地面直通式泄水孔在煤礦離層水防治中的應(yīng)用

段立強(qiáng)，胡上峰，馬少華，浦靜怡，徐 靜

（1.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西煤田地質(zhì)化驗(yàn)測(cè)試有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

近年來的研究將采后覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分為冒落帶、裂隙帶，彎曲下沉帶［1-3］。其中，冒落帶及裂隙帶統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶，導(dǎo)水裂隙帶之上彎曲帶底部的巖層被重新劃為離層帶［4-7］，文章以寶雞崔木煤礦為例，對(duì)地面直通式泄水孔在煤礦離層水防治中的應(yīng)用施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，以期為頂板離層水害防治提供一定的借鑒。

1 工程背景

1.1 煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)

崔木煤礦開采侏羅系延安組3煤，上覆地層自下而上為侏羅系直羅組、安定組、白堊系宜君組、洛河組及第四系松散層。白堊系宜君組分布不均，3煤頂板至洛河組底界距離平均為180 m，安定組平均厚度110 m，直羅組平均厚度25 m。3煤頂板至洛河組底界主要巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，滲透率低，屬富水性微弱含水層，認(rèn)定為相對(duì)隔水層。白堊系洛河組主要巖性為礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖，滲透率相對(duì)較高，屬富水性弱含水層，認(rèn)定為承壓含水層，采后覆巖隨工作面回采結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采后覆巖隨工作面回采結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 離層發(fā)育

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度：崔木煤礦實(shí)測(cè)的裂采比為15.7，開采平均厚度10 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為157 m。3煤頂板距洛河底界為180 m，因此導(dǎo)水裂隙帶最高點(diǎn)距離洛河組底界23 m，未及洛河含水層。但崔木煤礦數(shù)次涌突水水質(zhì)均為洛河組水質(zhì)成分，且瞬間涌水量大，說明洛河組底界有離層空間發(fā)育并形成離層積水。對(duì)3煤開采后覆巖破壞數(shù)值模擬也顯示洛河組底部離層空間，如圖2所示。

離層空間發(fā)育位置：頂板離層是采后覆巖沉降過程中各層位之間因黏聚力及彈性模量不一致而產(chǎn)生的分離現(xiàn)象。普遍存在于各類采場(chǎng)覆巖中。但冒落帶、裂隙帶中離層發(fā)育時(shí)間間斷且隨覆巖沉降容易被壓實(shí)閉合。彎曲帶中離層一般發(fā)育范圍大，時(shí)間長。

圖2 洛河組底界離層模擬結(jié)果

離層空間積水及水害的發(fā)生：離層空間上覆洛河組為弱富水含水層，在離層空間發(fā)育的過程中，能夠通過裂隙、空隙向離層空間補(bǔ)水。洛河組承壓含水層是主要的離層空間補(bǔ)水水源。離層發(fā)育過程中導(dǎo)水裂隙帶高度也隨之增大，離層空間水壓及上覆巖層擠壓應(yīng)力大于導(dǎo)水裂隙帶上部相對(duì)隔水層（平均厚度23 m）極限破壞應(yīng)力后，相對(duì)隔水層裂隙發(fā)育，離層空間積水沿裂隙瞬時(shí)涌入礦井，形成離層水害。離層水害具有瞬間突水量大、突水特征不明顯、危害大的特點(diǎn)。

2 導(dǎo)水裂隙帶隨工作面回采的變化規(guī)律

工作面回采過程中覆巖導(dǎo)水裂隙帶逐漸向上發(fā)育［8-10］?；夭删嚯x增加的過程是導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育的過程，也是離層空間逐漸增大的過程，如圖3所示。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至關(guān)鍵層后，由于離層空間上覆巖梁支撐，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)向上發(fā)育，如圖4所示。

