巨厚砂巖含水層綜放開采防治水技術研究與應用

翟武杰，第偉偉

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 712000)

隨著煤礦開采技術的不斷進步，開采規模和開采強度不斷增大，帶來了一系列災害防治問題，尤其是沖擊地壓、瓦斯、水害等災害的復雜性顯得尤為突出。煤礦水害作為礦井主要災害之一，可分為底板高承壓巖溶水、頂板砂巖及其松散層孔隙水、采空區水與地表水等4種類型[1]。我國中西部地區煤礦開采中，煤層埋藏深、煤層厚度大、開采強度大，頂板砂巖含水層富水性強，采用綜放開采技術對上覆含水層結構破壞較為劇烈?！丁叭隆遍_采規程》中的計算導水裂隙帶發育的經驗公式主要針對采厚小于3 m、累計采厚小于15 m的分層開采工藝，但在中西部地區一次采厚往往可達10 m以上，很難通過經驗公式獲得較為可信的計算結果[2]?；诖?，陜西彬長孟村礦為準確評價頂板含水層對礦井安全開采的影響程度，摸清工作面回采對上覆巖層導水裂隙帶、垮落帶高度及其發育程度的影響規律，采取地面鉆孔鉆液漏失量觀測法、鉆孔測井法和鉆孔彩色電視窺視法綜合確定401101綜放工作面“兩帶”發育高度，并依據該規律指導401102綜放工作面開展防治水工作。

1 礦井概況

孟村煤礦位于陜西省咸陽市彬長礦區中西部，孟村井田位于陜西省黃隴侏羅紀煤田彬長礦區中西部，屬鄂爾多斯盆地內涇河-馬蓮河二級地下水系統，礦井設計生產能力為600萬t/a，4號煤層為井田唯一可采煤層，平均厚度為16.25 m，煤層結構簡單，平均傾角3°，采用分層綜采放頂煤工藝、走向長壁式采煤方法，全部垮落法管理頂板，采放比為1∶3.5，割煤高度為3.5 m，平均放煤高度為12.4 m，平均采厚為15.9 m，礦井開采的401102工作面為401盤區第2個工作面，預測回采期間工作面正常涌水量640 m3/h，最大涌水量800 m3/h。

2 水文地質情況

2.1 含水層情況

4號煤層頂板直接充水含水層為侏羅系中統直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅵ)和侏羅系中統延安組煤層及其頂板砂巖含水層(Ⅶ)，直羅組單位涌水量0.002 6 L/(s·m)、滲透系數0.016 4 m/d，延安組單位涌水量0.000 577 L/(s·m)、滲透系數0.001 15 m/d，其埋藏深而裂隙不甚發育，補給來源單一、導水性差、逕流滯緩、富水性弱、水量小，對工作面開采威脅不大。4號煤層頂板間接充水含水層為白堊系下統洛河組砂巖孔隙潛水含水層(Ⅳ)和白堊系下統宜君組礫巖裂隙含水層(Ⅴ)，宜君組單位涌水量0.008 8～0.220 6 L/(s·m)、滲透系數0.020～0.861 m/d，洛河組單位涌水量0.018 2～0.748 4 L/(s·m)、滲透系數0.128 9～0.156 9 m/d，洛河組砂巖含水層分布廣、厚度大、富水性中等-強、水量大，受工作面推采長度影響，將通過裂隙帶進入工作面，造成較大突水，對工作面開采存在較大威脅，見圖1。

圖1 礦井主要含隔水層與主采煤層上下位置關系圖(m)

2.2 “兩帶”發育高度

根據工作面含水層特征，上覆含水層水將主要通過煤層采動所形成的裂隙帶涌入工作面，裂隙帶高度與煤層頂板巖體工程地質性質、煤層采厚、采煤方法、頂板管理方法密切相關[3]。導水裂縫帶高度的確定方法有實際探測法、理論計算和經驗公式計算法[4]。理論計算主要是建立在固體力學基礎上的解析法和數值法；經驗公式法是在分析判斷煤層覆巖結構類型基礎上，利用“三下”規程中所列公式進行計算。鑒于頂板覆巖破壞發育高度影響因素的復雜性，不同礦區的地質、水文地質、開采條件均有不同，頂板導水裂縫帶、垮落帶發育規律應以本礦區實測資料為準，結合其他方法進行綜合判定[5]。

