侏罗系煤田顶板砂岩含水层井下疏降水孔群优化布置

李德彬

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054； 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西省西安市，710077)

我国侏罗系煤炭资源地质储量约占全国煤炭总储量的60%，随着开采强度加大及开采水平的延伸，在含水层富水性强和水位较高的区段煤层开采时，含水层水会集中涌入到工作面内，造成明显水害威胁，顶板水害问题日益突出。近十多年来，对于侏罗系煤田煤层顶板水害防治，在理论研究、水害形成机理、水害精准防控技术等方面取得了重大进展。但以往针对侏罗系煤田顶板水害防治工作主要集中在顶板导水裂缝带发育高度控制方面，尚无明确的布置疏降水钻孔的理论依据或科学方法，往往布置钻孔较多造成经济浪费或布置钻孔较少无法有效时间内实现含水层水位降低。

《煤矿防治水细则》中要求采取超前疏放措施对含水层进行区域疏放水的，应当综合分析导水裂隙带发育高度和顶板含水层富水性，进行专门水文地质试验，开展可疏性评价，编制区域疏放水方案。井下疏水降压是侏罗系煤田煤层开采时面临顶板强富水砂岩含水层必不可少的防治水手段，其难点表现在含水层富水性不均一性明显、不确定因素多，疏降水钻孔施工一般为动态调整的过程，钻孔布置方案应科学合理、安全可靠、施工方便、时效性强。因此，做到井下疏降水孔群的优化布置，既可经济高效地实现矿井采掘安全，又能最大限度地保护水资源。

1 疏降水孔群优化模型及工作流程

1.1 孔群疏降砂岩水渗流场模型

当煤矿井下工作面回采前采取顶板预疏降水工程时，一般沿工作面巷道直线均匀布置，且延伸的距离较长，可以认为每个钻孔控制范围内含水层水位的变化情况是相同的，相当于多个两侧均有相当或较低水位排水渠限制的单孔所组成，见图1(a)，疏降水时所引起的钻孔的水位降深见图1(b)。

图1 井下孔群渗流场概化模型

图1中水位降深S1为相对静水位降深；在井下疏降水时间较长，钻孔处水位降深大，应考虑各钻孔附加水位降深S2，可以按照稳定流Dupuit公式推导计算，分别为：

根据以上分析，井下疏降水孔群形成的实际水位降深计算式为：

式中：S——疏降水孔群实际水位降深，m；

S1——疏降水孔群相对静水位降深，m；

S2——疏降水孔群附加水位降深，m；

q——含水层单位涌水量，L/(m·s)；

L——钻孔间区段长度，m；

Q——某区段疏降水强度，m3/h；

a——压力传导系数；

μ——含水层给水度；

T——突水系数，MPa/m；

t——疏降水时间，h；

rw——疏降水钻孔孔径，m。

1.2 工作面涌水量预计优化公式

存在顶板砂岩水威胁的工作面，在采取预疏降水之前，有必要进行工作面时空动态涌水量预计，而非整个工作面一个涌水量预计值，实现从数量、空间和时间上优化布置采前疏降水钻孔，且为后期疏降水效果提供一定的评价依据，提高含水层的疏放效率。

回采过程中，工作面涌水量包括动态补给量和静态储存量。第Ln块段静态储存量为回采冒裂带影响范围内顶板含水层中的静态储存水量，引用承压水井的Dupuit公式和式(3)，得第L1块段动态补给量计算式(5)，第Ln(n≥2)块段动态补给量计算式(6)。

式中：QJn——回采第Ln块段时该块段静储存水量，m3/h；

QDn——回采第Ln块段时该块段动态补给量，m3/h；

An——第Ln块段的开采面积，m2；

Mn——第Ln块段采动冒裂带波及的含水层厚度，m；

μ平——冒裂带影响范围内含水层的平均给水度；

K——含水层渗透系数，m/d；

Rn——第Ln块段的影响半径，m；

rn——第Ln块段概化的“大井”半径，m；

s——水位降深，m；

a——“大井”中心至概化直线边界的垂直距离，m。

工作面回采至第Ln块段时动态补给量包括前期开采块段的衰减涌水量和第Ln块段的动态补给量，推算得：

式中：QD——回采第Ln块段时工作面动态补给量，m3/h；

V——采空区动态涌水量衰减率。

1.3 孔群优化布置数学模型

疏降孔优化布置即在现有的水文地质、工程地质条件下，实现井下以最优的疏降孔工程量达到最大的预期效果为原则，使布置方案既技术可靠又经济合理。根据公式(3)和公式(7)，建立孔群优化布置的数学模型为：

式中：H——含水层承压水头高度，m；

Ha——含水层疏降水后安全水头高度(一般取小于20 m)，m；

W——每个区段超前疏降水时长(结合工作面回采速度而定)，h。

孔群优化布置的数学模型中的数学变量包括疏降水孔点的个数、孔间距(即工作面每个超前疏降水区段钻孔布置)、放水量、放水时长。放水量和降水孔点个数的确定主要依据涌水量预计值确定；孔间距由工作面的形状和孔点的数量确定；放水孔的参数由降深、含水层富水性及施工能力等确定。

