黄陇煤田顶板巨厚含水层防供水综合技术研究

2016-09-18邢延团

采矿与岩层控制工程学报 2016年4期

关键词：洛河水害白垩

邢延团

（陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西咸阳713602）

黄陇煤田顶板巨厚含水层防供水综合技术研究

邢延团

（陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西咸阳713602）

为了有效治理黄陇煤田4号煤层顶板巨厚洛河组含水层水害威胁，提出通过布置井下疏放水钻孔对含水层下段进行适当疏放，利用含水层各向异性条件而形成的双层水位使得洛河组含水层下段得到疏放，同时利用井下供水管网将其直接利用。以亭南矿为例，采用改进的钻探技术和方法施工井下大仰角、大深度钻孔达到洛河组含水层疏放目的，从而减小了工作面正常涌水量并延缓工作面出水时间。不仅有效解决了洛河组含水层不可疏干与威胁矿井安全之间的矛盾问题，同时为黄陇煤田顶板水害防治提供了新的思路。

巨厚含水层；疏放水；顶板水害；排供结合

黄陇煤田为中国14个大型煤炭基地之一，是“十二五”期间重要能源生产基地。区域内影响矿井安全的一个主要问题是顶板白垩系洛河组含水层水害威胁［1］。由于其含水层距离煤层较远，厚度大，富水性中等，导致工作面出水不规律，严重影响矿井工作面环境，威胁矿井生产安全。

目前，对于顶板水害评价与防治方法主要有“三图-双预测”法［2］、留设合理煤岩柱［3］、采用特殊采煤方法、疏干开采［4］和其他数学方法［5］等，其中对顶板水害防治最有效的方法为含水层疏干，并在《煤矿防治水规定》中对其进行了相关规定。但是，由于黄陇煤田水文地质条件较为复杂，顶板主要充水含水层与煤层距离较远，含水层厚度大且富水性相对较强，导致采用疏干开采时存在疏放水钻孔成孔困难，钻孔疏放水量较小等问题。同时，一直以来相关水文地质勘查成果均认为白垩系洛河组含水层不可疏放，只能采取被动防治措施，使得相关矿井防治水工作极为被动，并发生多次水害事故。

本文提出通过改进工艺，在井下施工大倾角、大孔深疏放水钻孔，对洛河组含水层进行试验性疏放。结合前期工作面回采过程中发现的含水层上下水位不统一，存在双层水位的情况，对洛河组下段进行疏放。此方法改变了传统的含水层会整体疏干的认识，进一步消耗含水层静储量，减小含水层下段水压，对顶板导水裂缝带发育有一定的控制作用，从而延迟了工作面出水时间，减小工作面涌水量。同时，通过水质分析和井下供水管网的建立，实现了排供结合一体化，保护区域生态环境。本次研究打破了对巨厚中等富水含水层不可疏放的认识，对科学治理顶板巨厚洛河组含水层水害提供了新思路。

1　含水层疏放可行性评价

1.1含水层水文地质条件分析

陕西黄陇侏罗纪煤田发育地层自老到新主要有:三叠系、侏罗系、白垩系、新近系及第四系，其中主要含水层为侏罗系直罗组砂岩裂隙含水层、白垩系宜君组砂砾岩含水层、白垩系洛河组砂岩裂隙含水层、第四系孔隙含水层。其中，对矿井威胁最大的为白垩系洛河-宜君组砂岩裂隙含水层，平均厚度约250m，含水层距离煤层约为120～200m左右，地面单孔抽水试验显示其单位涌水量多数在0.2L/（s·m）左右。总之，白垩系含水层厚度大，富水性中等，静储量较为丰富，整体疏降存在困难。

1.2地下水补给条件分析

区域范围内白垩系含水层总体补给条件较好，区域年平均降水量为561.4mm，地下水以大气降水、松散含水层、地表河流补给为主，区域地下水系统补给面积较大，且研究区所处位置为泾河—马莲河二级地下水系统地下水径流-排泄区域。通过区内各矿井白垩系水位长期观测资料可看出，经过矿井井下涌水的长期疏降，虽形成局部的降落漏斗，但并未造成大面积的区域性地下水位下降，整体而言白垩系补径排条件较好。但是，通过区域内钻孔分段水位观测发现，在工作面回采之后，洛河组上下段水位存在较大差异。例如彬长矿区胡家河井田401101工作面回采过程中洛河组上下段观测孔水位降深差异达到150m左右，表明在井下疏放水条件下，巨厚洛河组含水层存在双层水位的现象，这一现象为洛河组下段疏放奠定了基础。

1.3疏降工程施工工艺

一直以来，在矿区范围内井下施工洛河组含水层钻孔存在距离远、容易塌孔等特点，成孔较为困难。通过长时间技术积累，对钻孔施工工艺、钻孔布置、钻机选择及护孔方法等方面进行改进和修订，研究出一套大仰角、大孔深、分段隔离的井下钻孔施工工艺，为洛河组含水层疏放提供了基本的技术支持［6］。

综合上述各因素，通过井下钻孔对洛河组含水层进行完全疏干可行性较差。但是，结合工作面开采实际情况，利用疏放水形成的含水层双层水位，对洛河组含水层下段进行疏放，达到消耗静储量、降低含水层下段水压，延缓工作面出水时间，减小工作面初期涌水量，达到 “消峰平谷”的目的，从而有效控制工作面涌水情况。

