向斜軸部煤層頂板水疏放效果定量化評價

姬亞東，黃 歡

（1．中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2．陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安710077）

大南湖煤田區(qū)域大地構(gòu)造單元屬北天山地槽褶皺帶，有北天山地槽褶皺帶、塔里木臺緣隆起2 大構(gòu)造單元；北天山地槽褶皺帶又劃分為3 個次一級構(gòu)造單元，自北而南依次為巴里坤復(fù)背斜（博格達(dá)-哈爾里克塔格復(fù)背斜）、吐魯番-哈密山間坳陷（吐哈盆地）、覺羅塔格復(fù)背斜[1-2]。大南湖一礦屬于吐哈盆地東端南緣大南湖盆緣坳陷的一部分，北依沙爾湖隆起帶，南以F1斷層與覺羅塔格復(fù)背斜相鄰。礦井構(gòu)造較簡單，為1 組走向近東西的寬緩褶曲。深部煤層構(gòu)造主要為一向斜構(gòu)造，即南湖向斜；南北二側(cè)與之相毗鄰的為寬緩的南湖背斜和南湖南背斜。礦井當(dāng)前開采3#煤層，煤層上方沉積分布有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積洪積透水不含水含水層、侏羅系中統(tǒng)頭屯河組含水層、侏羅系中統(tǒng)西山窯組上段含水層[3]。由于1303 工作面回采前未進(jìn)行頂板水疏放，回采至向斜軸部區(qū)域時，涌水量達(dá)到270 m3/h，造成工作面被淹。因此，針對該頂板水害預(yù)防，礦井主要采用超前預(yù)疏放的方式進(jìn)行防治[4-5]。為此以大南湖一礦1305 工作面疏放水為研究對象，對疏放水效果進(jìn)行定量化評價，避免以往定性分析造成的過度疏放，以減少礦井疏放水成本，指導(dǎo)頂板水超前預(yù)疏放。

1 工作面概況

1.1 1305工作面基本情況

1305 工作面寬約238 m，長約2 439 m，工作面開采3 煤，3 煤總厚9.5～10.2 m，平均約9.8 m，煤層傾角6°～15°，平均10°。

1305 工作面整體為一寬緩的向斜構(gòu)造，即南湖向斜。輔助巷西翼較陡，走向坡度平均為9°，切眼附近沿掘進(jìn)方向坡度可達(dá)13°，向斜幅度83 m，東翼相對較緩，走向坡度平均為2.5°，向斜幅度42 m。運(yùn)輸巷西翼總體走向為220°，傾向為130°；東翼總體走向為285°，傾向為195°，工作面向斜軸部示意圖如圖1。

1.2 1305工作面水文地質(zhì)特征

1305 工作面開采3#煤層，3#煤層上方沉積分布有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積洪積透水不含水含水層、侏羅系中統(tǒng)頭屯河組含水層、侏羅系中統(tǒng)西山窯組上段含水層。第四系風(fēng)積-洪積層不具儲水條件，但透水性較好，為透水不含水層。頭屯河組含水層分布面積相對較小，水位埋深較大，可視為透水不含水層。西山窯組上段含水層組在井田內(nèi)廣泛出露，其組成巖層多為粉砂巖、泥巖、局部夾粗砂巖及礫巖，一般厚度150 m，其中含水層累計厚度29.58 m；據(jù)抽水試驗揭示，該含水層單位涌水量為0.039 98～0.050 22 L（/s·m），滲透系數(shù)0.203 4～0.208 4 m/d，富水性較弱。1305 工作面西山窯組上段含水層厚度等值線圖如圖2。

根據(jù)鉆孔揭露數(shù)據(jù)可知，1305 工作面范圍3#煤層距上覆西山窯組上段含水層底部約80～110 m，其中在向斜軸部區(qū)域約100～110 m；西山窯組上段含水層厚度約10～35 m，在向斜軸部區(qū)域含水層厚度約15～25 m。大南湖一礦觀測3#煤采后“兩帶”高度及覆巖破壞特征在工作面傾向、走向上的分布形態(tài)可知，3#煤裂采比約15.9 倍。因此，1305 工作面煤層開采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為156 m，將溝通至上覆西山窯組上段含水層，含水層水將涌入工作面，成為1305 工作面開采的主要充水水源。

