首采工作面顶板岩层覆含水量分析及防治水工程实践

潘长斌，吕兆海，杨皓博，高 雅，林金川，靳 华，李德彬

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏回族自治区 银川市 750011；2.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西省 彬州市 713500；3.西北矿井水文地质研究院，内蒙古自治区 乌海市 016000)

0 引言

矿井水作为我国煤矿主要灾害之一，严重威胁矿井安全。随着煤矿开采深度、强度的“双向”加大，工作面顶板水害威胁日益严重[1]。在工作面采动影响下，加剧围岩裂隙扩展，导致工作面“三带”变化剧烈，易导通巷道顶底板隔水层，进而诱发涌突水事故[3,4]。据不完全统计，地表水、大气降水、地下水等水患类型造成的矿井巷道突水事故占比95.3%[5,6]。开挖扰动破坏范围越大，导水裂隙带高度极易触及到顶底板含水层[7,8]。考虑到煤层顶底板局部富水性[9，10]，易形成矿井涌水的水源、通道。因此，笔者以金家渠煤矿110301首采工作面为背景，通过地质调查、理论分析、现场实测等手段，研究工作面顶板在开采扰动作用下的防治措施，对矿井安全生产具有借鉴意义。

1 工作面煤岩组合、地质构造及水文特征

1.1 煤岩组合与地质构造特征

金家渠煤矿110301工作面开采煤层为3煤，其厚度为3.68 m,黑色，以暗煤为主，局部夹镜条带煤层；伪顶为炭质泥岩，厚度为0.2 m,黑色，泥质胶结，易碎；直接顶为粉砂岩，厚度为3.79 m,灰色，块状结构，较硬，局部含植物化石；老顶为粗粒砂岩，厚度为26.7 m，灰色，灰白、浅黄色，以石英长石为主，分选性中等，泥质胶结，块状结构。3煤层直接底为粉砂岩，厚度为13.4 m，灰色，泥质胶结，坚硬，块状结构，局部含植物化石。井田地处华北地台、鄂尔多斯盆地西缘褶皱冲断带的南北向逆冲构造带，为中等构造程度。110301首采工作面位于金家渠逆断层西侧，尖儿庄背斜东北侧。沿煤层走向整体呈宽缓背斜，沿煤层倾向为单斜构造。首采面顺槽掘进阶段揭露正断层7条，落差均小于2 m。采用槽波地震物探方法在工作面内部查明2条断层隐伏断层，其落差均小于煤厚的二分之一。

1.2 首采面含水层分布特征

根据工作面采动影响，现场实测煤层顶板垮落带为15.8 m、导水裂隙带最大高度58.6 m、弯曲下沉带为138 m。根据工作面水文地质条件可知，工作面主要充水水源为3煤顶板(延安组含水层)、直罗组下段粗砂岩含水层和风氧化带水。依据工作面内钻孔揭露地层资料统计，3煤层老顶为延安组砂岩含水层，其厚度为9.5 m～35.76 m，平均厚度22.87 m。受首采面距离3煤风氧化带较近的影响，工作面回风顺槽局部区域裂隙较为发育，加之此区域接近风氧化带，预计会出现裂隙导水。首采面与各含水层垂直距离如表1所示。

表1 首采面与含水层位置关系

1.3 生产条件

金家渠煤矿首采工作面，开采煤层为3层煤，煤层平均厚度3.68 m，工作面倾角22°～35°、走向长度1960 m、倾斜长度266 m。工作面水文地质条件复杂，正常涌水量315 m3/h，最大涌水量569 m3/h。3煤层直接顶板为粉砂岩，属不稳定顶板，呈块状，局部有滑面，完整性较差。老顶为粗粒砂岩含水层，半坚硬至坚硬，富水性弱。

2 工作面涌水量预测

工作面采后总涌水量Q由静储量Qj和动储量(动态补给量)Qd两部分组成，其中静储量综合预测关键是储水系数确定，动态补给量综合预测关键是渗透系数确定。

2.1 顶板砂岩含水层动态补给量预测分析

(1) 动态补给量即工作面采后的稳定涌水量，动态补给量采用“大井法”预计。整个坑道系统的涌水量就相当于“大井”的涌水量，计算公式如下：

(1)

式中，Q为涌水量，m3/h；K为渗透系数，m/d;M为含水层厚度，m；H为水头高度，m；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m。