現場實測方法是確定導水裂縫帶高度的主要途徑，其他方法為輔助手段進行補充驗證。目前應用較成熟的現場探測方法主要有：地面鉆液法、注水試驗法、高密度電阻率法、超聲成像法、聲波CT層析成像法、鉆測井法、鉆孔電視法、水位觀測法等[6-7]。根據現場探查條件，該礦通過地面鉆孔鉆液漏失量觀測法及鉆孔測井法和鉆孔彩色電視窺視法進行導水裂縫帶、垮落帶發育高度的綜合確定。401101工作面4號煤層頂板導水裂縫帶最大高度288.68 m(洛河組地層)，最大裂高采厚比為18.58。結合401102工作面回采煤層厚度13～17 m，預計401102工作面因采動形成的裂隙將達到260.12～315.86 m[8]。

3 防治水設計

3.1 總體思路

針對401102工作面水文地質條件變化及預測涌水量，同時參照401101工作面回采期間防治水經驗，主要采取“探、防、疏、排、監”綜合措施?！疤健敝傅氖窃诠ぷ髅婊夭汕皩?01102工作面回采區域開展頂板直流電法勘探，圈定富水異常區；“防”指的是與臨近采空區之間設置區段隔水煤柱，防止老空水影響工作面回采；“疏”指的是對圈定的富水異常區開展鉆探疏放水驗證工作；“排”指的是建立可靠的排水系統，通過設置大管徑排水管路、大尺寸排水溝與大容量水倉，確保工作面排水系統滿足涌水量需要。

3.2 超前探查

為探明401102工作面開采范圍內煤巖層富水性，該礦應用高分辨直流電法勘探技術，在工作面運順、回順與切眼范圍頂板施工鉆孔432個，等間隔10 m，每孔深250～400 mm布置，共采集3 124個數據，控制工作面頂板上方20～160 m巖層層段，共發現5處立體電性低阻異常體，自西向東(切眼至停采線方向)依次命名為A、B、C、D和E異常，見表1和圖2。

表1 401102富水異常區分布特征

圖2 401102工作面頂板直流電法探測異常立體圖

3.3 頂板預疏放

針對頂板直流電法勘探圈定的富水異常區，在401102工作面施工頂板疏放水鉆孔對物探異常區進行探查、驗證及頂板水預疏放，物探異常區驗證鉆孔主要進行直羅組、宜君組含水層富水異常區驗證疏放，同時兼顧直羅組底部和延安組內部異常區的探查與疏放，對洛河組下段含水層，后期回采期間將主要以排為主。根據富水異常區分布情況，在工作面兩巷道均進行鉆孔施工，運順布設鉆孔6個(T1～T6)，回順布設探查鉆孔3個(T7～T9)，共布設鉆孔9個，鉆探總進尺約1 160 m。鉆孔結構設計為一次變徑，一開鉆孔D153 mm鉆進至孔深22 m，下D108 mm套管，注漿固孔，做耐壓試驗(壓力為6 MPa)，二開鉆孔D75 mm鉆進至終孔。通過施工期間涌水量觀測，除T7鉆孔涌水量為2 m3/h外，其余鉆孔水量均小于0.5 m3/h，見表2。

表2 401102工作面疏放水鉆孔施工參數

3.4 排水設計

401102工作面回采區域主要為俯采，且在切眼至1 146 m范圍內回順側高于運順側，1 146 m至停采線范圍運順側高于回順側，根據401102工作面巷道起伏變化，對該工作面分段設計排水方案。工作面切眼至1 146 m范圍涌水流向運順側，因此在運順側施工800 mm×600 mm大水溝，利用401103回順側作為401102工作面泄水巷，在泄水巷最低點535 m處設置容量為70 m3的集中排水點，配備6臺流量為500 m3/h的水泵，敷設3趟D325 mm排水管路至401盤區水倉。工作面1 146 m至停采線范圍涌水流向回順側，因此在回順側施工800 m×600 m大水溝，通過水溝工作面涌水自流至401102回順側3號聯巷，在401102回順側(3號聯巷以東)煤壁側設置容量為2個60 m3的水倉。兩水倉交替使用，分別配備6臺500 m3/h水泵，敷設3趟D325 mm排水管路至401盤區水倉。

