顺和煤矿工作面底板太灰水动态引流方案设计应用

戴 磊，段李宏，杨 斌，祝汉京

(永煤集团股份有限公司，河南 永城 476600)

煤炭作为主体能源，长期担负着保障我国能源安全、经济持续发展的重任。随着煤矿开采深度的增加，部分矿井底板承压含水层的水压不断增高，水文地质条件更加复杂，采掘工作面底板受太原组灰岩水的威胁更加严重。目前，承压含水层水害治理采取的主要方法有地面区域治理、井下注浆加固底板或者改造含水层、疏水降压、充填开采等。其中，疏水降压是目前水害治理最常用的方法之一。

顺和煤矿是永煤集团在永城矿区投产的第五对现代化矿井，矿井设计生产能力60万t/a，2009年10月15日开工建设，2014年5月16日竣工投产。矿井主要受底板太原组灰岩含水层承压岩溶水影响，21采区所有工作面均采用底板注浆改造含水层进行水害治理[1-6]。据统计，顺和煤矿已完成底板注浆改造工程5.2万m，注浆量1.2万t，水害治理的费用约为12元/t。目前，根据顺和煤矿的生产接续计划，21采区已关闭，下一步计划开采24采区。该采区煤层埋深已超过-500 m，预计太原组灰岩水压达到5 MPa以上，面临典型的太灰高承压底板水害问题，若仍采用普遍注浆改造底板含水层，不仅安全性不高，且会消耗大量的注浆、钻探费用，势必造成工作面水害治理成本的大幅度增加。为此，矿井通过分析24采区的主要控水构造分布、导水性及各边界断层已有的揭露情况，以及专门抽(放)水的试验资料，结合东翼浅部工作面及邻近陈四楼矿注浆工程施工钻孔揭露水量、注浆量等资料，对矿井水文地质单元的边界条件，尤其是自然控水边界及人为隔水边界综合影响下的边界条件动态演化过程进行全面、精细评价，评价工作面底板太灰上段含水层的可疏降性。如果采用疏水降压的方法能够满足安全开采需求，则矿井的水害治理成本将显著降低。

1 矿井水文地质单元精细划分

顺和井田位于永城隐伏背斜西翼的后王庄背斜之西北翼，整体为一单斜构造形态。井田范围内三维地震勘探、采掘工程实际揭露和控制断层91条，局部伴有岩浆岩侵入体。断层中，落差≥100 m4条，50～100 m的3条，15～50 m的14条，3～15 m的70条。断层密度达到了8.5条/km2。根据井田构造及其水力性质，以及矿井范围内地下水补给、径流、排泄条件等资料，结合不同区域水文地质条件的差异性，初步将井田划分以下4个不同的水文地质单元，如图1所示。

图1 顺和煤矿水文地质单元划分图

24采区位于井田西翼水文地质单元Ⅲ，研究区北部边界为F8断层，落差为100～430 m，由西至东逐渐变大，为一控制可靠断层，可能为北部进水边界。研究区东南部受DF8(正断层、落差70 m)、DF7(正断层、落差55 m)和F40(逆断层、落差40 m)等可靠断层及其他构造的影响，灰岩水对研究区内太灰上段东南部接受外部补给的能力相对减弱；西部受F12(正断层、落差100 m)构造的影响，进一步对水文地质单元Ⅲ进行切割，造成研究区太灰含水层上段地下水补给、径流条件相对变差，初步具备了疏水降压的水文地质环境[7-11]。

2 工作面地质及水文地质

2.1 工作面地质条件

2401工作面是顺和煤矿西翼24采区的首采工作面，位于水文地质单元Ⅲ，工作面整体为一单斜构造，工作面标高为-508～-630 m，南邻F40(逆断层、落差40 m)，西侧为2402工作面和DF4(正断层、落差25 m)，东侧为DF7(正断层、落差55 m)，为相对封闭的水文地质单元Ⅲ内的封闭区域，如图2所示。