圖3 導(dǎo)水裂隙帶離層隨回采距離的變化關(guān)系

以崔木煤礦采后覆巖變化為例，隨著工作面回采的不斷推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶先后發(fā)育在侏羅系延安組、直羅組、安定組直至洛河組底部離層空間。受離層空間上覆洛河組巖梁影響，短距離內(nèi)不再向上發(fā)育。工作面繼續(xù)回采，前期形成的導(dǎo)水裂隙帶受到覆巖的擠壓作用逐漸壓實(shí)，安定組泥巖水化軟化，使得受煤層采場(chǎng)擾動(dòng)的導(dǎo)水裂隙帶閉合，重新膠結(jié)恢復(fù)隔水性能。

圖4 巖梁阻止導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育

崔木煤礦21301工作面走向長度968 m，切眼長度205.5 m，煤層平均采厚10 m。工作面回采過程中發(fā)生數(shù)次涌水事故，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。21301工作面涌水量隨推進(jìn)距離的變化關(guān)系如圖5所示。工作面回采至320 m時(shí)，工作面涌水量瞬間增大，此時(shí)離層空間與采場(chǎng)導(dǎo)水裂隙帶貫通，離層積水瞬間流入礦井，最大涌水量1 300 m3/h。

圖5 21301工作面涌水量隨推進(jìn)距離的變化關(guān)系

3 離層水害防治

3煤頂板至洛河組底界主要巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖，平均層厚180 m。安定組泥巖遇水易坍塌軟化，容易堵塞導(dǎo)水裂隙帶泄水通道，對(duì)于離層水疏放極為不利。采用井下施工探放水孔，因鉆孔為仰孔，當(dāng)鉆進(jìn)安定組泥巖后，鉆孔全部坍塌堵塞，使得泄水通道無法有效形成。在這種特殊的水文地質(zhì)條件下，崔木煤礦采用地面直通式泄水孔疏放離層水，有效防治了頂板離層水害。結(jié)合采空區(qū)離層突水事故的形成原因、特征及常規(guī)防治水方法的種種不足，采用從地面施工大直徑泄水鉆孔，在離層空間未形成或初步形成時(shí)將洛河含水層水通過鉆孔疏放至礦井井底，再通過礦井排水設(shè)備排出。

3.1 地面直通式泄水孔關(guān)鍵技術(shù)

通過地面施工大直徑泄水孔，能夠解決因離層積水導(dǎo)致的采空區(qū)突水事故。該類鉆孔的布孔及施工的質(zhì)量直接影響頂板離層水的防治效果。

泄水孔布孔位置：工作面推采過后，頂板上覆巖層失去重力支撐，“兩帶”及采空區(qū)離層發(fā)育，上部含水層水補(bǔ)給離層空間，離層空間的大小直接影響離層積水水量。理論分析表明，泄水孔應(yīng)施工在離層空間發(fā)育最大縱深范圍內(nèi)，才能保證泄水孔發(fā)揮出最大泄水效果。確定離層空間發(fā)育最大縱深范圍是采用泄水孔防治水的首要問題。近幾年煤礦突水事故的發(fā)生，在一定程度上驗(yàn)證了采空區(qū)離層空間發(fā)育最大縱深應(yīng)在工作面推采過后一定的距離范圍內(nèi)。各礦煤層頂板上覆地層巖性、厚度、強(qiáng)度不一，不能“以偏概全”，各礦離層空間發(fā)育最大縱深范圍只能通過各自的水文地質(zhì)條件及工程地質(zhì)條件予以確定。崔木煤礦21301工作面開采過程中，工作面涌水量在距切眼位置320 m后突然增大。理論分析表明工作面開采至該處后離層空間發(fā)育最大，此時(shí)離層空間下部相對(duì)隔水層難以支撐離層空間水壓，相對(duì)隔水層壓裂破壞產(chǎn)生的裂隙成為離層積水的泄水通道，離層積水瞬時(shí)涌入礦井。假設(shè)上部巖體破斷距分析確定了離層下部巖體極限破斷距為300～350 m，依照離層下部巖體極限破斷距及21301工作面涌水量變化關(guān)系，泄水孔施工布孔位置為工作面中心附近距離切眼位置300 m以內(nèi)。布孔間距隨工作面長度及采高相應(yīng)調(diào)整。

