地面直通式泄水孔在煤矿离层水防治中的应用

段立强，胡上峰，马少华，浦静怡，徐 静

（1.陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安 710054；3.陕西煤田地质化验测试有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

近年来的研究将采后覆岩结构力学模型分为冒落带、裂隙带，弯曲下沉带［1-3］。其中，冒落带及裂隙带统称为导水裂隙带，导水裂隙带之上弯曲带底部的岩层被重新划为离层带［4-7］，文章以宝鸡崔木煤矿为例，对地面直通式泄水孔在煤矿离层水防治中的应用施工经验进行总结，以期为顶板离层水害防治提供一定的借鉴。

1 工程背景

1.1 煤层顶板覆岩结构

崔木煤矿开采侏罗系延安组3煤，上覆地层自下而上为侏罗系直罗组、安定组、白垩系宜君组、洛河组及第四系松散层。白垩系宜君组分布不均，3煤顶板至洛河组底界距离平均为180 m，安定组平均厚度110 m，直罗组平均厚度25 m。3煤顶板至洛河组底界主要岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，渗透率低，属富水性微弱含水层，认定为相对隔水层。白垩系洛河组主要岩性为砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩，渗透率相对较高，属富水性弱含水层，认定为承压含水层，采后覆岩随工作面回采结构如图1所示。

图1 采后覆岩随工作面回采结构示意图

1.2 离层发育

导水裂隙带发育高度：崔木煤矿实测的裂采比为15.7，开采平均厚度10 m，导水裂隙带高度为157 m。3煤顶板距洛河底界为180 m，因此导水裂隙带最高点距离洛河组底界23 m，未及洛河含水层。但崔木煤矿数次涌突水水质均为洛河组水质成分，且瞬间涌水量大，说明洛河组底界有离层空间发育并形成离层积水。对3煤开采后覆岩破坏数值模拟也显示洛河组底部离层空间，如图2所示。

离层空间发育位置：顶板离层是采后覆岩沉降过程中各层位之间因黏聚力及弹性模量不一致而产生的分离现象。普遍存在于各类采场覆岩中。但冒落带、裂隙带中离层发育时间间断且随覆岩沉降容易被压实闭合。弯曲带中离层一般发育范围大，时间长。

图2 洛河组底界离层模拟结果

离层空间积水及水害的发生：离层空间上覆洛河组为弱富水含水层，在离层空间发育的过程中，能够通过裂隙、空隙向离层空间补水。洛河组承压含水层是主要的离层空间补水水源。离层发育过程中导水裂隙带高度也随之增大，离层空间水压及上覆岩层挤压应力大于导水裂隙带上部相对隔水层（平均厚度23 m）极限破坏应力后，相对隔水层裂隙发育，离层空间积水沿裂隙瞬时涌入矿井，形成离层水害。离层水害具有瞬间突水量大、突水特征不明显、危害大的特点。

2 导水裂隙带随工作面回采的变化规律

工作面回采过程中覆岩导水裂隙带逐渐向上发育［8-10］。回采距离增加的过程是导水裂隙带向上发育的过程，也是离层空间逐渐增大的过程，如图3所示。导水裂隙带发育至关键层后，由于离层空间上覆岩梁支撑，短时间内不会向上发育，如图4所示。

图3 导水裂隙带离层随回采距离的变化关系

以崔木煤矿采后覆岩变化为例，随着工作面回采的不断推进，导水裂隙带先后发育在侏罗系延安组、直罗组、安定组直至洛河组底部离层空间。受离层空间上覆洛河组岩梁影响，短距离内不再向上发育。工作面继续回采，前期形成的导水裂隙带受到覆岩的挤压作用逐渐压实，安定组泥岩水化软化，使得受煤层采场扰动的导水裂隙带闭合，重新胶结恢复隔水性能。

图4 岩梁阻止导水裂隙带向上发育

崔木煤矿21301工作面走向长度968 m，切眼长度205.5 m，煤层平均采厚10 m。工作面回采过程中发生数次涌水事故，造成极大的经济损失。21301工作面涌水量随推进距离的变化关系如图5所示。工作面回采至320 m时，工作面涌水量瞬间增大，此时离层空间与采场导水裂隙带贯通，离层积水瞬间流入矿井，最大涌水量1 300 m3/h。