2　工程概况

2.1矿井及工作面概况

亭南煤矿位于陕西省咸阳市亭口镇亭南村，设计生产能力3.0Mt/a，主采煤层为侏罗系延安组4号煤。井田内地层由老到新依次为:三叠系上统胡家村组（T3h），侏罗系下统富县组（J1f），侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a），白垩系下统宜君组（K1y）、洛河组（K1l）、华池组（K1h），上第三系（N），第四系（Q）。4号煤位于侏罗系中统延安组，厚度1.00～23.24m，平均厚度11.05m。疏放水工程位于矿井二盘区西部206工作面，工作面总回采长度2230m，倾向宽度为200m。主采4号煤层倾角为0～6°，煤厚13.6～20.2m，平均厚度为18.3m。

2.2水文地质条件

亭南井田范围内含（隔）水层发育与区域水文地质条件一致，从下到上主要为侏罗系延安-直罗组砂岩裂隙含水层、白垩系宜君组砂砾岩含水层、白垩系洛河组砂岩裂隙含水层、第四系孔隙含水层，其中侏罗系含水层富水性较弱，不会影响矿井生产。白垩系洛河-宜君组含水层富水性中等，厚度大，是矿井开采主要威胁含水层（图1）。

图1　4号煤和含隔水层空间位置关系

2.3疏放水工程施工

2.3.1钻孔施工工艺

通过系统总结以往钻孔施工经验，选取合适位置进行钻进、采用大功率钻机施工高角度钻孔、下入长距离套管进行护壁，从技术上打破了以往成孔困难的问题，为洛河组含水层疏放提供了条件［6］。

2.3.2钻孔结构与布设

通过分析工作面地质与水文地质概况，结合工作面范围内构造影响，在亭南矿206工作面灌浆巷共施工5个疏放水钻孔，总进尺1603m。钻孔施工参数与位置见表1和图2。

表1　206灌浆巷疏放水钻孔参数

图2　钻孔布置平面示意

2.3.3钻孔水量变化情况

自2014年8月19日开始，逐步施工井下钻孔并对洛河组含水层下段进行疏放，随着钻孔的施工，总疏放水量增加。之后单孔水量逐渐减小并趋于稳定，截止到2015年3月30日，5个钻孔总残余水量约为110m3/h，累计疏放水量约为7.08× 105m3。3号和4号疏放孔水量变化如图3所示。

图3　钻孔疏放水量变化

3　疏放效果评价

3.1含水层疏放情况

一般来讲，承压含水层水量主要由静储量和动储量两部分组成。当对含水层进行疏放时，钻孔初期水量较大，随着疏放时间的延长，水量逐渐减小并最终趋于稳定［7］。这是由于疏放水初期主要消耗含水层中的静储量，直到静储量基本被消耗完毕，含水层疏放水钻孔水量达到稳定。

从图3可以看出，3号和4号疏放孔在水量分别达到20m3/h和33m3/h时，钻孔水量逐渐趋于稳定。由此可见，在对洛河组含水层下段进行疏放过程中，含水层动储量约为110m3/h，静储量约为7.08×105m3。实际试验所得出的静、动储量均远小于之前水文地质勘探预测结果。

3.2工作面出水变化情况

黄陇煤田彬长矿区4号煤开采主要受顶板白垩系洛河组含水层影响，其下部含水层由于富水性差、补给量较小，在采掘过程中基本无涌水。由于洛河组含水层距离煤层平均约120m，一般在顶板导水裂缝带发育高度到达洛河组含水层时工作面会出现明显的涌水现象。亭南矿二盘区204，205，206工作面位置相邻，斜长均为200m，因此其导水裂缝带发育情况具有相似性。同时，前期204和205工作面均在推采到100m左右出现明显的出水现象，且出水位置、出水时间均具有相似性。

206工作面于2015年2月正式开始回采，回采之前5个疏放水钻孔累计放水量达到6×105m3。工作面推采至237.9m时，工作面第一次出水，水量15m3/h。对比204，205工作面初次出水位置，206工作面延迟出水距离136m（表2）。

表2　工作面出水位置、水量对比

由表2可以看出，206工作面在施工井下疏放水钻孔之后，在导水裂缝带发育达到含水层底部时（推采100m位置）并未出现明显的出水现象，直到推采到237.9m位置才出现明显的工作面涌水情况，且水量增长相对较为平缓，未对工作面开采造成不利影响（图4）。

图4　206工作面涌水量变化曲线

4　矿井排、供水结合体系

亭南矿地处西北地区，年降水量小，蒸发量大，水资源较为匮乏。参考全国范围内其他地区矿井 “排供结合”体系，较为成功的案例主要是将底板降压与供水相结合［8-10］，对于顶板含水层的排供结合模式应用较少。主要是由于顶板含水层水量不稳定、水质相对较差等原因。通过对疏放水钻孔水质分析、井下管路铺设，实现了其顶板洛河组含水层排供结合体系，有利于区域生态环境。

4.1疏放水水质分析

以往直接通过工作面采空区排水，由于其径流路径长，同时混合部分下部侏罗系含水层水，使得采空区水质相对较差，不能直接用于井下供水。施工洛河组含水层疏放水钻孔，对下部地层用套管进行隔离，保证了其疏放水水质，同时可利用含水层压力直接进行供水。疏放水钻孔水质如表3所示。

表3　采空区与钻孔水质对比

4.2供水效益分析

亭南煤矿为解决井下长期以来存在的用水难问题，206疏放水钻孔将洛河组地下水引入矿井供水管网，直接利用洛河组含水层为井下生产进行供水，解决了老空水损伤设备的问题，节省了水泵、管路维护和人工等费用。洛河组水位较高，井下钻孔为自流水，井下使用时不需要水泵加压，使用便捷，维护方便，单月节省高压水泵电费5.1万元，一季度节省电费15.3万元。