红柳林煤矿15205工作面探放水技术应用分析

陈小绳，朱国超

(陕西煤业化工集团红柳林矿业有限公司，陕西神木719300)

红柳林井田位于陕北侏罗纪煤田神北矿区最南端，矿井设计生产能力为10Mt/a。根据井田水文地质资料及勘探结果，4－2煤及5－2煤层顶板含水层总体上含水量较小，但在某些地段可能导水裂隙较发育，基岩顶界风化带及新生代沙层底部含水性也很不均匀，部分区段含水性较强，而井田内探明分布4－2，5－2煤的烧变岩，有地下水存在及富水的可能，成为影响采区安全生产的重要隐患。因此，本文就红柳林井田15205工作面初采以前的探访水工作及工作面涌水情况，做好“有疑必探”的准备工作，以解除15205工作面受到顶板水害的威胁，保障采面顺利回采。

1 水文地质概况及顶板充水条件分析

1.1 工作面水文地质条件

15205工作面位于南一盘区5－2煤辅运大巷北侧，西侧为实体煤，东侧为正在开采的15204工作面，南侧为采矿边界。工作面实际开采走向长达3033m，倾向长度350m。现工作回风、胶运、辅运巷均已形成。

15205工作面地表无村庄，地表北部地势较平坦，以沙丘、黄土地貌为主，南部受冲沟切割，以梁峁沟谷地貌为主，梁峁区植被覆盖，沟谷受流水冲刷切割较深，沟谷两侧边坡较陡，靠南有部分耕地。工作面地表自然形成南北向的分水岭，东侧冲沟汇入马牙岔，西侧冲沟汇入肯铁令沟。沟内一般为棕红色黏土，局部受侵蚀基岩出露，雨季时容易汇集大量山洪。地表盖层厚度35～204m，由于巷道掘进期间对巷道围岩系统影响有限，不会受地表水及松散层潜水的影响。但由于局部冲沟基岩侵蚀严重，工作面回采期间地表汇水及上覆含水层将会对工作面安全回采造成一定影响。

1.2 工作面顶板充水条件分析

根据矿井水文地质报告，15205工作面区域5－2煤主要的含水层为顶板砂岩裂隙承压含水层，其次为孔隙潜水含水层。地表无大的水体，补给条件较差，第四系沙层潜水以接受大气降水直接补给为主，凝结水补给微弱;侏罗系孔隙裂隙承压水主要接收区域侧向补给和上部地下水的渗透补给。在基岩出露区域，大气降水直接通过裂隙向岩层微弱渗透补给，其次是沙层孔隙水入渗补给。

15205工作面受水害威胁最大的顶板松散层水及基岩风化带水，在回采阶段，顶板一旦垮落后将使直罗组风化基岩水、第四系砂层水全部涌入到工作面内，易造成工作面水害事故的发生。

因此，需要对15205工作面顶板实施探放水工程用以查明采面顶板上覆延安组和直罗组风化岩的富水状况，并对工作面5－2煤顶板上覆直接充水含水层进行预疏放，降低工作面涌水强度。

2 探放水施工设计方案

2.1 施工概况

本次探放水工程以保障15205工作面安全回采为前提，以优化钻孔数量为原则，将设计的探放水钻孔分为一期、二期、三期工程施工。施工时首先对切眼内的探放水钻孔进行施工，确保15205工作面初采初放期间的安全;然后对异常区的探放水钻孔进行施工;最后，根据钻孔出水情况，对顶板水钻孔进行优化施工，以查明并探放工作面上覆风化基岩、松散层含水层和4－2煤烧变岩水富水状况。

本次探放水一期、二期、三期工程设计钻孔数为38个，其中一期钻孔数为16个钻孔，二期钻孔数为15个，三期钻孔数为7个，设计总工程量为5806m。在实际施工过程中，根据钻孔出水及施工条件情况，对部分探放顶板水钻孔进行了优化调整，调整后钻场数仍为12个，累计施工钻孔数为32个，其中一期施工钻孔数为16个，二期施工钻孔数为15个孔，三期施工钻孔数为1个孔，实际施工总工程量为4721m，如表1所示。

表1 15205工作面钻孔设计、实际施工工程量

本次探放水工程施工的32个钻孔中，24个孔探放顶板风化基岩水、松散沙层水，8个孔验证并疏放物探圈定的富水异常区。探测以上探放水孔以15～62°仰角向顶板含水层钻进。