图5 21301工作面涌水量随推进距离的变化关系

3 离层水害防治

3煤顶板至洛河组底界主要岩性为泥岩和砂质泥岩，平均层厚180 m。安定组泥岩遇水易坍塌软化，容易堵塞导水裂隙带泄水通道，对于离层水疏放极为不利。采用井下施工探放水孔，因钻孔为仰孔，当钻进安定组泥岩后，钻孔全部坍塌堵塞，使得泄水通道无法有效形成。在这种特殊的水文地质条件下，崔木煤矿采用地面直通式泄水孔疏放离层水，有效防治了顶板离层水害。结合采空区离层突水事故的形成原因、特征及常规防治水方法的种种不足，采用从地面施工大直径泄水钻孔，在离层空间未形成或初步形成时将洛河含水层水通过钻孔疏放至矿井井底，再通过矿井排水设备排出。

3.1 地面直通式泄水孔关键技术

通过地面施工大直径泄水孔，能够解决因离层积水导致的采空区突水事故。该类钻孔的布孔及施工的质量直接影响顶板离层水的防治效果。

泄水孔布孔位置：工作面推采过后，顶板上覆岩层失去重力支撑，“两带”及采空区离层发育，上部含水层水补给离层空间，离层空间的大小直接影响离层积水水量。理论分析表明，泄水孔应施工在离层空间发育最大纵深范围内，才能保证泄水孔发挥出最大泄水效果。确定离层空间发育最大纵深范围是采用泄水孔防治水的首要问题。近几年煤矿突水事故的发生，在一定程度上验证了采空区离层空间发育最大纵深应在工作面推采过后一定的距离范围内。各矿煤层顶板上覆地层岩性、厚度、强度不一，不能“以偏概全”，各矿离层空间发育最大纵深范围只能通过各自的水文地质条件及工程地质条件予以确定。崔木煤矿21301工作面开采过程中，工作面涌水量在距切眼位置320 m后突然增大。理论分析表明工作面开采至该处后离层空间发育最大，此时离层空间下部相对隔水层难以支撑离层空间水压，相对隔水层压裂破坏产生的裂隙成为离层积水的泄水通道，离层积水瞬时涌入矿井。假设上部岩体破断距分析确定了离层下部岩体极限破断距为300～350 m，依照离层下部岩体极限破断距及21301工作面涌水量变化关系，泄水孔施工布孔位置为工作面中心附近距离切眼位置300 m以内。布孔间距随工作面长度及采高相应调整。

钻孔的孔深及孔身结构：泄水孔施工孔深依照与采后覆岩导水裂隙带贯通为原则。依照近年来施工的泄水孔施工经验，钻孔施工至进入安定组70 m之后与导水裂隙带贯通。泄水孔受工作面推采进度影响，工期较长，一般为4～5个月。钻孔与采空区贯通后，孔内失去液柱压力。钻孔底部受到采后覆岩结构破坏影响，孔壁稳定性很难保持。2012年曾施工φ190 mm泄水钻孔，钻孔施工至离层，下入φ140 mm筛管成井。成井后，初期泄水效果还能够达到要求，但随着“两带”及离层空间的发育，岩层出现错动，挤压孔内套管导致泄水通道堵塞；下入钻孔电视观测发现该处套管严重错动，孔内泄水通道完全堵塞。因已下入套管，无法通过透孔作业打开泄水通道。该孔后续又因持续积水导致矿底突水事故的发生。2014年，自21305工作面开始，施工的泄水孔采用第三、四系地层套管固井，基岩段地层裸眼成井的孔身结构施工，已相继运用到5个（21305、21308、22302、21306、22305）工作面共计11个钻孔，疏放离层水效果明显。裸眼成井的优势在于即便孔壁失稳、孔内坍塌错动、泄水通道堵塞，也可采用透孔作业进行疏通，实现离层不积水的效果。近年来，陕西省一八六煤田地质公司相继采用φ311 mm、φ245 mm、φ215 mm及φ190 mm孔径成孔。依照矿方提供的各工作面涌水量关系，确定φ190 mm孔径为最优泄水孔径。

