浅析下组煤1160采区首采面十三灰含水层疏降试验

吴新庆，乔建伟，姜亦亭，赵奎帅

(1.淄博矿业集团许厂煤矿，山东济宁 272100;2.华北科技学院水害防治研究所，北京东燕郊 101601; 3.阳煤集团新景煤矿，山西阳泉 045000)

0 引言

淄博矿业集团济北矿区许厂煤矿投产至今一直主采上组3下煤层，随着开采规模的不断加大，上组煤资源量急剧减少，且在所剩资源量中“三下”压煤占有较大比例，开采条件比较复杂，由此导致后续开采不但成本较高，而且技术难度增大。因此，从矿井可持续发展的长远角度，下组煤开采势在必行，实行上下组煤合理配采迫切且必要。

十下灰含水层全区稳定，直接压16上煤层，间接压17煤层，处于17煤开采的垮落带内，是下组煤直接充水含水层。本层为岩溶裂隙承压含水层，厚2.84～9.30m，平均5.35m。岩溶裂隙比较发育，既有高角度裂隙也有低角度裂隙，局部具小溶洞，直径可达20 mm，。十下灰含水层露头部位垂向补给不良，但孙氏店断层及支1、支2断层上盘的十下灰大部分与下盘的奥灰对接，受奥灰水的侧向补给。石炭系太原组第十三层灰岩(简称为十三灰，全文同)和奥陶系灰岩(简称为奥灰，全文同)是区域性含水层，也是区内下组煤开采的底板主要充水含水层，对下组煤安全开采具有重要影响。根据已有的勘查资料及掘进揭露情况，与兖州矿区杨村、南屯、田庄等下组煤开采矿井相比，许厂煤矿下组煤底板水文地质条件相对复杂，十三灰和奥灰水害威胁，十三灰和奥灰富水性较强，水压较高，下组煤底板处于高承压状态。而且下组煤与十三灰和奥灰的间距较小，16上煤层与二者的间隔厚度分别在22～35.9 m和23.59～69.6 m。据首采区及周围区段钻孔柱状资料测算，奥灰、十三灰对于16上煤底板的突水系数普遍超过0.1 MPa/m，突水危险性较大。如考虑底板采动扰动及构造变动等不利因素，下组煤回采过程的底板阻水能力将会大大降低，不排除断层带或局部底板阻水薄弱部位(裂隙发育带、陷落柱等)成为垂向导渗的通道，甚至直接沟通奥灰水而发生突水灾害。

1160采区是许厂煤矿下组煤规划开采的首采区，11603工作面是该采区的首采面，许厂煤矿下组煤开采伊始，区内缺少相关资料积累，为了实现带压开采的安全生产，许厂煤矿充分利用已有的首采区勘探和开拓成果，结合首采面掘进和超前物探、钻探揭露的顶底板含水层水文地质资料，对11603首采工作面十三灰含水层进行疏降试验。

1 11603工作面十三灰含水层疏降试验

1.1 疏降试验的目的

一是通过疏降试验对11603工作面区域的水文地质条件进行分析，主要分析十三灰疏降条件下与奥灰含水层的水力联系程度;二是通过疏降试验查明十三灰突水系数是否能降至0.1MPa/m以下，能否达到安全回采条件;三是利用已施工疏放水工程为基础，调整疏降工程规模或增补其它防治水措施从而实现带压开采的安全生产。

1.2 疏降试验方法

根据疏降试验目的和任务，本次疏降的层位就是16上煤底板十三灰含水层。由于其属高承压含水层，井下又具备足够的排水能力和完备的测流、测压装置，所以本次试验按照非稳定流方法，采用井下放水，井上、下同步观测的方法。为充分研究该区域水文地质条件，又采用分阶段疏水，从而达到评价11603工作面水文地质条件的目的，并为下一步开采防治水方案确定提供依据。

1.3 疏降试验工程布设

本次利用井上、下已完成的十下灰、十三灰及奥灰孔共21个钻孔所形成的水文地质观测网进行疏降试验，钻孔布置如图1所示，其中奥灰观测孔4个，十三灰孔15个，十下灰孔2个参加了本次试验。

2013年5月18日8∶00～2013年5月20日8∶00共48小时井上、下孔均先后进行地下水原始动态观测，钻孔详细参数见下表1:疏降实验放水孔孔口排水设备如图2所示:

图1 十三灰含水层疏放水钻孔及观测网孔分布图

表1 疏放孔及观测孔网参数表

图2 放水孔流量测定装置示意图

1.3.1 正式放水

第一阶段十三灰放水:从2013年5月20日17∶00开始，首先打开11601皮带顺槽一侧的L13疏－1、

L13疏－2、L13疏－3、L13疏－4、L13监－1 (旧)5个钻孔进行疏降试验，初步了解十三灰疏降可行性，放水量合计128.04m3/h，井上、下17个十下灰、十三灰和奥灰孔均参与了观测，历时64小时。鉴于11603工作面钻孔大部分十三灰含水层突水系数未降至0.1 MPa/m，故进入第二阶段放水。

第二阶段十三灰放水:从2013年5月23日9∶00开始，在L13疏－1、L13疏－2、L13疏－3、L13疏－4、L13监－1(旧)5个钻孔放水的基础上叠加 L13疏 －8进行疏降放水，放水量合计134.01 m3/h，井上、下16个十下灰、十三灰和奥灰孔均参与了观测，历时31小时。鉴于11603工作面还有部分十三灰含水层钻孔突水系数未降至0.1 MPa/m，故进入第三阶段放水。

第三阶段十三灰放水:从2013年5月24日 16:20开始，在L13疏－1、L13疏－2、L13疏－3、L13疏－4、L13监－1(旧)、L13疏－8钻孔放水的基础上叠加11603皮带顺槽侧的L13监－3进行疏降放水，放水量合计165.21 m3/h，井上、下15个十下灰、十三灰和奥灰孔均参与了观测，历时49小时。鉴于11603工作面十三灰含水层钻孔突水系数降至0.1 MPa/m，5月26日5∶00流场稳定进入水位恢复阶段。

第四阶段为水位恢复阶段:5月26日5∶00流场稳定，关闭所有参数疏降试验的放水钻孔进入水位恢复阶段，5月30日23∶00水位恢复稳定，疏降试验结束。

11603工作面底板十三灰含水层经过13天的疏降试验，取得水位(压)、水量观测数据9000余个，放水累计18534.2m3，常规分析水化学样本11个，取得了真实而丰富的资料。

表2 疏降试验实施过程简表

1.4 工作面十三灰疏降试验成果

从放水过程中各钻孔水量分布来看，钻孔水量较大的富水区主要集中于距切眼440 m范围，约占总水量的71%。

水位降落分三个阶段:

第一降落阶段:疏降孔为L13疏－1、L13疏－2、L13疏－3、L13疏－4和L13监－1(旧)等5孔，基本集聚了富水区的11601皮带顺槽水量较大的钻孔，合计疏放水量128.04 m3/h。

从放水试验资料来看，本阶段11603工作面十三灰疏降效果较好，十三灰突水系数基本接近或小于0.1 MPa/m，但仍有4孔大于0.1 MPa/m。从技术角度还需要增大放水量继续疏降。

第二降落阶段:叠加11603轨道顺槽L13疏－8放水，疏水量为 9.23 m3/h，累计水量134.01 m3/h，较第一阶段增加5.97 m3/h。

从放水试验资料来看，在第一阶段基础上，本阶段11603工作面十三灰叠加疏降效果不好，突水系数仍有3孔大于0.1 MPa/m，还需要增大放水量继续疏降。

第三降落阶段:继续叠加11603皮带顺槽L13监 －3放水，疏水量57.5 m3/h，累计水量165.21 m3/h，较第二阶段增加31.2 m3/h。

从放水试验资料来看，本阶段11603工作面十三灰叠加疏降效果较好，除L13监－6突水系数略高于0.1 MPa/m(该孔位于工作面停采线以外)，其余各孔均降至0.1 MPa/m之下。

从十三灰大降深疏降来看，11603工作面中部OX观－3孔奥灰水位没有明显降深，基本判断工作面内部没有奥灰与十三灰水力联系密切的大的垂直导水通道，在十三灰疏降至安全水头情况下，可保证工作面安全开采。

2 结论

1)疏降实验证明下组煤－400 m水平所处块段为一相对独立水文地质单元，在十三灰疏降至安全水头情况下，可保证工作面安全开采。

2)本项目将疏水降压技术应用于煤层底板承压水开采，替代传统的底板注浆加固承压水开采降低了吨煤成本实现了安全高效生产取得了明显的社会、经济效益。

［1］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009.

［2］ 国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定释义［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［3］ 虎维岳.矿山水害防治理论与方法［M］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［4］ 杨起，韩德馨.中国煤田地质学［M］.北京:煤炭工业出版社，1979.

［5］ 李增学.煤田地质学［M］.北京:地质出版社，2009.