图2 2401工作面相关构造示意图

2.2 工作面水文地质条件

2401工作面直接充水水源为煤层顶、底板砂岩裂隙水，属砂岩裂隙承压弱含水层，补给源以侧向渗入为主，地下水径流运动迟缓，以消耗静储量为主。太原组上段灰岩岩溶裂隙承压含水层是二2煤层的主要间接充水含水层，岩溶、裂隙发育，灰岩水静水位-190.5 m，单位涌水量0.008 41～0.005 79 L/(s·m)，富水性弱，属岩溶裂隙高承压弱含水层。根据矿井地质勘探钻孔资料：二2煤层下距太原组L11灰岩47.8～55.0 m，距L10灰岩61.2～65.0 m,距L9灰岩72.7～75.0 m,距L8灰岩78.7～82.0 m；L11灰岩平均厚1.4 m，L10灰岩平均厚3.61 m，L9灰岩平均厚2.04 m，L8灰岩平均厚10.5 m。

2.3 工作面底板水压情况

根据井下水文观测孔及工作面底板注浆钻孔施工揭露资料，工作面太原组上段灰岩含水层水位标高为-215 m，工作面承受底板太灰含水层水压为3.25～4.15 MPa，采用突水系数法预测回采工作面底板突水危险性[12]。考虑到2401工作面底板破坏深度，根据经验公式h=1.86+0.11L计算[13]，工作面斜长L为150 m。因此，2401工作面底板破坏深度为19 m、隔水层厚度为53 m，去除底板破坏深度后有效隔水层厚度为34 m，则工作面的突水系数为0.096～0.122 MPa/m，工作面存在底板突水危险。

3 工作面放水试验

3.1 工作面放水试验方案设计

为了获取顺和煤矿2401工作面底板太灰含水层的水文地质参数，结合2401工作面下巷现有3个放水孔的出水能力与分布位置，开展井下放水试验，钻孔涌水量具体情况如表1所示，分布情况如图3所示。

表1 2401工作面下巷钻孔涌水量观测统计结果

图3 2401工作面井下放水试验钻孔布设示意图

3.2 放水试验成果

P4-2观测孔水压从3.21 MPa降到2.29 MPa，放水孔的中心位置形成92 m的降深，并在距S5-1放水孔最远350 m处的P1-6孔，形成了182 m降深，如图4所示。表明2401工作面底板太灰含水层整体连通性较好，在P4-2钻孔处可能由于S2F4断层等阻水构造或前期的注浆工程阻断了P4-2与放水孔的大部分水力联系，初步分析认为具有较好的可疏降性。恢复阶段，P1-6、P4-2观测孔经过3 d分别恢复了193、95 m降深，初步分析认为太灰上段含水层具有较好的补给来源。放水阶段和恢复阶段总降深如表2所示。

图4 2401工作面放水试验放水阶段水压实测曲线

表2 2401工作面放水试验降深统计

3.3 水文地质参数求解

放水试验结束后，对井下群孔放水试验数据资料进行了细致处理及成果总结，对含水层的渗透系数、单位涌水量等主要水文地质参数进行了计算和分析。结合放水试验成果，分别选用降深—时间配线法和直线图解法[14-15]，计算放水孔渗透系数K，如表3所示。

表3 放水孔渗透系数统计

根据井群干扰原理，群孔持续抽水形成区域降落漏斗，漏斗中每点的降深都是由各个疏水孔抽水的效果叠加影响，计算放水孔单位涌水量，结果见表4。

表4 单位涌水量计算

放水试验数据表明，整个放水阶段，底板太灰上段水的水压下降明显，计算的单位涌水量最大值仅为0.042 L/(s·m)，属于弱富水性含水层。因此，2401工作面作为相对独立的水文地质单元，底板太灰上段水整体的连通性较好；另外,受采区边界条件控制，区内地下水的补给条件不足，疏降试验能够形成有效的降深，进一步表明研究区底板太灰具有较好的可疏降性。

4 底板灰岩水动态引流方案设计及实施

4.1 预期目标

1)疏降至底板安全水压：将2401工作面最低点处太灰静水压力疏降至2.0 MPa，即在疏降条件下含水层的水位降深最小应达到215 m左右。

2)疏降至煤层底板(底板太灰“疏干”)：将2401工作面底板太灰含水层水位疏降至煤层底板以下，即在疏降条件下含水层的水位降深最大应达到362 m左右，最小应达到269 m左右。

