採煤工作面頂板動態離層水預疏放實踐

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李忠凱   胡 傑

（***礦業集團海孜煤礦，*** *** 235147）

摘  要：採煤工作面頂板動態離層水是煤礦突水的一種新的水源，通過對離層水突水的原因和特點分析，採取了在工作面回採影響以外的下山方向佈置鑽孔，同時在鑽孔內下入防堵裝置，保證了鑽孔在工作面採前、採中和採後持續放水，有效地阻止了離層水源的產生，保證了工作面安全生產。

關鍵詞：動態  離層水  預疏放

 

引 言

***礦業集團海孜煤礦是一座設計年產1.5Mt的現代化礦井。2005年5月21日正在回採的84採區745工作面發生瞬時最大水量3887m3/h的特大潰水事故，給生產和安全造成極大的被動。經查治，發現該次事故是因爲受7煤層頂板巨厚火成岩支撐，多煤層採動作用，造成煤系地層不均勻沉降，使7煤層頂板砂岩產生離層，並積水，在火成岩動力作用下，積水衝破有限的隔水層，而發生的特殊突水現象。如此強度的頂板水突水現象在國內十分罕見，如何進行防治，避免類似事故的再次發生，成爲扭轉生產和安全的被動局面，保證工作面安全恢復生產成爲工作面水害治理的關鍵。

1 頂板動力突水原因和特點

1.1 745工作面地質及水文地質概況

工作面煤層屬二疊系下石盒子組全隱伏煤層，煤層厚0.2～3.2m，平均1.29m，傾角18°。該區地層自上向下有第四系和火成岩及煤系地層，對7煤層開採充水有影響的主要含水層有第四系四含和7煤頂板厚層砂岩，隔水層有四含底部粘土層、火成岩和7煤直接頂泥岩。

1.1.1 四含

四含爲第四系地層的最下一層，直接覆蓋在煤系地層之上，與煤系地層不整合接觸。四含底部發育一層粘土層，含礫石，粘土層發育不均一，局部具“天窗”，四含水通過“天窗”緩慢向煤系地層補給。

1.1.2 火成岩

厚76.3~88.77m，下距7煤層61.2～62.83m，屬閃長巖和閃長玢岩，整體塊狀結構，總體屬隔水層，能阻隔四航對煤系地層的補給。但當有斷層等裂隙發育與四含溝通時，使局部喪失隔水作用，通過地面補勘鑽孔採取鑽孔電視技術可清晰看到該區火成岩發育有大量縱向和層狀拉伸裂隙，但不含水。

1.1.3 7煤頂板砂岩

厚14.07～30.87m，下距7煤層12.86～28.03m，含脈狀裂隙承壓水，屬弱含水層，是7煤開採的直接充水水源。

1.1.4 7煤底板煤岩層

8、9煤層相距約3m，8煤上距7煤約22m，與7煤層同屬於二疊系下石盒子組，在該區兩煤層均未開採。

上距7煤層約116m爲二疊系山西組10煤層，該層煤工作面於2002年11約全部採完收作。

1.2  745工作面突水原因

工作面發生突水後，爲了查明突水原因，在位於停採線外5m，機巷向上10m，施工了一個鑽孔R455孔，孔深368.53m，終孔層位位於7煤頂板34.8m，鑽孔離層發育柱狀見圖1。鑽孔在施工過程中發現岩漿岩底板1.6m至粉砂岩1.4m段（329.5～332.5m），被掰開形成T3離層帶，段高3m，具典型的硬軟岩層界面易產生離層的規律特徵。注水實驗測流結果，單位吸水量爲0.16l/s.m（相當於中等富水含水層）。

煤系地層中，在孔深339.5～341m孔段的砂岩（厚2.15m）與粉砂岩（339.61m）界面分佈有段高爲1.5m的T2離層帶，其中砂岩掰開0.11m，粉砂岩掰開1.39m，也是軟、硬岩層界面。其單位有吸水量爲0.056l/s.m（相當於弱含水層），表明離層帶爲破碎岩石充填，而不是空腔。

在孔深350.74～368.53m的巨厚（大於17.8m）的砂岩中，砂岩頂界6.76m以下發現有段高爲1.2m的T1離層帶，單位吸水量爲0.32 l/s.m（相當於中等富水含水層），K值爲31.16m/d。總吸水量爲13.64m3/h。

