马脊梁矿一盘区3 煤顶板富水性分区及疏放水方案研究

秦子强

（晋能控股煤业集团 马脊梁矿，山西 大同 037027）

马脊梁矿井田可分为3 煤、5 煤和8 煤3 个开采煤层，根据采区的巷道布置及煤层分组情况，将分区划分为3 个盘区。其中一盘区3 煤工作面在采掘期间由于3 煤与2 煤顶板的K3砂岩上段含水层距离较近，部分区域甚至直接接触含水层，导致多次发生涌水现象，加大了防治水工作的难度系数，同时对采掘作业的相关工作面的安全造成了严重的威胁[1]。

1 地质水文概况

一盘区3 煤平均厚度为6.8 m，顶板隔水层平均厚度为2.1 m，由于3 煤顶板隔水层较薄，随着3 煤巷道不断掘进和工作面回采，矿井涌水量从采掘初期的5 m3/h 增大到380 m3/h。井田东翼一盘区首采区的主要含水层之一是山西组K3砂岩含水层，其顶部以粗粒砂岩为主，较稳定，常作为3 煤直接顶板，富水性极强；含水层较稳定，平均厚度为178 m，渗透性较好，富水性相对较强。

2 富水性分区研究

含水层富水性评价结构可分解成2 个阶梯，分别为目标层A 和决策层B，决策层包含构造密度（逆向）、褶皱分维指数、断层分维修正指数、岩性结构指数、单位涌水量插值5 个指标，评价结构如图1 所示[2]。

图1 层次分析法富水性评价指标阶梯图Fig.1 Ladder diagram of water abundance evaluation index of analytic hierarchy process

从所有因素中随机抽取2 个因素进行对比，然后将对比值建立矩阵式，见表1，通过计算判断矩阵A 的最大特征根λmax，得到该矩阵的特征向量P=（p1，p2，p3，p4，p5） T，p1、p2、p3、p4、p5分别对应5 个评价指标的权重向量。

表1 判断矩阵A ～B（i=1～5）Table 1 Judging matrix A ～B(i=1 ～5)

经过计算，p1=0.35、p2=0.26、p3=0.09、p4=0.15、p5=0.14，λmax=5.04。

把计算完的5 个评价指标权重进行一致性检验，检验合格后将指标分成4 个聚类，通过求相邻聚类中心点的平均值，得到5 个指标的局部变权区间。

为了使每个区间的变化趋势都能很好地体现出来，经过分析，在一个合适的局部状态变权向量里建立数学模型[3]，再以指数形式构造出均衡函数，将主控因素下的归一化数值代入数学模型中，根据等值线的疏密程度进行富水性分区，得到基于局部变权的富水性分区图如图2 所示。

图2 富水性指数等值线与富水性分区Fig.2 Contour of water abundance index and water abundance zoning

由图2 可看出，一盘区3 煤的强富水区主要分布在中西和中北部，而在东南和东北局部则是相对弱富水区。通过分析一盘区3 煤的井下实际情况，结合山西组下段含水层水文地质条件的变化，从ZL7 钻孔向北一直掘进，发现山西组下段含水层富水性逐渐减弱，证实了一盘区山西组下段含水层富水性分区的一致性。

3 疏放水方案研究

3.1 工作面掘进期间疏放水方案

工作面掘进期间，矿井主要充水通道是巷道围岩松动裂隙，放水期间FS0 钻孔水量最大为1.5 m3/h，G1 钻孔水量最大为24 m3/h，短时间内水量稳定（6 h），钻孔单孔水量较大且难衰减，说明3煤间顶板山西组K3含水层富水性较强。

基于岩层中水压问题，直接影响钻孔超前距与帮距的长度，在经过两次更换探水孔直径后，采用二级结构，即开孔时选用合金钢钻头钻进，直径为94 mm；再更换止水套管下入，直径为76 mm；最后钻进孔径56 mm 的至终孔，钻孔结构图如图3所示。在探放水过程中，还需考虑煤层地质构造因素，例如1 ～2 煤层中含有泥岩，遇水会发生泥化、膨胀等现象，直接造成钻孔塌孔或堵孔，因此在施工过程中，为防止出现此类现象，可根据具体情况，对泥岩段下设套管或适当增加止水套管的长度。若岩石裂隙比较发育时，可适当加长孔口管的长度，依情况而定。下入孔口管后，需连接同直径的压盖和注浆管路，并用注浆泵压入水泥浆液进行凝固，水泥浆液需提前计算好量，注入后至少静置24 h 方可凝固。