泄水孔施工工艺：泄水孔成功的重点在于实现了采空区离层水“未积先排”，未导致离层积水，找出了采空区发生突水事故的根本。未积先排，即离层空间开始发育时将上覆含水层水通过钻孔疏放至矿井井底。只有在离层空间未较大形成前将钻孔施工至离层空间以下，直至与顶板上覆岩层导水裂隙带导通，才能实现离层水“未积先排”。工作面推采之后，离层、“两带”开始发育。初阶段，离层、“两带”发育迅速，极有可能在短时间内形成较大的离层空间积水，因此在不影响矿井工作面正常推采的前提下，必须在短时间内将离层空间与导水裂隙带贯通泄水。在工作面推采至泄水孔位置以前，首先将泄水孔施工至离层位置，待工作面推采过钻孔安全距离后，泄水孔继续向下施工至裂隙导通。

工作面推采过后，离层发育在白垩系洛河组与侏罗系安定组交界上下10 m范围内。泄水孔施工工艺具体流程为：在工作面回采至距离钻孔位置50 m前完成离层上部洛河组孔段施工，待工作面回采过钻孔30 m后，在保证工作面安全生产前提下，迅速向下施工至与导水裂隙带贯通泄水。

3.2 地面直通式泄水孔施工难点及解决方案

泄水钻孔在采空区施工，“两带”发育丰富，施工过程中必然会出现钻孔漏失、孔壁失稳，孔内地层错动变形，坍塌，空洞发育等复杂情况。因此，泄水孔施工难度巨大。采后地层变形坍塌如图6所示，采后离层空间发育如图7所示。

漏失破碎地层钻进：钻孔漏失会导致岩粉无法返出，大量岩屑沉积在孔内容易造成埋钻事故。长时间顶漏钻进施工风险极大，极有可能出现塌孔。地层错动变形破碎，孔内坍塌，钻进过程中易出现掉块卡钻，坍塌埋钻等孔内事故，造成极大的经济损失。漏失破碎地层采用顶漏钻进方法，为防止沉砂埋钻事故发生，顶漏钻进采用大比重、高粘度泥浆。岩屑悬浮于大比重泥浆之中沿地层裂隙漏失到地层当中。该方法取得了良好的效果，21305工作面1#孔顶漏钻进90 m后，钻具探底显示沉砂仅0.5 m。

图6 采后地层变形坍塌

图7 采后离层空间发育情况

漏失破碎地层封孔：泄水完毕后，地层裂隙、空洞发育非常丰富。采用常规办法水泥浆封孔，水泥浆会沿着地层裂隙漏失，严重浪费材料，几乎是徒劳无功。泄水孔封孔前应进行钻孔电视窥视工作，查明导水裂隙带发育高度，离层空间发育位置及高度。针对泄水孔形成的大裂隙、空洞，应综合考虑现场情况确定封孔方案，可采用水泥-水玻璃双液注浆工艺进行封堵，待封孔至裂隙带以上后再采用常规水泥浆封孔。大裂隙漏失地层往往需进行数次封孔，应根据上次封孔实际效果确定本次水泥浆用量，直至封孔合格。

3.3 顶板离层水防治效果

崔木煤矿采用地面直通式泄水孔防治离层水后，工作面再未出现过较大的涌水现象。现已应用了5个工作面，工作面最大涌水量为21306工作面距切眼600 m处，单位涌水量120 m3/h。其余各工作面出现淋水现象，水量均不超过50 m3/h。相比21301工作面最大涌水量1 300 m3/h，涌水量显著减少，防治措施有效减小了离层水害。

4 结论

（1）崔木煤矿工作面开采过后离层主要发育在洛河组底界与安定组软岩界面之间，洛河组含水层为离层补水水源。

（2）21301工作面和21302工作面开采期间瞬间最大涌水量1 300 m3/h，且涌水水质为洛河组含水层水质，说明洛河组底界离层水的存在及危害。

（3）离层空间不能与下部导水裂隙带贯通，持续充水导致离层空间积水。

（4）针对离层发育在厚泥岩上方，无法与导水裂隙带导通，设计地面直通式泄水孔对离层水进行疏放，该方法取得了良好的效果。

（5）结合矿井生产对泄水孔的要求，泄水孔具有时效性，严格控制进度是该孔成败的关键之一。

（6）地面直通式泄水孔虽然施工难度巨大，但通过科学合理的施工工艺，完全能够满足离层水防治的需要。