R455孔終孔時位爲333m(-306 m)，在岩漿岩孔段的水柱高度爲16.1m。T1、T2、T3三個離層帶均有積水。44d後水位爲340m，已低於岩漿岩底板18.9m，表明T3離層帶已處於水位之上而成爲“無水離層帶”。T2離層帶頂界爲339.5m。表明該離層帶上部0.5m已處於水位之上，只有T1離層帶仍保持水位，水柱高達17.5m。這說明：A、R455孔內水位保持44天，原因是有T3“積水離層帶”存在。B、R455孔深368.53m，孔底距7煤頂34.8m。孔底有水位說明其下部砂岩還沒有被導水裂隙所波及。46d後孔內水位消失，鑽孔發生吸風現象，說明T3積水離層帶被疏幹。

上述現象說明T1積水離層帶的單位吸水量爲0.32l/s.m，是5.21突水的直接水源。當山西組10煤層回採後，下石盒子組及其以上地層屬整體彎曲下沉帶，但受巨厚火成岩板支撐，其上部岩層並未隨之下沉，受自身重力和火成岩板拉伸共同作用，造成下石盒子組地層不均勻下沉，並在7煤頂板砂岩中形成拉伸破壞，從而形成離層。因該層砂岩自身就是弱含水層，加之四含水通過淺部露頭和火成岩裂隙對其緩慢補給，使離層內積水。當7煤層採動後，破壞了火成岩原有的應力平衡，並活動產生動力，在該動力作用下，壓擠離層，積水衝破了離層於7煤採動後導水裂隙帶間有限的隔水層，從而發生突水。該次突水事故是極複雜水文工程地質條件下發生的動力突水的特例。

 

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圖1 R455孔離層發育及水位變化示意圖

1.3  動力突水的特點

本次突水和其它工作面頂板砂岩突水存在明顯的區別，主要有以下幾方面的特點：

（1）無明顯徵兆。本次突水並未有頂板突水從小到大的規律，而是瞬間潰出，幾乎無何徵兆。

（2）瞬時最大水量3887m3/h，並伴有約400m3的矸石以泥石流形式潰出，造成沿途巷道被切割沖刷，最大沖刷深度1.5m。

（3）水量衰減快，具封閉水體（老塘水）突水特點，突水後僅過3.5h水量就衰減了97％。

（4）儲水空間具動態性。隨工作面推進，在超前應力作用下，工作面前方有新的離層形成，並不斷積水，產生新的突水水源。同時該空間相對封閉，離層與離層間不連續。

（5）突水通道爲採動導水裂隙帶。儘管導水裂隙帶與離層水之間存在隔水層，但較薄，極易被動力水衝破。

（6）動力源爲巨厚火成岩體。因採動影響，造成整體岩層地應力失衡，整體或部分岩層位移產生動力，擠壓儲水空間，積水衝破有限的隔水層造成突水。

2  預疏放水鑽孔設計

2.1  目的和任務

針對動力突水的特點確定了探放水鑽孔的目的和任務，一是進一步查明7煤頂板砂岩含水和富水性；二是查明離層的發育情況；三是爲745工作面突水後恢復生產進行提前放水，疏幹降壓。

2.2  預疏放鑽孔佈設方案

根據前述目的任務，結合離層動態發育特點和7煤頂板裂隙具有連通性等特徵，打破頂板水探放鑽孔佈設在工作面上方的傳統，按每50m一組向工作面下山方向（煤層傾向方向）佈置。鑽孔開孔於在7煤底板約15m施工的745岩石軌道巷內，避免鑽孔因工作面回採被破壞，每個鑽窩佈置三個孔，呈扇形分佈，使鑽孔呈網狀穿過7煤頂板砂岩，保證覆蓋面。

2.3  技術要求

鑽孔開孔直徑127mm，兩層套管結構，孔口管8～10m，用標號不小於500＃水泥固管，壓力不小於5MPa進行耐壓試驗，合格後縮徑89mm鑽進至終孔。然後全程下入φ73mm花管作爲過濾器，防止孔內掉矸堵塞鑽孔，保證鑽孔持續有效放水，