鉆孔的孔深及孔身結(jié)構(gòu)：泄水孔施工孔深依照與采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶貫通為原則。依照近年來施工的泄水孔施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔施工至進(jìn)入安定組70 m之后與導(dǎo)水裂隙帶貫通。泄水孔受工作面推采進(jìn)度影響，工期較長，一般為4～5個(gè)月。鉆孔與采空區(qū)貫通后，孔內(nèi)失去液柱壓力。鉆孔底部受到采后覆巖結(jié)構(gòu)破壞影響，孔壁穩(wěn)定性很難保持。2012年曾施工φ190 mm泄水鉆孔，鉆孔施工至離層，下入φ140 mm篩管成井。成井后，初期泄水效果還能夠達(dá)到要求，但隨著“兩帶”及離層空間的發(fā)育，巖層出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，擠壓孔內(nèi)套管導(dǎo)致泄水通道堵塞；下入鉆孔電視觀測(cè)發(fā)現(xiàn)該處套管嚴(yán)重錯(cuò)動(dòng)，孔內(nèi)泄水通道完全堵塞。因已下入套管，無法通過透孔作業(yè)打開泄水通道。該孔后續(xù)又因持續(xù)積水導(dǎo)致礦底突水事故的發(fā)生。2014年，自21305工作面開始，施工的泄水孔采用第三、四系地層套管固井，基巖段地層裸眼成井的孔身結(jié)構(gòu)施工，已相繼運(yùn)用到5個(gè)（21305、21308、22302、21306、22305）工作面共計(jì)11個(gè)鉆孔，疏放離層水效果明顯。裸眼成井的優(yōu)勢(shì)在于即便孔壁失穩(wěn)、孔內(nèi)坍塌錯(cuò)動(dòng)、泄水通道堵塞，也可采用透孔作業(yè)進(jìn)行疏通，實(shí)現(xiàn)離層不積水的效果。近年來，陜西省一八六煤田地質(zhì)公司相繼采用φ311 mm、φ245 mm、φ215 mm及φ190 mm孔徑成孔。依照礦方提供的各工作面涌水量關(guān)系，確定φ190 mm孔徑為最優(yōu)泄水孔徑。

泄水孔施工工藝：泄水孔成功的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)離層水“未積先排”，未導(dǎo)致離層積水，找出了采空區(qū)發(fā)生突水事故的根本。未積先排，即離層空間開始發(fā)育時(shí)將上覆含水層水通過鉆孔疏放至礦井井底。只有在離層空間未較大形成前將鉆孔施工至離層空間以下，直至與頂板上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通，才能實(shí)現(xiàn)離層水“未積先排”。工作面推采之后，離層、“兩帶”開始發(fā)育。初階段，離層、“兩帶”發(fā)育迅速，極有可能在短時(shí)間內(nèi)形成較大的離層空間積水，因此在不影響礦井工作面正常推采的前提下，必須在短時(shí)間內(nèi)將離層空間與導(dǎo)水裂隙帶貫通泄水。在工作面推采至泄水孔位置以前，首先將泄水孔施工至離層位置，待工作面推采過鉆孔安全距離后，泄水孔繼續(xù)向下施工至裂隙導(dǎo)通。

工作面推采過后，離層發(fā)育在白堊系洛河組與侏羅系安定組交界上下10 m范圍內(nèi)。泄水孔施工工藝具體流程為：在工作面回采至距離鉆孔位置50 m前完成離層上部洛河組孔段施工，待工作面回采過鉆孔30 m后，在保證工作面安全生產(chǎn)前提下，迅速向下施工至與導(dǎo)水裂隙帶貫通泄水。