从偏安全角度出发，矿井最终确定选择将太灰水疏降至煤层底板以下，即将底板太灰水“疏干”。

4.2 方案设计

根据以往动态引流疏降经验，在保证2401工作面的疏降要求的同时考虑24采区的巷道布置，以及后期方便为整个24采区服务，本次动态引流疏放方案设计分别采用112、100、90、67 m3/h等效疏水量，通过分别计算疏降效果，作为工作面回采前的决策依据。

4.3 疏降效果预测

疏降效果预测的公式为非稳定流的近似理论的Jacob公式[15]：

(1)

式中：s为观测点的水位降深；Q为放水孔的流量；T为导水系数；t为自放水开始到计算时刻的时间；r为计算点到放水井的距离；S为含水层的储水系数。

根据非稳定流求参Jacob公式，计算了工作面最低点的叠加降深，结果如表5所示。

表5 2401工作面最低点疏降方案叠加降深预测计算

1)整体疏降强度达到112 m3/h，第1天就会产生约210 m降深，即第1天可将2401工作面最低点处太灰静水压力疏降至2.05 MPa，第2天可保证2401工作面的带压开采安全；在第22天就会产生362 m降深，将整个工作面太灰水疏至煤层底板。

2)整体疏降强度达到100 m3/h，第1天就会产生约188 m降深，即第1天可将2401工作面最低点处太灰静水压力疏降至2.27 MPa，在第2天就会产生约225 m降深，可将2401工作面最低点处太灰静水压力疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的带压开采安全；在第51天就会产生362 m降深，将整个工作面太灰水疏至煤层底板。

3)整体疏降强度达到90 m3/h，第1天可将2401工作面最低点处太灰静水压力疏降至2.47 MPa，在第4天可疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的带压开采安全；在第150天就会产生约363 m降深，基本将整个工作面的底板太灰水疏降至煤层底板以下。

4)整体疏降强度达到67 m3/h，则在第1天就会产生约125 m降深，即在第1天可将2401工作面最低点处太灰静水压力疏降至2.90 MPa，在第20天可疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的带压开采安全；但是整个采区在67.2 m3/h的疏降强度下，很难实现将整个工作面的底板太灰水疏降至煤层底板以下。

因此，可以得出2401工作面不同动态引流方案下的疏降效果，如表6所示。

表6 2401工作面不同动态引流方案下的疏降时间统计

结果表明，2401工作面所在水文地质单元底板太灰上段的渗透条件相对较好，但富水性偏弱，具有良好的可疏降性[16-20]。考虑工作面安全回采及排水费用，建议选用整体疏降强度100 m3/h,工作面回采前51 d开始进行动态引流疏放工作，即可保证回采前太灰水水位疏降至煤层底板下。

4.4 疏降效果评价

工作面按照100 m3/h进行动态引流工作,根据疏降效果绘制了工作面水压等值线图，如图5所示。

图5 工作面水压等值线图

根据突水系数法，在工作面水压等值线图确定水压基础上，绘制了隔水层53 m的突水系数分布图，如图6所示。选取临界突水系数TS≤0.06 MPa/m，工作面最大突水系数为0.03 MPa/m，工作面通过疏水降压后可保障安全回采。

图6 工作面隔水层53 m突水系数等值线图

5 结论

1)通过对顺和煤矿水文地质单元的精细划分，将矿井划分为4个水文地质单元，其中24采区所属单元Ⅲ地下水补给、径流条件相对差，初步具备了疏水降压的水文地质环境。

2)开展了2401工作面的放水试验，收集了相关数据，进行水文地质参数求解，计算出放水孔渗透系数和单位涌水量。根据放水试验数据分析表明，动态引流疏降能够形成有效的降深，进一步表明研究区底板太灰具有较好的可疏降性。

3)根据以往动态引流疏降经验，设计了分别采用112、100、90、67 m3/h等效疏水量动态引流疏放方案，通过分别计算疏降效果，在整体达到100 m3/h左右的等效疏降强度下， 疏降周期合理、疏降效果明显，可实现工作面底板水害有效防治，保障工作面安全经济开采。