纳林河二号矿井首采工作面安全回采防治水工作评价

李海深 梁向阳 方刚 黄浩

摘   要：东胜煤田内的煤炭矿山在采掘过程中普遍受到顶板砂岩含水层的水害威胁。纳林河二号矿井在建设、生产期间均不同程度地受到其上覆巨厚侏罗系延安组-直罗组砂岩含水层水的影响，经前期探查，其矿井31101首采工作面3-1煤层顶板发育有侏罗系巨厚层古河床沉积砂岩含水层，因此对该工作面后期回采造成了严重困扰。结合完成的水文地质补充勘探、封闭不良钻孔启封等工作，矿井采用物探、钻探技术开展工作面超前探疏放水工作，通过对矿井首采面安全回采防治水工作进行评价，为矿井的安全生产工作保驾护航。

关键词：纳林河二号矿井  顶板水害  矿井防治水技术  安全评价

中图分类号：TD741                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0043-04

纳林河二号矿井位于东胜煤田纳林河勘查区的西部，行政区划隶属于鄂尔多斯市乌审旗无定河镇管辖。井田面积约180.67km2，矿井煤炭地质资源量为1507.65Mt，可采储量为796.38Mt，设计生产能力8.0Mt/a，服务年限71.1a，采用立井式开拓，综合机械化开采。

矿井主采3-1煤层，31101首采工作面上覆有第四系松散含水层、白垩系洛河组含水层、侏罗系直罗组含水层和延安组含水层，根据矿井水文地质条件分析，矿井的直接充水水源为煤层上覆的侏罗系直罗组和延安组砂岩孔隙裂隙含水层水[1-2]。

结合完成的井田首采区水文地质补充勘探、封闭不良钻孔启封等工作，矿井采用物探、钻探相结合的手段，开展工作面超前探、疏放水工作，通过对3-1煤层顶板含水层水的有效疏放，可缓解后期工作面回采的顶板水害压力，确保矿井首采工作面的安全生产[3]。

1  矿井31101首采工作面概况

该工作面位于纳林河二号矿井首采区中部，31101首采工作面北以回风顺槽、南以运输顺槽、西以一号辅助运输巷、东以切眼为界，工作面走向长3030m，采长240m，总面积727200m2，工作面开采的侏罗系延安组上部3-1煤层平均煤厚约5.5m。矿井为整装井田，在该工作面邻近区域不存在采空区。工作面地表为新月形沙丘地貌，生长零星杨树[1-2]。

沿31101工作面走向，在勘探期间共施工了5个地面钻孔，分别是NL32、MD20、NL43、MD27、NL50。钻孔实际揭露资料表明，该工作面3-1煤层厚度呈总体南部厚，北部薄;煤层标高在+566.29～+578.78m之间，南高北低，埋深540～570m，整体为单斜构造，工作面煤层倾角1～2°，工作面回采时将以小角度俯采为主。顶板岩性主要为砂质泥岩，少数为粉砂岩，底板岩性主要为砂质泥岩。

2  矿井开展防治水工作

2.1 首采区水文地质补充勘探

根据“井田首采区补勘报告”可知，首采工作面顶板导水裂缝带范围内，共发育三层含水层：（1）3-1煤层顶板侏罗系延安组砂岩裂隙含水层，厚度12.58～28.96m，位于3-1煤层以上4.87～16.2m范围内，岩性为中粒砂岩、中粗粒砂岩;（2）2-1煤层顶板侏罗系延安组砂岩裂隙含水层，厚度8.61～20.08m，位于3-1煤层以上48.68～83.17m范圍内;（3）侏罗系直罗组下段砂岩含水层，厚度15.92～51.32m，位于3-1煤层以上77.39～109.4m范围内，岩性以灰白色中粗粒砂岩为主（见表1）。

根据“井田首采区补勘报告”（三维地震部分）中对3-1煤层顶板以上50m、75m、100m和125m地层切片，31101首采工作面范围内的新旧回撤通道、切眼附近存在富水异常区。其中，3-1煤层顶板以上50～100m范围内的富水异常主要位于NL32和MD20钻孔附近，与MD20钻孔资料中显示的“侏罗系直罗组下段含水层距离3-1煤层较近、厚度较大”现象存在明显的对应性;而在切眼附近的3-1煤层顶板以上75m的富水异常，则与NL50钻孔资料中显示的“2-1煤层顶板侏罗系延安组含水层位置”相对应。

井田首采水文地质补充勘探工程施工有4个地面水文长期观测孔，其中MDBS1、MDBS2和MDBS5观测延安组含水层，1个孔（MDBS4）观测洛河组含水层。除MDBS5距31101首采工作面较远（约3550m），其他3个孔均在距离首采工作面1110m范围附近。