孔群优化布置的数学模型目标函数包括最优的疏降水孔数、放水总量及放水时长。

孔群优化布置的数学模型约束条件：单纯降水时满足工作面回采期间无周期性集中涌水、控制放水及合理排水系统能力。

1.4 含水层水疏降可靠性反演模型及方程

侏罗系煤田顶板含水层井下疏降水钻孔往往为上仰斜孔，主要便于井下施工，同时钻孔能更长距离揭露充水含水层岩层段，图2展示了顶板承压含水层中一个仰斜钻孔的三维概念模型。

图2 疏降水倾斜钻孔示意图

由于矿井顶板含水层水文地质条件复杂性，需在三维概念模型基础上建立数学方程，反演实施的试验钻孔对含水层水有效疏降情况，验证孔群优化布置的可靠性。

依据图2建立坐标系统，以含水层的底板(倾斜钻孔水平与竖直的中点位置)为坐标系的原点。假设井下疏降仰斜钻孔出水段中点的坐标为(j，k)，钻孔钻进方向与坐标系x轴的夹角为γ。假定条件如下：

(1)煤层顶板砂岩含水层是均质各向异性、等厚且侧向无限水平延伸；

(2)含水层假定为弹性体，疏降水前水头面水平；

(3)无垂向越流补给，渗流满足达西定律；

(4)仰斜钻孔既可为完整井也可为非完整井，假定含水层水沿井壁均匀进入；

(5)随着含水层水头下降，其地下水储存量瞬间释放；

(6)钻孔孔径无限小，且短期内定流量疏放水。

仰斜疏降水钻孔流量计算的表达式为：

式中：Lw——钻孔的长度为，m；

zw——从含水层的底板至钻孔中点的距离，m；

θ——坐标原点和观测点连线在水平面上的投影与r轴的夹角；

θw——钻孔与水平方向的夹角，一般取值15°～55°。

1.5 疏降水孔群优化布置工作流程

要实现顶板砂岩含水层水害中安全采掘，需先进行大量地质探查工作，开展超前顶板水预疏放和评价工作，并严格按照安全规程采掘。具体疏降水孔群优化布置工作因矿而存在一定差异，但大致可按图3所示流程进行。

图3 顶板疏降水孔群优化布置工作流程图

2 孔群布置优化的实现

2.1 案例工程概况

130602工作面为麦垛山煤矿的首采工作面，走向长度2374 m，倾向长度250 m，主采煤层为侏罗系延安组6#煤层，煤层厚度约3.6 m，煤层厚度稳定，结构简单。工作面位于于家梁周家沟背斜南翼，基本为单斜构造，工作面切眼处标高低于工作面停采线，为仰采，局部地段存在低洼起伏情况。

煤层直接充水含水层为延安组地层，由三角洲平原相组成，岩性为灰、灰白色中、粗粒长石石英砂岩、细粒砂岩，深灰、灰黑色粉砂岩、泥岩及煤等组成。130602工作面开采的6#煤层距延安组4～6煤间含水层7.40～74.60 m，平均距离23.53 m；该工作面上覆延安组4～6煤间含水层厚度0～66.63 m，平均厚度25.21 m，总体分布规律为工作面切眼和停采线附近较薄，中部较厚，自含水层底板承压水头高度为178 m左右，单位涌水量平均为0.067 L/(sm)，渗透系数平均为0.0616 m/d。前期在该工作面4条巷道掘进过程中滴、淋水现象较严重，在风巷掘进时掘进头淋水量最大达到20 m3/h，说明该区域延安组含水层充水能力较强，为了保证煤层的安全开采，防止周期性集中涌水事故的发生，应该对煤层顶板直接充水含水层进行疏降。

图4 130602工作面疏降水孔群优化前布置方案

运用“大井法”对130602工作面直接预计整个工作面涌水量值为1216 m3/h，该矿区以往常将所有钻孔布置至工作面中部范围，按照常规钻孔叠加疏放理念(单孔出水量按照15～30 m3/h)，则估算需要疏降钻孔64个，基本均匀分布在130602工作面内，共布置16个井下疏降水钻场，每个钻场4个钻孔，各钻孔孔深约80 m，水位控制点为有效疏降水孔段的中点。疏降水孔和水位控制点位置情况见图4，其中淡蓝色圆点为概化的水位控制点。

2.2 130602工作面井下疏降水孔群优化布置

2.2.1 工作面涌水量预计

根据周边工作面参数，推断130602工作面覆岩导水裂隙带发育高度为42.15 m、塌陷角为70°左右。结合开采导水裂隙带发育波及范围，对该工作面影响范围涌水量进行预计，作为疏降水孔群布置的控制因素之一。

按照130602工作面回采过程中垮落步距30 m、采空区涌水量每月衰减率20%计算(参考本矿相似工作面采空区涌水规律观测)，按照式(7)，求得该工作面涌水量见表1。需要说明是，在工作面停采线以外将无下一阶段顶板水超前预疏放水量，所以出现表3中最后一个月的预计涌水量会减少明显现象。