图3 钻孔结构图Fig.3 Drilling hole structure

钻孔位置一般选在钻窝中心线左右，钻孔终孔到巷道顶板的垂直距离为15 m。透孔后要进行耐压试验，要求水压不小于静水压值的1.5 倍。截止2021 年8 月初，8117 工作面共计实施了15 个长度为350 ～500 m 的钻探放水钻孔，还配有瞬变电磁超前探测以便于安全掘进，步距为80 m。通过两探结合，超前探放，当掘进头推进至探水线位置时，立刻停止掘进，执行探放水工作。目前，8117工作面长距离定向钻孔疏放水量累计达700 万m3，观测孔水压不超过0.51 MPa，说明疏放水方案切实可行，保证了掘进工作安全进行。

3.2 工作面回采期间疏放水方案

工作面回采期间，矿井主要充水水源为山西组下段含水层，局部区域3 煤顶板山西组K3砂岩含水层，也成为工作面回采的充水水源。在回采前，需进行顶板水疏放，一方面疏放其顶板含水层的静储量，另一方面有效降低其含水层的水位，但是由于工作面回采不可避免的会破坏其顶板含水层，导致回采过程中涌水量的增大。

钻场间距按照不同的位置分为2 种，一种是在切眼附近，钻场的间距设置为150 m；另一种是在工作面中部区域或靠近停采线区域，钻场间隔为200 m。每个钻场设计5 个钻孔，分别是1 个垂直于巷道顶板的疏放水钻孔，平距为150 m；2 个沿巷道方向的顶板水疏放钻孔，平距为90 m；2 个与巷道夹角为60°，平距为150 m 的顶板水疏放钻孔。

4 效果分析

4.1 钻探工程

在8117 工作面机巷施工6 个钻场、26 个钻孔，辅运巷施工9 个钻场、51 个钻孔，风巷施工10 个钻场、45 个钻孔，切眼施工2 个钻场、13 个钻孔，钻探总工程量为19 793 m。由于回采期间产生裂隙水会直接渗入到顶板山西组下段砂岩含水层，导致顶板水渗透严重，工作面周围及内部断层，由于落差较小，对工作面的影响可忽略不计。

4.2 数据分析

8117 工作面设计走向长度2 377 m，倾向长度240 m，顶板含水层疏放后的残余水头最大为0.4 MPa，根据马脊梁矿防水工程设计，得到工作面顶板含水层总静储量为385.52 万m3，工作面动态补给量为457.30 m3/h。

4.2.1 顶板水疏放总量变化分析

8117 工作面顶板水疏放总量从2020 年9 月初开始，呈稳步上升趋势，由1 m3/h 逐渐增大至328 m3/h，后又逐渐衰减，截至2022 年4 月下旬，涌水量基本保持稳定状态，约176.3 m3/h，顶板水疏放量如图4 所示。

图4 工作面顶板水疏放量历时曲线图Fig.4 Duration curve of working face roof water drainage

由图4 分析可知，8117 工作面顶板水疏放总量变化主要与新施工疏放水钻孔有关，尤其是当疏放水钻孔水量较大时，总涌水量曲线也会随之发生起伏。

4.2.2 各巷道水量变化分析

8117 工作面辅运巷施工4 个钻场，26 个钻孔，机巷施工8 个钻场，49 个钻孔，风巷施工11 个钻场，42 个钻孔。机辅巷顶板水疏放量由最开始的16 m3/h 逐渐增大至281 m3/h，后又逐渐减少至110 m3/h，并呈现出逐渐稳定的趋势。由于疏放水钻孔的增加，疏放水量也在不断加大，顶板含水层的静储量也会随着新钻孔的增加不断被疏放，疏放水量由大变小直至呈稳定状态。说明疏放水钻孔的增加可以有效疏放机辅巷和风巷顶板含水层的静储量。