3.2 地面直通式泄水孔施工難點(diǎn)及解決方案

泄水鉆孔在采空區(qū)施工，“兩帶”發(fā)育豐富，施工過程中必然會(huì)出現(xiàn)鉆孔漏失、孔壁失穩(wěn)，孔內(nèi)地層錯(cuò)動(dòng)變形，坍塌，空洞發(fā)育等復(fù)雜情況。因此，泄水孔施工難度巨大。采后地層變形坍塌如圖6所示，采后離層空間發(fā)育如圖7所示。

漏失破碎地層鉆進(jìn)：鉆孔漏失會(huì)導(dǎo)致巖粉無法返出，大量巖屑沉積在孔內(nèi)容易造成埋鉆事故。長時(shí)間頂漏鉆進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)極大，極有可能出現(xiàn)塌孔。地層錯(cuò)動(dòng)變形破碎，孔內(nèi)坍塌，鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)掉塊卡鉆，坍塌埋鉆等孔內(nèi)事故，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。漏失破碎地層采用頂漏鉆進(jìn)方法，為防止沉砂埋鉆事故發(fā)生，頂漏鉆進(jìn)采用大比重、高粘度泥漿。巖屑懸浮于大比重泥漿之中沿地層裂隙漏失到地層當(dāng)中。該方法取得了良好的效果，21305工作面1#孔頂漏鉆進(jìn)90 m后，鉆具探底顯示沉砂僅0.5 m。

圖6 采后地層變形坍塌

圖7 采后離層空間發(fā)育情況

漏失破碎地層封孔：泄水完畢后，地層裂隙、空洞發(fā)育非常豐富。采用常規(guī)辦法水泥漿封孔，水泥漿會(huì)沿著地層裂隙漏失，嚴(yán)重浪費(fèi)材料，幾乎是徒勞無功。泄水孔封孔前應(yīng)進(jìn)行鉆孔電視窺視工作，查明導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，離層空間發(fā)育位置及高度。針對(duì)泄水孔形成的大裂隙、空洞，應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)情況確定封孔方案，可采用水泥-水玻璃雙液注漿工藝進(jìn)行封堵，待封孔至裂隙帶以上后再采用常規(guī)水泥漿封孔。大裂隙漏失地層往往需進(jìn)行數(shù)次封孔，應(yīng)根據(jù)上次封孔實(shí)際效果確定本次水泥漿用量，直至封孔合格。

3.3 頂板離層水防治效果

崔木煤礦采用地面直通式泄水孔防治離層水后，工作面再未出現(xiàn)過較大的涌水現(xiàn)象。現(xiàn)已應(yīng)用了5個(gè)工作面，工作面最大涌水量為21306工作面距切眼600 m處，單位涌水量120 m3/h。其余各工作面出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，水量均不超過50 m3/h。相比21301工作面最大涌水量1 300 m3/h，涌水量顯著減少，防治措施有效減小了離層水害。

4 結(jié)論

（1）崔木煤礦工作面開采過后離層主要發(fā)育在洛河組底界與安定組軟巖界面之間，洛河組含水層為離層補(bǔ)水水源。

（2）21301工作面和21302工作面開采期間瞬間最大涌水量1 300 m3/h，且涌水水質(zhì)為洛河組含水層水質(zhì)，說明洛河組底界離層水的存在及危害。

（3）離層空間不能與下部導(dǎo)水裂隙帶貫通，持續(xù)充水導(dǎo)致離層空間積水。

（4）針對(duì)離層發(fā)育在厚泥巖上方，無法與導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通，設(shè)計(jì)地面直通式泄水孔對(duì)離層水進(jìn)行疏放，該方法取得了良好的效果。

（5）結(jié)合礦井生產(chǎn)對(duì)泄水孔的要求，泄水孔具有時(shí)效性，嚴(yán)格控制進(jìn)度是該孔成敗的關(guān)鍵之一。

（6）地面直通式泄水孔雖然施工難度巨大，但通過科學(xué)合理的施工工藝，完全能夠滿足離層水防治的需要。