2 工作面頂板水疏放

鑒于工作面中部位于向斜軸部區(qū)域，回采時西山組上段含水層水涌入工作面，可能影響安全生產(chǎn)，尤其是回采至向斜軸部區(qū)域。因此，需對工作面頂板水進(jìn)行疏放，以疏放靜儲量為主，消減頂板周期性垮落，特別是初始垮落時峰值涌水量，從而實現(xiàn)工作面回采涌水量平穩(wěn)泄出。

2.1 疏放水鉆孔設(shè)計

1305 工作面為向斜構(gòu)造，上下巷疏放水鉆孔布置以軸部區(qū)域為中心600 m 范圍內(nèi)施工鉆孔，向斜兩翼區(qū)域依據(jù)瞬變電磁成果，針對富水異常區(qū)進(jìn)行重點探放。

為有效疏放西山窯組上段含水層水，在1305 工作面輔運(yùn)巷施工16 個鉆孔，1305 工作面運(yùn)輸巷及1307 工作面輔助巷施工15 個鉆孔，共計31 個鉆孔。鉆孔深度約105～120 m，傾角約75°～85°。

2.2 頂板水疏放

1305 工作面疏放水鉆孔出水點深度約64～111 m，而在1305 工作面范圍內(nèi)侏羅系中統(tǒng)西山窯組上段含水層距3#煤頂板約70～110 m，其中在向斜軸部間距最大。因此，疏放水鉆孔出水點位置幾乎均位于西山窯組上段含水層。殘余涌水量鉆孔情況統(tǒng)計表見表1。

1305 工作面疏放頂板水的鉆孔中，多數(shù)鉆孔初始涌水量較小，且已無水。目前工作面范圍有殘余水量的鉆孔均位于向斜軸部，共12 個鉆孔，殘余涌水量約3.9～20 m3/h，尚有殘余涌水量的鉆孔情況見表1。從疏放水鉆孔涌水量可知，自工作面切眼至向斜軸部方向疏放水鉆孔涌水量呈變大趨勢，說明1305 工作面范圍自向斜軸部延展至兩翼，侏羅系中統(tǒng)西山窯組上段含水層富水性呈現(xiàn)由較強(qiáng)到較弱的遞減趨勢。

3 頂板水疏放效果定量化評價

頂板水疏放效果最優(yōu)化主要是以最小疏放水總量將工作面上覆含水層水頭高度疏降至安全殘余水頭為目的。下面主要從鉆孔涌水量衰減率[6]、含水層水頭高度、疏放水總量及殘余水量等方面對疏放水效果進(jìn)行定量化評價[7-11]。

表1 殘余涌水量鉆孔情況統(tǒng)計表

3.1 鉆孔涌水量衰減率

鉆孔涌水量變化趨勢圖如圖3。從圖3 中可知，向斜軸部區(qū)域的鉆孔涌水量自終孔后初始衰減幅度較大，后期衰減幅度較小，向斜軸部區(qū)域疏放水鉆孔涌水量近似穩(wěn)定達(dá)1 個月左右。鉆孔初始涌水量之和為194.6 m3/h，殘余涌水量之和為61.6 m3/h，衰減率約68.3%。向斜軸部區(qū)域運(yùn)輸巷側(cè)12-1、12-2、9-1 鉆孔初始涌水量較小，約10～13.3 m3/h，涌水量衰減量較小。當(dāng)前殘余涌水量較大的是4-1、4-2 鉆孔，殘余涌水量之和約20 m3/h，衰減率為52.3%。從鉆孔初始涌水量及單孔涌水量的整體衰減變化情況看，該范圍疏放水量衰減較小，可在向斜軸部區(qū)域適當(dāng)加密疏放水鉆孔，繼續(xù)疏放。

圖3 鉆孔涌水量變化趨勢圖

3.2 含水層水頭高度

自2018 年2 月開始對9-1、4-5 鉆孔進(jìn)行水壓觀測，9-1 鉆孔位于1307 工作面輔助巷，4-5 鉆孔位于1305 工作面輔助巷，均位于向斜軸部附近。9-1、4-5 鉆孔初始水壓觀測值分別約為1.75、1.25 MPa，鉆孔水壓下降緩慢，衰減量較小，鉆孔水壓觀測值變化曲線圖如圖4。

圖4 鉆孔水壓觀測值變化曲線圖

從向斜軸部區(qū)域西山窯組上段含水層厚度、含水層底板距3#煤頂板距離分析可知，在輔助巷側(cè)該含水層水頭高度高出含水層底板約5 m，疏放水已使含水層由承壓轉(zhuǎn)換為無壓；在運(yùn)輸巷側(cè)該含水層水頭高度高出含水層頂板約45 m，含水層水頭仍然較高。