根据水文地质补勘成果，提取延安组2-3间砂岩含水层和直罗组下段砂岩含水层渗透系数K,含水层水头高度H取310m。渗透系数K取值见表2。

表2 渗透系数K值分布

(2) 含水层厚度M。金家渠煤矿3煤层开顶板充水水源为延安组2～3煤间砂岩含水层和直罗组下段砂岩含水层，根据工作面内钻孔数据统结果：工作面内延安组2～3煤间砂岩含水层平均厚度为22.87 m，直罗组下段砂岩含水层平均厚度为90.46 m。

表3 η 取值分布表

图1 η取值曲线

根据矿井采掘工程平面图，工作面形状近似一个矩形，因此选择计算引用半径的公式为：

(2)

矿坑所在含水层概化为均质无限分布，天然水位近似水平，因此引用影响半径R0可采用如下式计算：

R0=r0+R

(3)

(4)

工作面回采过程中，周期性垮落后动态补给量(稳定涌水量)预计结果见表4所示。

2.2 风氧化带水动态补给量预测研究

风氧化带作为相对独立的含水体，对首采面的影响范围为风巷中部区域。工作面“两带”高度计算值为79.8 m，塌陷角按70°，计算塌陷边界为回采工作面外围约30 m。风氧化带和松散层为潜水含水层，对煤层开采是一种侧向补给的作用，运用潜水流单宽流量公式：

(5)

式中，q为任意断面上潜水流的单宽流量，m3/d·m；K为含水层渗透系数，m/d；H为含水层水柱高度，m；l为风氧化带宽度，m；W为年平均降水量，mm；各项参数选取见表5所示。

表4 首采面采后稳定涌水量预测计算

表5 各项参数选取表

解析法预测结果显示，首采面在采取顶板水充分疏放后，工作面回采前1000 m范围正常的正常涌水量为225 m3/h，最大涌水量为418 m3/h。整个工作面回采过程中正常涌水量为315 m3/h，最大涌水量为569 m3/h。

2.3 顶板砂岩含水层静储量分析

首采面顶板砂岩含水层和风氧化带古封存地下水为静储量主要组成部分，对该工作面顶板充水含水层进行静储量预测。

(1) 顶板砂岩含水层静储量预计

采用公式：

Q静储量=Q弹性+Q重力=μe·F·h+μd·F·m

(6)

式中，Q弹性为含水层弹性释水静储量；Q重力为含水层重力释水静储量。

其中，含水层弹性释水静储量算公式和由弹性释水造成的工作面涌水量qj(m3·d-1·m-1)为：

Qt=S·F·ΔH=S·(b·I)·ΔH

=S·b·v·t·ΔH

(7)

(8)

式中，S为储水系数，取10-3；F为采空区面积，m3；b为采空区宽度，m;l为工作面推进长度，m；v为工作面推进速度，m·d-1；ΔH为采空区内顶板砂岩承压水位降深。

其中，含水层重力释水静储量计算公式为：

Q重=μd·F·m

(9)

式中，μd为含水层重力给水度；F为评价区疏干范围面积；m为含水层厚度。

煤顶板含水层给水度实验值取：μ平均值取0.0578，μ最大值取0.0852。利用弹性释水和重力释水计算公式，分别对110301整个工作面、工作面前1000 m范围内、顶板初次来压步距(按60 m 考虑)范围内以及周期来压步距范围内含水层的静储量进行估算。

工作面预计回采时间为2019年6月1日至2020年9月31日，合计12456 h。整个工作面回采过程中正常涌水量为301 m3/h，最大涌水量为441 m3/h。具体静储量见表6所示。

表6 首采面顶板砂岩含水层静储量估算表

(2) 风氧化带水静储量预计

风氧化带富水性不均一性明显，其水文地质条件尚不满足相关理论，现采用比拟法初步计算。以相邻金凤煤矿的011801工作面回采前对风氧化带静储量疏放数据，预计首采面西侧3#煤风氧化带静储量。在疏放条件下，2011年11月011801工作面切眼疏放风氧化带静储量约10500 m3。

式中，Q1为首采面切眼附近风氧化带静储量，m3；Q2为金凤煤矿011801工作面切眼处风氧化带静储量，取值为10500 m3；L1为首采面内风氧化带影响范围宽度，取值为45 m；L2为金凤煤矿011801工作面内风氧化带影响范围宽度，取值为25 m；B1为首采面内风氧化带宽度，取值为140 m；B2为金凤煤矿011801工作面内风氧化带宽度，取值为80 m；通过计算得出，首采面切眼附近风氧化带水静储量33075 m3。