鑽孔在施工過程中若存在出水現象，需詳細記錄出水層位、孔深，測量水量、水壓，採取水樣進行水質分析。

3  預疏放效果分析

3.1  簡易放水試驗效果

所有鑽孔施工完成後，選取了水量較大的3個鑽孔進行簡易放水疏幹，其它鑽孔進行測壓，監測鑽孔水壓變化情況。簡易放水試驗爲期10天，3個孔總放水量1025m3，鑽孔水壓從0.54MPa降到0.2MPa。經計算砂岩水位從原始高出風巷約5m，下降到放水後僅高出機巷0.2MPa。放水試驗結束後，進行了爲期72h的恢復水位試驗，24h後鑽孔水壓恢復到0.25MPa，並保持穩定。

3.2  TEM檢測結果

在鑽孔施工前，爲了準確掌握7煤頂板砂岩的含水富水情況，在745工作面風巷、腰巷和機巷向工作面頂板採取了瞬變電磁探測，共查出三處低阻（視電阻率小於1Ω）異常，視電阻率曲線橫向上表現出起伏變化較大，與高阻曲線明顯不協調。探測結論爲三處視電阻率低阻異常對應工作面頂板存在三處較強富水性，爲賦水異常區。

爲了進一步確定鑽孔放水效果，保證工作面恢復生產後的安全開採，工作面恢復生產前再次用瞬變電磁法對鑽孔放水效果進行檢驗，重點探查先期探測三個低阻異常的視電阻率變化。通過對比發現二次瞬變電磁視電阻率明顯增大，均大於1.5Ω，且視電阻率等值線橫向變化較均勻，與其它高阻曲線協調性較好，煤層頂板電性橫向分佈均勻，說明原探測富水區已降爲弱含水或不含水，鑽孔放水效果較好。

3.3  工作面回採過程的預疏放效果

在工作面恢復生產過程中，受超前應力影響，所有放水孔水量均有不同程度變化，突出表現在3＃鑽場1＃孔。

該鑽孔施工後到工作面恢復生產推進距鑽孔約50m期間，鑽孔水量一直保持在0.8m3/h的穩定水量，當工作面推進距鑽孔50m後，鑽孔水量持續增大，距鑽孔約20m時，水量已增大到5m3/h，當工作面採到鑽孔上方時鑽孔水量增大到9.8m3/h，達到極值，隨工作面繼續向前推進，鑽孔水量雖有所下降但仍保持在7m3/h的穩定水量。在工作面恢復生產的整個過程中，只有鑽孔水量發生變化，而工作面內卻未出現任何淋水和滴水等水情異常。見圖2。

圖2  3-1孔疏水量變化趨勢曲線與工作面累計推進度對照關係圖

 

通過對整個回採過程鑽孔疏放水量計算，發現鑽孔放水總水量是745工作面突水水量的2.3倍，說明鑽孔疏放水對超前疏放砂岩水、截斷離層積水水源發揮了重要作用。

4  結語

745工作面恢復生產後，先後採出原煤約70Kt，工作面內未出現任何水情異常，實現了安全開採，工作面預疏放頂板動態離層水技術爲類似頂板條件下水害防治積累了治理經驗，具有較可觀的經濟和社會效益。

由於離層動力突水現象在國內較爲罕見，如何防治尚無成功的先例，因此採取何種布孔方式、孔組間距需要多大以及孔與孔之間如何排列等才能實現最經濟合理地預疏放煤層頂板離層積水、截斷離層積水水源，保證預疏放效果，均處於一種摸索狀態。通過對745工作面頂板離層水的預疏放鑽孔設計、實施，主要有以下幾點經驗：

（1）嚴格按規程要求，每50m佈置一組鑽孔，保證了預疏放水鑽孔的覆蓋面，確保砂岩水預疏放。

（2）鑽孔佈置在工作面下山方向和採動影響範圍之外，保證鑽孔在工作面採前、採中和採後持續有效放水。

（3）在鑽孔結構上，改以往裸孔爲兩層套管結構，鑽孔全程下入花管作爲過濾器，有效地防治了碎矸堵孔，保證鑽孔水流暢通。

（4）採取放水試驗、壓力對比和物探對比驗證等方法對放水效果進行檢驗，使放水效果更直觀明瞭，有效地促進了安全生產。

 

參考文獻：

1、沈繼方,於青春, 胡章喜. 礦牀水文地質學[M]. 北京: 中國大學地質出版社 1992.10

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