向斜轴部煤层顶板水疏放效果定量化评价

姬亚东，黄 欢

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

大南湖煤田区域大地构造单元属北天山地槽褶皱带，有北天山地槽褶皱带、塔里木台缘隆起2 大构造单元；北天山地槽褶皱带又划分为3 个次一级构造单元，自北而南依次为巴里坤复背斜（博格达-哈尔里克塔格复背斜）、吐鲁番-哈密山间坳陷（吐哈盆地）、觉罗塔格复背斜[1-2]。大南湖一矿属于吐哈盆地东端南缘大南湖盆缘坳陷的一部分，北依沙尔湖隆起带，南以F1断层与觉罗塔格复背斜相邻。矿井构造较简单，为1 组走向近东西的宽缓褶曲。深部煤层构造主要为一向斜构造，即南湖向斜；南北二侧与之相毗邻的为宽缓的南湖背斜和南湖南背斜。矿井当前开采3#煤层，煤层上方沉积分布有第四系上更新统风积洪积透水不含水含水层、侏罗系中统头屯河组含水层、侏罗系中统西山窑组上段含水层[3]。由于1303 工作面回采前未进行顶板水疏放，回采至向斜轴部区域时，涌水量达到270 m3/h，造成工作面被淹。因此，针对该顶板水害预防，矿井主要采用超前预疏放的方式进行防治[4-5]。为此以大南湖一矿1305 工作面疏放水为研究对象，对疏放水效果进行定量化评价，避免以往定性分析造成的过度疏放，以减少矿井疏放水成本，指导顶板水超前预疏放。

1 工作面概况

1.1 1305工作面基本情况

1305 工作面宽约238 m，长约2 439 m，工作面开采3 煤，3 煤总厚9.5～10.2 m，平均约9.8 m，煤层倾角6°～15°，平均10°。

1305 工作面整体为一宽缓的向斜构造，即南湖向斜。辅助巷西翼较陡，走向坡度平均为9°，切眼附近沿掘进方向坡度可达13°，向斜幅度83 m，东翼相对较缓，走向坡度平均为2.5°，向斜幅度42 m。运输巷西翼总体走向为220°，倾向为130°；东翼总体走向为285°，倾向为195°，工作面向斜轴部示意图如图1。

1.2 1305工作面水文地质特征

1305 工作面开采3#煤层，3#煤层上方沉积分布有第四系上更新统风积洪积透水不含水含水层、侏罗系中统头屯河组含水层、侏罗系中统西山窑组上段含水层。第四系风积-洪积层不具储水条件，但透水性较好，为透水不含水层。头屯河组含水层分布面积相对较小，水位埋深较大，可视为透水不含水层。西山窑组上段含水层组在井田内广泛出露，其组成岩层多为粉砂岩、泥岩、局部夹粗砂岩及砾岩，一般厚度150 m，其中含水层累计厚度29.58 m；据抽水试验揭示，该含水层单位涌水量为0.039 98～0.050 22 L（/s·m），渗透系数0.203 4～0.208 4 m/d，富水性较弱。1305 工作面西山窑组上段含水层厚度等值线图如图2。

根据钻孔揭露数据可知，1305 工作面范围3#煤层距上覆西山窑组上段含水层底部约80～110 m，其中在向斜轴部区域约100～110 m；西山窑组上段含水层厚度约10～35 m，在向斜轴部区域含水层厚度约15～25 m。大南湖一矿观测3#煤采后“两带”高度及覆岩破坏特征在工作面倾向、走向上的分布形态可知，3#煤裂采比约15.9 倍。因此，1305 工作面煤层开采后导水断裂带发育高度为156 m，将沟通至上覆西山窑组上段含水层，含水层水将涌入工作面，成为1305 工作面开采的主要充水水源。

2 工作面顶板水疏放

鉴于工作面中部位于向斜轴部区域，回采时西山组上段含水层水涌入工作面，可能影响安全生产，尤其是回采至向斜轴部区域。因此，需对工作面顶板水进行疏放，以疏放静储量为主，消减顶板周期性垮落，特别是初始垮落时峰值涌水量，从而实现工作面回采涌水量平稳泄出。

2.1 疏放水钻孔设计

1305 工作面为向斜构造，上下巷疏放水钻孔布置以轴部区域为中心600 m 范围内施工钻孔，向斜两翼区域依据瞬变电磁成果，针对富水异常区进行重点探放。

为有效疏放西山窑组上段含水层水，在1305 工作面辅运巷施工16 个钻孔，1305 工作面运输巷及1307 工作面辅助巷施工15 个钻孔，共计31 个钻孔。钻孔深度约105～120 m，倾角约75°～85°。

2.2 顶板水疏放

1305 工作面疏放水钻孔出水点深度约64～111 m，而在1305 工作面范围内侏罗系中统西山窑组上段含水层距3#煤顶板约70～110 m，其中在向斜轴部间距最大。因此，疏放水钻孔出水点位置几乎均位于西山窑组上段含水层。残余涌水量钻孔情况统计表见表1。

1305 工作面疏放顶板水的钻孔中，多数钻孔初始涌水量较小，且已无水。目前工作面范围有残余水量的钻孔均位于向斜轴部，共12 个钻孔，残余涌水量约3.9～20 m3/h，尚有残余涌水量的钻孔情况见表1。从疏放水钻孔涌水量可知，自工作面切眼至向斜轴部方向疏放水钻孔涌水量呈变大趋势，说明1305 工作面范围自向斜轴部延展至两翼，侏罗系中统西山窑组上段含水层富水性呈现由较强到较弱的递减趋势。