通过一定时期的水文长观资料可知，井田内白垩系洛河组含水层与下部含水层水力联系不明显，说明其之间的隔水层隔水性能较好，而侏罗系延安组含水层水位下降较快、侧向补给和连通性较差，初步判断对首采工作面采前开展的顶板水疏降工作有利[4]。

2.2 封闭不良钻孔启封

在井田首采区及其附近存在有27个以往勘探钻孔，且钻孔封孔资料不详，认为均为封闭不良钻孔，矿井对所有钻孔进行启封，重新注浆处理。

经过近1年的钻孔启封、注浆、封闭工作，将以上不良钻孔全部完成，程量14681.90m，采集封孔水泥样品27件。施工的27个钻孔中，原钻孔未封闭钻孔（井口至启封深度）4个（NL42、MD23、NL14、NL15），占启封钻孔14.8%;原钻孔未钻至层位且残留钻具钻孔1个（NL42′），占启封钻孔3.7%;原钻孔存在残留钻具钻孔2个（MD34、MD19），占启封钻孔7.4%;部分封闭钻孔20个（MD20、NL43、MD27、NL51、NL50、MD28、MD26、NL62、NL64、NL52、NL63、NL65、NL45、MD25、NL46、NL53、NL54、MD24、NL13、NL44）占启封钻孔74.1%，原钻孔全孔封闭钻孔0个。通过启封检验各钻孔封孔质量均为不合格。

在31101首采工作面内及其周边共有5个以往煤炭勘探孔，其中MD20、NL43、MD27、NL50均属于原钻孔未封闭钻孔，经地面启封后，已经排除了这4个孔的安全隐患;NL32钻孔周围巷道已经完成掘进，且距离首采工作面停采线约296m，不会对工作面回采产生安全隐患。另外需要指出的是，地面MDBS1水位观测孔处于工作面采后覆岩破坏影响范围之内，在工作面回采至该钻孔附近时，应采取封孔措施，防止该孔导通上部含水层，造成水害事故[5]。

2.3 工作面井下物探工程

纳林河二号矿井首采工作面顶板综合物探采用了矿井瞬变电磁法勘探及音频电穿透视两种勘探方法，两种方法探测异常的范围及强度反映了相应岩层赋水性的分布位置及强弱。

通过对比两种勘探方法资料，分析认为工作面顶板上0～60m层段异常区相对较弱，推断3-1煤层顶板侏罗系延安组砂岩含水层富水性相对较弱，异常区段附近局部相对富水;60～120m层段异常区相对集中，推断2-1煤顶板侏罗系延安组砂岩含水层、侏罗系直罗组砂岩含水层相对富水，异常区段附近岩层富水性相对较强;120～140m层段异常区相对集中，推断直罗组砂岩含水层相对富水，异常区段附近岩层富水性相对较强[6-7]。

2.4 工作面井下钻探工程

根据矿井31101首采工作面已施工完成了184个顶板探放水钻孔资料可知，钻孔揭露的侏罗系直罗组下段含水层底部距离3-1煤层顶板84～110m、水压4.0～5.6MPa、涌水量85～136.55m3/h，且“水压高、水量大”的特点在整个工作面顶板含水层（主要是直罗组下段含水层）分布比较均匀[8]。另外，根据T3钻场和T16钻场的钻孔实际揭露的地层发育情况，直罗组下段含水层位置与“井田煤炭勘探报告”中勘探孔的实际揭露情况描述比较接近，说明侏罗系直罗组下段含水层底板与3-1煤层顶板的最小距离<80m，工作面回采后导水裂隙带必然会波及到该含水层。

31101首采工作面顶板含水层（特别是侏罗系直罗组下段含水层）存在“水压高、水量大、分布广泛”的特点;局部地段侏罗系直罗组下段含水层距离3-1煤层在80m左右。

为了验证工作面顶板水疏降效果，矿方在切眼附近的回风顺槽和辅运顺槽分别施工了一个探查钻孔（见表2）。

施工结果表明：T15-5钻孔涌水量26.23m3/h;Y25-4钻孔涌水量10.4m3/h，水压2.1MPa;通过疏放水，到8月7日，T15-5钻孔涌水量2.5m3/h;Y25-4钻孔涌水量4.8m3/h。另外，近期Y26-4钻孔水压基本稳定在2.2MPa。结合放水试验的水压观测数据可知，工作面切眼附近已经形成了较显著的降落漏斗，局部位置达到了1.0MPa以下。

放水试验过程中首采工作面切眼附近钻孔总涌水量基本稳定时，根据T9-1、T12-3、T14-2、T16-5、T15-1、Y22-3、Y26-4等水压观测孔的稳定水压值，能够初步确定该区域降落漏斗的形状（以T16-5钻孔为降落漏斗中心），该降落漏斗符合y=284.64x0.1748幂函数方程式。根据该幂函数方程式，以MDBS2地面水文孔水位为3-1煤层顶板3个含水层的初始最高水位（+1037m），计算得到降落漏斗的影响半径为1630m。