2.2 施工工艺

本工程探放水的裸孔孔径设计为75mm，孔口管孔径φ108mm，长6m，孔口管以下为裸孔。

本工程钻探施工工艺如下:

(1)钻机设置及角度调整 按设计的方位角及俯角给定。

(2)孔口管固管工艺 下入孔口管后，接上同径压盖及连接注浆管路，用注浆泵压入计算量的固管用速凝浆液，注浆压力达到0.5MPa后，关闭注浆阀门，等凝12h;透孔后进行二次注浆，注浆压力达到1.5MPa后，关闭注浆阀门，等凝12h，再次透孔后用1.5MPa水压进行打压试验，试验持续时间为30min，达到要求后继续钻进至设计层位。孔口管固结注浆工艺如图1所示。

图1 孔口管固结注浆接头

(3)钻进方法 采用复合片钻头钻进，遇硬岩层用人造镶金刚石钻头钻进，冲洗液采用清水，有塌孔现象时可改用泥浆钻进，软岩层可试验用复合片(无芯)钻头钻进。

(4)钻进工艺参数 人造镶金刚石钻头钻进时，转数150～200r/min，压力90～100MPa，冲洗液量50L/min;金刚石复合片钻头钻进时，转数150～200r/min，压力50～55MPa，冲洗液量50L/ min。

(5)钻孔施工时开孔口 φ127mm至孔深7m，下入长6m，φ108mm孔口管，固管后用φ73mm钻头钻进至设计层位。

3 疏放水效果分析

3.1 钻孔涌水量及变化情况

本次施工的32个钻孔中，6个孔为干孔，占比18.8%;18个孔仅有少量淋水，占比56.3%; 1个孔水量小于1m3/h，占比3.1%;5个孔水量介于1～10m3/h，占比15.6%;1个孔水量介于10～15m3/h之间，占比3.1%;1个钻孔涌水量介于20～25m3/h之间，占比3.1%;无水和仅有少量淋水的钻孔占比合计达到75.0%，水量大于1m3/h的钻孔占比21.9%。探放水钻孔涌水量数据说明，5－2煤层上覆顶板水总体富水性弱;含水层富水性在空间上存在差异，局部存在相对富水异常区。

3.2 放水效果

从钻孔成孔放水截至，所有钻孔涌水量从初始的54.2m3/h衰减至目前的8.0m3/h，累计疏放水量44084m3，从钻孔涌水量变化情况来看，水量较大的地段主要集中在地表沟谷区域，该区域的水经过一段时间的疏放呈逐渐减小的趋势，说明地表沟谷地段以静储量为主，动态补给水较少。

通过钻孔涌水量衰减情况分析，探放水对各含水层的疏降取得了显著效果，并表明疏放目标含水层富水性弱，渗透性差，补给有限，以静储量为主。

4 工作面涌水量预计

根据15205工作面推进过程中工作面的涌水特点，首采工作面涌水量主要由以下两部分组成。

第1部分为顶板垮落裂缝带初次或周期发育至含水层后，导致裂缝带影响范围内的含水层与周边含水层被导水裂缝断开，使其内部的水通过纵横交错的裂隙被释放出来流入到工作面内，这部分水因为与原来的含水层脱离，不再接受侧向补给，因而这部分属于静态水，可按照含水层在一定时间内给水能力进行预计，其计算公式为:

式中，M为含水层厚度，正常涌水量时由于疏将作用含水层厚度取 6m;L为工作面斜长，取348m;B为初次沟通主要含水层垮落区宽度，取60m，周期性沟通含水层垮落区宽度为20m;μ为含水层给水度，取0.02;t为最终完成溃水时间，取2d。

第2部分为顶板垮落后，裂缝带周边未受开采影响的含水层，沿冒裂边界侧向径流源源不断地流入到工作面内，该部分水量主要由冒裂区顶部含水层的垂直下渗补给和冒裂区四周含水层的侧向径流补给两部分组成，因为有动态补给源，所以这部分水属于动态水，可按照“大井法”进行水量预计，其计算公式为:

式中，Q动为最大涌水量，m3/h;K为渗透系数，取3.0m/d;M为含水层厚度，m;H为水头高度，m;h为动水位至底板隔水层水柱高度，m;R0为引用影响半径，m;r0为引用半径，m。

将两部分水量相加，即可得出首采面水量计算公式:

采用公式 (3)可得15205工作面最大、正常涌水量分别为Q最大=141m3/h，Q正常=42m3/h。

5 工作面突、涌水危险性分析

根据本次疏放水效果及探放水钻孔涌水量分析可知，沿着工作面推进方向从切眼至310m范围内，所有钻孔均处于淋水状态，据此分析该范围内顶板富水性较弱，工作面不存在突水威胁;在该范围内，基岩厚度都在60m以上，工作面同样不存在溃砂的威胁。因此，工作面在0～310m这一地段开采不会存在水害威胁。

沿着工作面推进方向310～935m范围内，出水钻孔为 4个，初始涌水量分别为 2.0m3/h，11.0m3/h，2.0m3/h，23.3m3/h，其中T15号孔初始涌水量达到了23.3m3/h，化验后的水质类型为HCO3－Ca·Mg型，该处钻孔内涌水包含了松散层水和基岩风化带水，说明该范围内顶板含水层富水性较强，工作面推进至该区域时，可能存在突水的危险。然而，经过多日的疏放，该处4个出水钻孔从初始的38.3m3/h衰减至7.8m3/h，水量衰减率为80%，钻孔对含水层水的疏放效果非常显著，说明该富水区域地下水以静储量为主，动储量补给有限，通过本次探放水工程，基本解除310～935m这一地段的水害威胁，工作面不存在突水的威胁;在该范围内，基岩厚度都在60m以上，工作面同样不存在溃砂的威胁。因此，工作面在310～935m这一地段开采不会存在水害威胁。

沿着工作面推进方向935～3033m范围内，出水钻孔为 2个，初始涌水量分别为 3.5m3/h，9.1m3/h，经过一段时间的疏放，该段出水钻孔从初始的12.6m3/h衰减至0.2m3/h，水量衰减率为99%，其余钻孔为淋水孔甚至为干孔，因此该范围内顶板含水层富水性较弱，工作面不存在突水的威胁;在该范围内，基岩厚度都在60m以上，工作面也不存在溃砂的威胁。因此，工作面在935～3033m这一地段开采不会存在水害威胁。

目前，所有出水钻孔涌水量均已变小或干枯，钻孔涌水量从初始的 54.2m3/h衰减至目前的8.0m3/h，说明该区域地下水以静储量为主，动储量补给量有限，通过本次探放水工程，基本解除15205工作面的水害威胁。

6 结论

(1)根据15205工作面探放水成果，并结合浅埋煤层导水裂缝带直接发育至地表这一特征，15205工作面回采时防治水重点是第四系松散层潜水，其次是基岩风化带水;正常基岩内的砂岩裂隙水富水性微弱，对工作面不构成威胁，而第四系松散层直接接受大气降水的补给，因此在雨季应加强塌陷区回填及工作面涌水量观测工作。

(2)采用“动静态水结合法”对15205工作面涌水量进行了预测，预计得出工作面最大涌水量为141m3/h，正常推进时涌水量为42m3/h，为提高工作面抗灾变能力，应确保工作面总体排水系统能力不低于300m3/h。

(3)通过钻孔涌水量衰减程度分析，工作面富水区域以静储量为主，动储量补给有限，通过本次探放水工程，基本解除15205面顶板水害威胁。

［1］邵东梅，戴玉权，刘红卫.承压含水层中下山掘进探放水技术［J］.煤炭工程，2009，41(11):55－56.

［2］刘广北，李书田，张宏军.封孔材料在煤矿探放水中的应用［J］.煤，2010，19(1):50－52.

［3］李唐山，张建锋，李登屹.矿井周边小煤矿水害威胁的防治措施探讨［J］.煤炭工程，2009(6):60－61.

［4］任玉娟.留庄煤矿采空区水防治技术应用［J］.煤炭工程，2011，43(4):45－46，49.

［5］孟兆震.巷道掘进施工中的综合探防水技术探讨［J］.山东煤炭科技，2003(2):49－50.

［6］吴江峰，张景钟，王化君.95123工作面顶水掘进水患分析与防治［J］.煤炭科技，2006(1):53－54.

［7］郑长成.注浆与疏干在斜井防治水中的应用［J］.矿业研究与开发，1998(2):12－15.

［8］高建光，范三阳，姜福磊.开拓巷道小岩柱过承压含水层防治水措施［J］.煤炭工程，2007，39(11):65－67.