3.3 疏放水總量及殘余水量

在疏放水過程中，含水層側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給量Q1逐漸補(bǔ)給因靜儲量Q2釋放后形成的含水層空間，從而在數(shù)量上轉(zhuǎn)化為靜儲量，使得疏放水在整體上體現(xiàn)為靜儲量疏放。在整個疏放水過程中Q1與Q2這2部分是相依變化的。在疏放水初期，由于漏斗剛剛開始形成，范圍很小，因而動態(tài)補(bǔ)給量Q1也很小，此時疏放水量必須由比較大的靜儲量Q2來維持，因此漏斗范圍發(fā)展很快。隨著疏放水時間的延長，漏斗范圍不斷擴(kuò)大，Q1值也隨之不斷擴(kuò)大，而Q2則相依減小，因此漏斗發(fā)展緩慢。當(dāng)某時刻靜儲量的釋放量與動態(tài)補(bǔ)給量的轉(zhuǎn)換量相等時，即疏放水量等于轉(zhuǎn)化為靜儲量的動態(tài)補(bǔ)給量時，則達(dá)到動態(tài)平衡，由此靜儲量的變化量為0，此時繼續(xù)疏放水為無效放水。

由于西山窯組上段含水層為1305 工作面的主要充水水源，其涌水量主要以含水層靜儲量為主，動態(tài)補(bǔ)給量較小。當(dāng)鉆孔疏放水總量小于含水層靜儲量，同時鉆孔殘余水量大于含水層的動態(tài)補(bǔ)給量，說明靜儲量還沒有得到有效疏放，需要延長疏放水時間或者局部增加疏放水鉆孔；如果鉆孔疏放水總量等于或大于含水層靜儲量，并且鉆孔殘余水量等于或小于動態(tài)補(bǔ)給量，說明含水層中的靜儲量已經(jīng)得到了有效疏放，鉆孔的殘余水量為含水層中的動態(tài)補(bǔ)給量，即可認(rèn)為工作面的疏放水效果良好，達(dá)到了疏放水的目的。

本次1305 工作面疏放水鉆孔出水位置基本位于上覆西山窯組上段含水層，因此，此處靜儲量僅考慮西山窯組上段含水層。Q2、Q1采用如下公式進(jìn)行計算：

式中：Q1為含水層靜儲量，m3；Q2為含水層側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給量，m3/h；QT為含水層彈性釋水量，m3；QZ為含水層重力釋水量，m3；h 為含水層水頭高度（以含水層頂板為基準(zhǔn)），m；M 為含水層厚度，m；F為工作面疏放水面積，m2；μe為含水層彈性釋水系數(shù)；μd為含水層重力給水度（采用鄰近礦區(qū)重力給水度值0.086）；K 為滲透系數(shù)，m/d；H0為含水層初始水頭高度，m；hc為疏放水后殘余水頭高度，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m。

經(jīng)計算得出1305 工作面靜儲量為79.16 萬m3，工作面范圍動態(tài)補(bǔ)給量約161.1 m3/h。工作面累計疏放水總量約63.5 萬m3，殘余水量61.6 m3/h，疏放水總量小于工作面靜儲量，鉆孔殘余水量小于含水層動態(tài)補(bǔ)給量，說明該范圍含水層靜儲量尚未疏放完畢。

考慮到1305 工作面范圍有殘余水量的鉆孔均位于向斜軸部，含水層水匯集于此處，靜儲量尚未疏放完畢，且該范圍含水層水頭高度仍較大，尤其是運(yùn)輸巷側(cè)水頭高度高出含水層頂板約45 m。因此，為安全考慮，需加大疏放水力度，使含水層水頭高度降至含水層頂板以下。

4 結(jié) 論

1）以鉆孔涌水量衰減率、含水層水頭高度、疏放水總量及殘余水量來定量化評價疏放水效果，克服了以往定性評價疏放水效果可能造成的過度疏放水，可實現(xiàn)頂板水疏放效果最優(yōu)化。

2）1305 工作面疏放水總量小于工作面靜儲量，向斜軸部區(qū)域的疏放水鉆孔涌水量衰減率較小，運(yùn)輸巷側(cè)水頭高度高出含水層頂板約45 m，需適當(dāng)加密疏放水鉆孔繼續(xù)疏放，盡可能的降低含水層水頭。