3 工作面防治水技术

综上所述，对金家渠煤矿提出“疏放和离层探放”的工作面防治技术。顶板含水层进行提前疏放，回采时进行离层探放，减小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，以实现“消峰平谷”，保证工作面在回采期间顶板水不会对工作面安全生产造成较大威胁。

3.1 疏放钻孔布置

金家渠煤矿首采面为了更好的开展疏放工作，避免顶板水疏放钻孔施工影响工作面正常的设备安装，工作面顶板水疏放钻孔布置在首采面的风巷、辅运巷，共设计布置23个钻场。每隔100～200 m布置1个钻场，每个钻场设计3～5个钻孔。所布置钻孔均为上仰孔，终孔层位为进入直罗组砂岩含水层40 m。疏放钻孔设计布置方式如图2所示。

图2 首采面顶板水疏放钻孔设计布置图

3.2 离层水探放设计及要求

根据地质条件和生产情况，施工垂向上的离层水探放钻孔，穿透首采面顶板直罗组下段含水层约10 m；在平面上，最低点位置距离机巷煤帮约30～60 m范围。前期施工的顶板水疏放钻孔塌孔严重，为确保探放离层水效果，出现塌孔堵孔时，需及时透孔。

(1) 钻孔参数优化设计

本次初步在辅运巷设计2个钻场，9个钻孔，如果已成钻孔出水量超20 m3/h，再加密放水钻孔，首采面离层水钻孔设计平面布置见图3，图中蓝色钻孔表示离层孔。

图3 离层水钻孔设计平面布置

(2) 钻孔结构参数设计

从煤层顶板完整粉砂岩段开孔，穿过3煤层老顶粗砂岩含水层10 m后终孔。钻孔开先采用φ94 mm钻头钻进，再用φ165 mm钻头扩孔，安装φ127 mm套管，之后采用φ94 mm钻头加φ73 mm钻杆正常钻进。

(3) 钻孔技术参数要求

钻孔施工时间要结合首采面回采速度、周期来压等因素，施工时间不宜过早，否则离层空间尚未形成，如果施工时间过晚，则不能在老顶垮落之前施工完毕，离层水会随着老顶垮落进入巷道，造成水害事故。在工作面回采之前先开孔、下设止水套管、耐压试验等，待工作面即将回采至离层水发育位置开始继续施工钻孔，具体施工时间可以根据现场情况调整。

(4) 钻孔施工工序优化设计

首先施工LC1钻场距离机巷30 m的LC1-1和LC1-2钻孔，然后依次施工距离机巷45 m的LC1-3和LC1-4，最后施工距离机巷60 m的LC1-5和LC1-6。依据工作面回采步距及LC1钻场离层水探放情况，施工LC2钻场离层水探放钻孔。

3.3 防治水效果评价

(1) 采前疏放

采前疏放水阶段，至2019年4月9日工作面涌水量为176.4 m3/h。风巷各钻场钻孔涌水量已于2018年10月3日前后疏降为0 m3/h，首采面疏放水量全部来自辅运巷各钻场疏放水量占工作面疏放水量100%。随着辅运巷疏放水钻孔的不断施工，疏放周期的延长，首采面涌水量呈现为趋于稳定的趋势。首采面疏放水量历时变化曲线如图4所示。

(2) 离层探放

在110301工作面辅运顺槽内施工离层水共3个钻孔，进尺为434.5 m。离层水钻场距切眼位置90 m,钻孔终孔位置距切眼32 m。钻孔施工过程中孔内无水，结合工作面回采速度，说明工作面未形成离层水。

图4 首采面疏放水量历时变化曲线

4 结论

(1) 分析了影响110301首采工作面安全回采的主要水源，结合3煤层与含水层之间层间距，确定3煤层导水裂隙带高度与含水层之间关系，并对顶板含水层静储量与动储量计算，为下步疏放水工程施工提供指导性意见。

(2) 分析110301首采工作面地质及水文地质条件，采用常规顶板水疏放加离层水的防治水方法，有效杜绝了工作面回采期间发生突水事故。此方法在本矿及地质及水文地质条件类似其他矿井防治水工作具有借鉴意义。