表1 130602工作面分区段叠加预计涌水量成果表

2.2.2 疏降水孔群优化布置数学模型

130602工作面倾向长度250 m，其顶板含水层为孔隙裂隙水，厚度大，埋深较大，常规钻探无法采用也无需完全无盲区的疏放水，一般以工作面两侧巷道为施工钻场，可向四周发散施工钻孔，概化成有效水位控制点，见图5。

图5 130602工作面疏降水孔群水位控制点分布图

根据工作面涌水量叠加预计和目标函数法的优化设计方案，依据公式(8)，该疏放水工程孔群优化数学模型为：

其中，单孔出水量QDn尽可能为25 m3/h左右。

控制条件为：钻孔孔径rw取75 mm，每个区段超前疏降水时间t≤720 h(结合工作面回采速度约210 m/月)，钻场间平距1150 m≥L≥80 m。

2.2.3 工作面疏降水孔群优化布置方案及效果

在工作面疏降水区段选择试验孔点进行试疏降水，通过实际观测与反演计算值对比分析(选择1号孔为反演计算案例)，针对不同的布孔方案和对应的放水工期进行试算并优化调整方案。最终求得钻孔数量、水位降深、放水工期及疏放水量等最优的布孔方案。

麦垛山煤矿130602工作面1号试疏降水钻孔放水11 d(单孔放水试验)，最终流量稳定在25 m3/h左右，含水层渗透系数K为0.0616 m/d，给水度μs为0.0185；疏降水段长度Lw为161.28 m，疏降水段中点高度zw为33.185 m，θw为24.3°，疏降水流量为25 m3/h，疏降水时间264 h。结合钻孔位置剖面见图6。依据承压含水层仰斜钻孔疏降可靠性反演方程，计算得到观测孔降深—时间变化，如图7所示。

图6 疏放水孔与观测孔剖面示意图

图7 试疏降钻孔降深-时间对比曲线图

由图7可以看出，拟合曲线与实测曲线趋势一致，说明拟合曲线与各个观测数据的接近程度都较高，在130602工作面顶板施工设计参数的疏降水钻孔，能够使工作面内顶板含水层控制区段得到有效疏降，反演计算为优化目标函数方程提供可靠参数。

依据优化方案的目标函数，运用Matlab软件进行限制运算，选择出优化控制点，得130602工作面最优钻孔数量及位置布置情况，如图8所示，各巷道中钻场间距约300 m，各钻孔孔深约120 m。

回采前对第一、二阶段(工作面前420 m范围)含水层疏放水钻孔水量、水压变化进行实际观测，各钻孔水量10 m3/h≤QDn≤32 m3/h，稳定水量之和为390 m3/h，自放水约16 d(378 h)，实现了目的水位降深，稳定降落漏斗形态见图9，保障了工作面安全开采不受顶板水害威胁。

图8 130602工作面疏降水孔群优化布置方案

图9 井下疏降水孔群优化布置疏水降压效果三维图

工作面自切眼降落漏斗低谷时空移动性逐渐扩展至停采线，实现各区段水位降深目标，各阶段稳定水量之和为390～795 m3/h，与涌水量预测值相近，预测涌水量与实际涌水量观测曲线如图10所示，实现了疏降水钻孔钻进工程量较前期设计减少15.6%左右。

图10 预测涌水量与实际涌水量观测曲线图

需要说明是：优化布置过程中，已假设煤层顶板砂岩含水层是均质各向异性、等厚且侧向无限水平延伸、无垂向越流补给等条件，现疏降水孔群布置已能进一步满足生产需求，但布置规律性较明显，与实际条件仍存在偏差。

3 结论

(1)运用地下水渗流方程和空间点源理论对井下顶板含水层疏降水孔群布置进行优化是可行的，计算结果能满足疏降水要求设计标准；同时优化预计出单孔出水量和工作面时空区段涌水量，为工作面回采条件评价和临时排水泵选型提供了数据支撑。

(2)优化布置过程中，假设煤层顶板砂岩含水层是均质各向异性、等厚且侧向无限水平延伸、无垂向越流补给等条件，使得孔群布置规律性仍较明显，与实际条件存在偏差，有待进一步科学修正。

(3)由于不同的水文地质条件，孔群总排水量与各疏降孔水位降深及其互相影响情况不同，一般优化分析过程中需进行疏降水试验，获得水位疏降落曲线，进行反演计算，实现孔群布置最优解的目的。

(4)由于孔群疏降水的优化布置与水文地质参数有着密切的关系，通过放水试验或其他方法获得科学合理K、T、μ等水文地质参数值是十分重要的。

(5)疏降水孔群优化布置的目的是以最优的钻孔布置实现最大限度地减小工作面回采期间顶板水害威胁，结合工作面回采速度和垮落步距，密切观测钻孔水量及水压变化，对后期的疏降水孔群布置方案及时调整是必要的，实现较短时间对含水层水位降深最大，减少疏放水总量，既能够保证疏降水工作面各区段安全生产，又能最大限度地保护水资源。