4.2.3 各钻场水量变化分析

8117 工作面机巷施工8 个钻场，辅运巷施工4个钻场，位于16 和17 勘探线之间，其中FY13、FY14 和FY15 钻场的疏放水量分别为101、108、和89 m3/h，接近峰值，在巷道掘进期间，这部分的顶板含水层富水性较强，淋水量较大。8117 工作面风巷共施工了11 个钻场，位于16 和18 勘探线之间，其中疏放水量较大的钻场有F0702、F0703、F0706 和F0709，疏放水量分别为28 m3/h、30 m3/h、38 m3/h 和36 m3/h，在巷道掘进期间，由于这个区域的疏放水量接近峰值，因此淋水量也大，再加之机辅巷在16 和17 勘探线之间疏放水钻孔的水量也不小，说明这个区域顶板含水层有较强的富水性。

4.2.4 各钻孔水量变化分析

8117 工作面机辅巷共施工12 个钻场，75 个钻孔，其 中FY7-1、FY12-2、FY13-3、FY14-5、FY15-6、FY16-8 的峰值疏放水量分别为30、31、33、35、35、40 m3/h。所有疏放水钻孔水量会随着时间的推移而发生变化，当疏放时间越长，钻孔的疏放水量就越少。8117 工作面风巷共施工11 个钻场，42 个钻孔，其中F0702-2、F0703-2、F0704-1、F0705-3、机动孔JD2 的峰值疏放水量分别为10、12、14、16、20 m3/h。同样所有疏放水钻孔水量均会随时间的延长而逐渐减少。切眼共施工2 个钻场，13 个钻孔，各钻孔水量相较于机辅巷和风巷略小。总之，绝大部分疏放水钻孔水量会随时间的延长而逐渐减少，呈下滑状态。

4.2.5 各钻孔水量衰减情况

疏放水钻孔对含水层地下水的疏放效果可通过钻孔水量的衰减情况反映出来，衰减率=（初始水量- 最终水量） /初始水量，可以看出衰减率越大，表明对含水层静储量的疏放效果越好。以水量大于3 m3/h 的钻孔为例，8117 工作面共135 个顶板水疏放钻孔，其中有73 个钻孔的水量均超过3 m3/h，观察这73 个钻孔的疏放情况，为期一年半，发现这73 个钻孔水量的衰减率约为75%，说明这些钻孔可以达到疏放8117 工作面顶板含水层静储量的目的。

4.2.6 各钻孔水量稳定情况

疏放水钻孔水量能否影响含水层地下水的动态补给量，可根据钻孔水量的稳定情况来判断。现统计了8117 工作面的水量稳定情况，如图5 所示，共有135 个疏放水钻孔，其中有130 个钻孔能达到20 d 的水量稳定，124 个钻孔可以达到30 d 水量稳定，119 个钻孔能达到60 d 水量稳定，108 个钻孔水量稳定时间可持续90 d。这就说明绝大多数钻孔的水量已经可以达到长时间稳定状态，为含水层静储量的疏放创造了有利条件。

图5 钻孔水量稳定时间与钻孔个数关系Fig.5 Relationship between the stability time of drilling hole water volume and the number of drilling holes

4.3 效果验证

8117 工作面共135 个顶板水疏放钻孔，其中有73 个钻孔的水量均超过3 m3/h，观察这73 个钻孔的疏放情况，为期一年半，发现这73 个钻孔水量的衰减率约为75%；8117 工作面135 个疏放水钻孔的水量稳定情况，其中有130 个钻孔能达到20 d 的水量稳定，124 个钻孔可以达到30 d 水量稳定，119 个钻孔能达到60 d 水量稳定，108 个钻孔水量稳定时间可持续90 d；截至2021 年4 月下旬，顶板含水层的疏放水总量为503.8 万m3，动态补给量为357.27 m3/h，疏放水残余水量为296.5 m3/h。

综上所述，8117 工作面顶板水疏放达到了预期效果，含水层静储量得到了有效疏放，保障了工作面安全回采。

5 结 论

（1） 对一盘区3 煤顶板山西组下段含水层进行了富水性分区，总体上盘区东北、东南部富水性较强，西北和西南部富水性较弱，在此基础上制定了8117 工作面采掘及回采期间顶板疏放水技术方案。

（2） 综合分析8117 工作面采掘期间顶板疏放水技术方案及效果验证，结果显示，钻孔水量的衰减率约为75%，顶板含水层的疏放水总量为503.8万m3，动态补给量为357.27 m3/h，疏放水残余水量为296.5 m3/h，达到了预期效果，含水层静储量得到了有效疏放。