3 顶板水疏放效果定量化评价

顶板水疏放效果最优化主要是以最小疏放水总量将工作面上覆含水层水头高度疏降至安全残余水头为目的。下面主要从钻孔涌水量衰减率[6]、含水层水头高度、疏放水总量及残余水量等方面对疏放水效果进行定量化评价[7-11]。

表1 残余涌水量钻孔情况统计表

3.1 钻孔涌水量衰减率

钻孔涌水量变化趋势图如图3。从图3 中可知，向斜轴部区域的钻孔涌水量自终孔后初始衰减幅度较大，后期衰减幅度较小，向斜轴部区域疏放水钻孔涌水量近似稳定达1 个月左右。钻孔初始涌水量之和为194.6 m3/h，残余涌水量之和为61.6 m3/h，衰减率约68.3%。向斜轴部区域运输巷侧12-1、12-2、9-1 钻孔初始涌水量较小，约10～13.3 m3/h，涌水量衰减量较小。当前残余涌水量较大的是4-1、4-2 钻孔，残余涌水量之和约20 m3/h，衰减率为52.3%。从钻孔初始涌水量及单孔涌水量的整体衰减变化情况看，该范围疏放水量衰减较小，可在向斜轴部区域适当加密疏放水钻孔，继续疏放。

图3 钻孔涌水量变化趋势图

3.2 含水层水头高度

自2018 年2 月开始对9-1、4-5 钻孔进行水压观测，9-1 钻孔位于1307 工作面辅助巷，4-5 钻孔位于1305 工作面辅助巷，均位于向斜轴部附近。9-1、4-5 钻孔初始水压观测值分别约为1.75、1.25 MPa，钻孔水压下降缓慢，衰减量较小，钻孔水压观测值变化曲线图如图4。

图4 钻孔水压观测值变化曲线图

从向斜轴部区域西山窑组上段含水层厚度、含水层底板距3#煤顶板距离分析可知，在辅助巷侧该含水层水头高度高出含水层底板约5 m，疏放水已使含水层由承压转换为无压；在运输巷侧该含水层水头高度高出含水层顶板约45 m，含水层水头仍然较高。

3.3 疏放水总量及残余水量

在疏放水过程中，含水层侧向动态补给量Q1逐渐补给因静储量Q2释放后形成的含水层空间，从而在数量上转化为静储量，使得疏放水在整体上体现为静储量疏放。在整个疏放水过程中Q1与Q2这2部分是相依变化的。在疏放水初期，由于漏斗刚刚开始形成，范围很小，因而动态补给量Q1也很小，此时疏放水量必须由比较大的静储量Q2来维持，因此漏斗范围发展很快。随着疏放水时间的延长，漏斗范围不断扩大，Q1值也随之不断扩大，而Q2则相依减小，因此漏斗发展缓慢。当某时刻静储量的释放量与动态补给量的转换量相等时，即疏放水量等于转化为静储量的动态补给量时，则达到动态平衡，由此静储量的变化量为0，此时继续疏放水为无效放水。

由于西山窑组上段含水层为1305 工作面的主要充水水源，其涌水量主要以含水层静储量为主，动态补给量较小。当钻孔疏放水总量小于含水层静储量，同时钻孔残余水量大于含水层的动态补给量，说明静储量还没有得到有效疏放，需要延长疏放水时间或者局部增加疏放水钻孔；如果钻孔疏放水总量等于或大于含水层静储量，并且钻孔残余水量等于或小于动态补给量，说明含水层中的静储量已经得到了有效疏放，钻孔的残余水量为含水层中的动态补给量，即可认为工作面的疏放水效果良好，达到了疏放水的目的。

本次1305 工作面疏放水钻孔出水位置基本位于上覆西山窑组上段含水层，因此，此处静储量仅考虑西山窑组上段含水层。Q2、Q1采用如下公式进行计算：

式中：Q1为含水层静储量，m3；Q2为含水层侧向动态补给量，m3/h；QT为含水层弹性释水量，m3；QZ为含水层重力释水量，m3；h 为含水层水头高度（以含水层顶板为基准），m；M 为含水层厚度，m；F为工作面疏放水面积，m2；μe为含水层弹性释水系数；μd为含水层重力给水度（采用邻近矿区重力给水度值0.086）；K 为渗透系数，m/d；H0为含水层初始水头高度，m；hc为疏放水后残余水头高度，m；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m。

经计算得出1305 工作面静储量为79.16 万m3，工作面范围动态补给量约161.1 m3/h。工作面累计疏放水总量约63.5 万m3，残余水量61.6 m3/h，疏放水总量小于工作面静储量，钻孔残余水量小于含水层动态补给量，说明该范围含水层静储量尚未疏放完毕。

考虑到1305 工作面范围有残余水量的钻孔均位于向斜轴部，含水层水汇集于此处，静储量尚未疏放完毕，且该范围含水层水头高度仍较大，尤其是运输巷侧水头高度高出含水层顶板约45 m。因此，为安全考虑，需加大疏放水力度，使含水层水头高度降至含水层顶板以下。

4 结 论

1）以钻孔涌水量衰减率、含水层水头高度、疏放水总量及残余水量来定量化评价疏放水效果，克服了以往定性评价疏放水效果可能造成的过度疏放水，可实现顶板水疏放效果最优化。

2）1305 工作面疏放水总量小于工作面静储量，向斜轴部区域的疏放水钻孔涌水量衰减率较小，运输巷侧水头高度高出含水层顶板约45 m，需适当加密疏放水钻孔继续疏放，尽可能的降低含水层水头。