3.5 防水閘墻

由于401102工作面前1 146 m回采期間，401103回順側兼做泄水巷，為防止采空水對401103工作面影響，設計在兩處泄水聯巷處施工防水閘墻，分別壓設D325 mm排水管路3趟，均安設閘閥，墻體厚度為6.5 m，采用“0.5 m預制塊墻體+1.0 m黃土墻+0.5 m預制塊墻體+4 m混凝土澆筑墻+0.5 m預制塊墻體”的復合結構，為保證墻體與煤體周圍密實，分別在頂部設置6個注漿孔、兩幫設置9個注漿孔，對墻體進行注漿加固，見圖3和圖4。

圖3 防水閘墻平面布置示意

3.6 水文監測

孟村礦安裝有KJ1049型煤礦水文動態監測系統，該系統由水文監測主機、煤礦水文監測系統V19.0(軟件)、KJ1049-YDJ水文遙測分站(地面)、KJ1049-F礦用本安型水文監測分站(井下)及各種水文傳感器組成，可監測水位、水壓、水溫和水流量等有關水文的多個觀測參數，通過水文遙測分站+傳感器組合形式可將地面采集到的地面水文長觀孔數據、河流流量數據、明渠流量數據、降雨量數據等各種水文實時數據，使用GPRS網實時傳輸到水文監測主機；通過井下水文監測分站+工業以太網/專線可將采集到的井下水文長觀孔數據、明渠流量數據、管道壓力數據、管道流量數據等各種水文實時數據傳輸、處理并存儲到水文信息數據庫中。該礦井地面設置監測點位5個，主要對洛河組含水層水位、水溫等變化情況進行實時監測；井下安設水位監測儀6套、管道流量監測儀9套、明渠流量監測儀1套，涵蓋中央水倉、401盤區水倉及401盤區各排水點，可實現水位、水溫、管道流量等數據實時在線監測，地面水文觀測孔水位及工作面涌水量隨回采的變化情況見圖5和圖6。

圖4 防水閘墻剖面布置示意

圖5 水文孔水位隨工作面回采變化曲線圖

圖6 工作面涌水量隨工作面回采變化曲線圖

通過水文觀測孔水位變化及工作面水量水質變化分析，工作面涌水量與頂板洛河組含水層直接相關，工作面涌水可分為3個時期：Ⅰ段(平緩上升期)工作面推采0～120 m，工作面涌水，導水裂隙逐步向頂部含水層發育，工作面涌水礦化度與延安組接近，鉆孔水位主要受地表涌水影響；Ⅱ段(上升期)工作面推采120～1 000 m，鉆孔水位明顯下降，導水裂隙發育至洛河組砂巖含水層，并在洛河組砂巖中繼續發育，工作面涌水礦化度分析與洛河組含水層相近；Ⅲ段(穩定期)工作面推采1 000 m以后，鉆孔水位趨于穩定，導水裂隙已貫穿洛河組或發育至最大高度，工作面涌水趨于穩定。

4 結 語

本文以彬長孟村礦為例，對上覆巨厚砂巖含水層在特厚煤層綜放開采技術條件下的防治水技術進行了詳細說明，采取地面鉆孔鉆液漏失量觀測法、鉆孔測井法和鉆孔彩色電視窺視法綜合確定了401101綜放工作面“兩帶”發育高度，對工作面涌水量變化規律進行了分析，并結合臨近工作面防治水經驗，采取“探、防、疏、排、監”綜合防治水措施，為類似條件礦井防治水工作提供了參考依據。