效疏放機(jī)輔巷和風(fēng)巷頂板含水層的靜儲(chǔ)量。

4.2.3 各鉆場(chǎng)水量變化分析

8117 工作面機(jī)巷施工8 個(gè)鉆場(chǎng)，輔運(yùn)巷施工4個(gè)鉆場(chǎng)，位于16 和17 勘探線之間，其中FY13、FY14 和FY15 鉆場(chǎng)的疏放水量分別為101、108、和89 m3/h，接近峰值，在巷道掘進(jìn)期間，這部分的頂板含水層富水性較強(qiáng)，淋水量較大。8117 工作面風(fēng)巷共施工了11 個(gè)鉆場(chǎng)，位于16 和18 勘探線之間，其中疏放水量較大的鉆場(chǎng)有F0702、F0703、F0706 和F0709，疏放水量分別為28 m3/h、30 m3/h、38 m3/h 和36 m3/h，在巷道掘進(jìn)期間，由于這個(gè)區(qū)域的疏放水量接近峰值，因此淋水量也大，再加之機(jī)輔巷在16 和17 勘探線之間疏放水鉆孔的水量也不小，說(shuō)明這個(gè)區(qū)域頂板含水層有較強(qiáng)的富水性。

4.2.4 各鉆孔水量變化分析

8117 工作面機(jī)輔巷共施工12 個(gè)鉆場(chǎng)，75 個(gè)鉆孔，其 中FY7-1、FY12-2、FY13-3、FY14-5、FY15-6、FY16-8 的峰值疏放水量分別為30、31、33、35、35、40 m3/h。所有疏放水鉆孔水量會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，當(dāng)疏放時(shí)間越長(zhǎng)，鉆孔的疏放水量就越少。8117 工作面風(fēng)巷共施工11 個(gè)鉆場(chǎng)，42 個(gè)鉆孔，其中F0702-2、F0703-2、F0704-1、F0705-3、機(jī)動(dòng)孔JD2 的峰值疏放水量分別為10、12、14、16、20 m3/h。同樣所有疏放水鉆孔水量均會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減少。切眼共施工2 個(gè)鉆場(chǎng)，13 個(gè)鉆孔，各鉆孔水量相較于機(jī)輔巷和風(fēng)巷略小?？傊?，絕大部分疏放水鉆孔水量會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減少，呈下滑狀態(tài)。

4.2.5 各鉆孔水量衰減情況

疏放水鉆孔對(duì)含水層地下水的疏放效果可通過(guò)鉆孔水量的衰減情況反映出來(lái)，衰減率=（初始水量- 最終水量） /初始水量，可以看出衰減率越大，表明對(duì)含水層靜儲(chǔ)量的疏放效果越好。以水量大于3 m3/h 的鉆孔為例，8117 工作面共135 個(gè)頂板水疏放鉆孔，其中有73 個(gè)鉆孔的水量均超過(guò)3 m3/h，觀察這73 個(gè)鉆孔的疏放情況，為期一年半，發(fā)現(xiàn)這73 個(gè)鉆孔水量的衰減率約為75%，說(shuō)明這些鉆孔可以達(dá)到疏放8117 工作面頂板含水層靜儲(chǔ)量的目的。

4.2.6 各鉆孔水量穩(wěn)定情況

疏放水鉆孔水量能否影響含水層地下水的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，可根據(jù)鉆孔水量的穩(wěn)定情況來(lái)判斷?，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)了8117 工作面的水量穩(wěn)定情況，如圖5 所示，共有135 個(gè)疏放水鉆孔，其中有130 個(gè)鉆孔能達(dá)到20 d 的水量穩(wěn)定，124 個(gè)鉆孔可以達(dá)到30 d 水量穩(wěn)定，119 個(gè)鉆孔能達(dá)到60 d 水量穩(wěn)定，108 個(gè)鉆孔水量穩(wěn)定時(shí)間可持續(xù)90 d。這就說(shuō)明絕大多數(shù)鉆孔的水量已經(jīng)可以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定狀態(tài)，為含水層靜儲(chǔ)量的疏放創(chuàng)造了有利條件。

圖5 鉆孔水量穩(wěn)定時(shí)間與鉆孔個(gè)數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between the stability time of drilling hole water volume and the number of drilling holes

4.3 效果驗(yàn)證

8117 工作面共135 個(gè)頂板水疏放鉆孔，其中有73 個(gè)鉆孔的水量均超過(guò)3 m3/h，觀察這73 個(gè)鉆孔的疏放情況，為期一年半，發(fā)現(xiàn)這73 個(gè)鉆孔水量的衰減率約為75%；8117 工作面135 個(gè)疏放水鉆孔的水量穩(wěn)定情況，其中有130 個(gè)鉆孔能達(dá)到20 d 的水量穩(wěn)定，124 個(gè)鉆孔可以達(dá)到30 d 水量穩(wěn)定，119 個(gè)鉆孔能達(dá)到60 d 水量穩(wěn)定，108 個(gè)鉆孔水量穩(wěn)定時(shí)間可持續(xù)90 d；截至2021 年4 月下旬，頂板含水層的疏放水總量為503.8 萬(wàn)m3，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為357.27 m3/h，疏放水殘余水量為296.5 m3/h。

綜上所述，8117 工作面頂板水疏放達(dá)到了預(yù)期效果，含水層靜儲(chǔ)量得到了有效疏放，保障了工作面安全回采。

5 結(jié) 論

（1） 對(duì)一盤區(qū)3 煤頂板山西組下段含水層進(jìn)行了富水性分區(qū)，總體上盤區(qū)東北、東南部富水性較強(qiáng)，西北和西南部富水性較弱，在此基礎(chǔ)上制定了8117 工作面采掘及回采期間頂板疏放水技術(shù)方案。

（2） 綜合分析8117 工作面采掘期間頂板疏放水技術(shù)方案及效果驗(yàn)證，結(jié)果顯示，鉆孔水量的衰減率約為75%，頂板含水層的疏放水總量為503.8萬(wàn)m3，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為357.27 m3/h，疏放水殘余水量為296.5 m3/h，達(dá)到了預(yù)期效果，含水層靜儲(chǔ)量得到了有效疏放。