据统计，首采工作面顶板含水层已经累计疏放水量约143万m3;工作面里段650m范围内已疏放水量为41万m3，其中动储量疏放量为11.1万m3，静储量疏放量为29.9万m3。根据计算，工作面里段650m范围内顶板水静储量为29.7万m3（见图1），说明该段范围内顶板水静储量已得到充分疏放[9-10]。

3  首采工作面排水系统

3.1 工作面顺槽排水管路

回风顺槽布置有2趟Φ273管路作为专用疏放水和排水，布置1趟Φ108排水管路作为收集巷道中的积水和排水使用，另布置1趟Φ108黄泥灌浆管路可以作为排水使用。胶运顺槽布置1趟Φ108排水管路作为收集巷道中的积水和排水用。辅运顺槽布置2趟Φ377管路作为专用疏放水和排水，布置1趟Φ108排水管路作为收集巷道中的积水和排水用，另布置1趟Φ108黄泥灌浆管路可作为排水使用。

在紧急情况下布置在回风顺槽、胶运顺槽、辅运顺槽中的消防洒水、压风管路均可改作排水管路使用。

3.2 工作面临时排水系统建设情况

工作面排水系统，利用矿用隔爆水泵通过排水管路将各积水点的水排入两条顺槽的中转水仓，通过胶管将中转水仓水排入两顺槽排水专用的Φ273/Φ377mm管路中，再通过大巷永久管路排至一号永久水仓。

回风顺槽设计布置3个容积68m?和4个容積102m?的中转水仓，目前已经全部施工完成。辅运顺槽设计布置4个容积182m?和4个容积144m?的中转水仓，目前已全部投入使用。

在工作面切眼附近设置31102临时水仓，水仓容积715m?，已投入使用。工作面旧回撤通道水仓，容积约1350m?，首采工作面临时水仓的总容积为3981m?。

4  结语

综上所述，通过已开展的首采区水文补勘、封闭不良钻孔启封、井下工作面物探工程和钻探工程等防治水工作，纳林河二号矿井31101首采工作面里段650m范围内疏放水效果明显，顶板充水含水层静储量已经得到充分疏放，目前疏放孔涌水量已经衰减至5m3/h以下，31101首采工作面初期开采范围内中心水压观测孔孔口水压疏降至1MPa左右，钻孔稳定总水量占本段预计动态涌水量的80%左右，且钻孔数量变化1/3（33个孔→44个孔），总涌水量与水压力基本不变。目前工作面里段及其外围已经形成了基本稳定的降落漏斗。从水文地质条件及疏放水效果分析，31101首采工作面0～650m段疏放水工作已经达到了预期的目的，在配备足够排水能力的前提下，基本具备了安全回采的条件。

参考文献

[1] 刘毅涛. 纳林河二号矿井31101工作面覆岩破坏与涌水关系研究[J]. 煤炭与化工， 2019， 42（1）： 65-66， 71.

[2] 赵忠证. 纳林河矿区首采工作面涌水量计算研究[J]. 内蒙古煤炭经济， 2014（12）： 116-117.

[3] 张发旺， 陈立， 王滨， 等. 矿区水文地质研究进展及中长期发展方向[J]. 地质学报， 2016， 90（9）： 2464-2475.

[4] 方刚， 刘柏根. 基于巴拉素井田多孔抽水试验的含水层特征及水力联系研究[J]. 水文， 2019， 39（3）： 36-40， 67.

[5] 杨建， 梁向阳， 刘基. 封闭不良天然气孔突水过程的水文地球化学特征[J]. 煤田地质与勘探， 2017， 45（5）： 82-86.

[6] 李永涛， 蒲治国， 丁湘， 等. 综合物探在纳林河二号矿井砂岩水防治中的应用[J]. 中国煤炭地质， 2018， 30（10）： 75-79.

[7] 石磊. 纳林河二号蒙陕接壤区纳林河二号矿井首采工作面顶板富水性探查[J]. 中国煤炭地质， 2014， 26（10）： 49-52， 72.

[8] 方刚. 榆横南区煤层顶板富水性探查研究及治理评价[J]. 矿业安全与环保， 2017， 44（5）： 98-102.

[9] 陈晨， 贾建称， 董夔， 等. 神东矿区纳林河二号矿井延安组煤层顶板富水区规律[J]. 中国煤炭地质， 2018， 30（4）： 36-44.

[10]李秀娟， 田国林， 高小文， 等. 纳林河二号煤矿首采区煤矿涌水量预测及其参数灵敏度分析[J]. 水土保持通报， 2017， 37（5）： 309-314.