巨厚砂岩含水层综放开采防治水技术研究与应用

翟武杰，第伟伟

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

随着煤矿开采技术的不断进步，开采规模和开采强度不断增大，带来了一系列灾害防治问题，尤其是冲击地压、瓦斯、水害等灾害的复杂性显得尤为突出。煤矿水害作为矿井主要灾害之一，可分为底板高承压岩溶水、顶板砂岩及其松散层孔隙水、采空区水与地表水等4种类型[1]。我国中西部地区煤矿开采中，煤层埋藏深、煤层厚度大、开采强度大，顶板砂岩含水层富水性强，采用综放开采技术对上覆含水层结构破坏较为剧烈。《“三下”开采规程》中的计算导水裂隙带发育的经验公式主要针对采厚小于3 m、累计采厚小于15 m的分层开采工艺，但在中西部地区一次采厚往往可达10 m以上，很难通过经验公式获得较为可信的计算结果[2]。基于此，陕西彬长孟村矿为准确评价顶板含水层对矿井安全开采的影响程度，摸清工作面回采对上覆岩层导水裂隙带、垮落带高度及其发育程度的影响规律，采取地面钻孔钻液漏失量观测法、钻孔测井法和钻孔彩色电视窥视法综合确定401101综放工作面“两带”发育高度，并依据该规律指导401102综放工作面开展防治水工作。

1 矿井概况

孟村煤矿位于陕西省咸阳市彬长矿区中西部，孟村井田位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部，属鄂尔多斯盆地内泾河-马莲河二级地下水系统，矿井设计生产能力为600万t/a，4号煤层为井田唯一可采煤层，平均厚度为16.25 m，煤层结构简单，平均倾角3°，采用分层综采放顶煤工艺、走向长壁式采煤方法，全部垮落法管理顶板，采放比为1∶3.5，割煤高度为3.5 m，平均放煤高度为12.4 m，平均采厚为15.9 m，矿井开采的401102工作面为401盘区第2个工作面，预测回采期间工作面正常涌水量640 m3/h，最大涌水量800 m3/h。

2 水文地质情况

2.1 含水层情况

4号煤层顶板直接充水含水层为侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层(Ⅵ)和侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水层(Ⅶ)，直罗组单位涌水量0.002 6 L/(s·m)、渗透系数0.016 4 m/d，延安组单位涌水量0.000 577 L/(s·m)、渗透系数0.001 15 m/d，其埋藏深而裂隙不甚发育，补给来源单一、导水性差、迳流滞缓、富水性弱、水量小，对工作面开采威胁不大。4号煤层顶板间接充水含水层为白垩系下统洛河组砂岩孔隙潜水含水层(Ⅳ)和白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层(Ⅴ)，宜君组单位涌水量0.008 8～0.220 6 L/(s·m)、渗透系数0.020～0.861 m/d，洛河组单位涌水量0.018 2～0.748 4 L/(s·m)、渗透系数0.128 9～0.156 9 m/d，洛河组砂岩含水层分布广、厚度大、富水性中等-强、水量大，受工作面推采长度影响，将通过裂隙带进入工作面，造成较大突水，对工作面开采存在较大威胁，见图1。

图1 矿井主要含隔水层与主采煤层上下位置关系图(m)

2.2 “两带”发育高度

根据工作面含水层特征，上覆含水层水将主要通过煤层采动所形成的裂隙带涌入工作面，裂隙带高度与煤层顶板岩体工程地质性质、煤层采厚、采煤方法、顶板管理方法密切相关[3]。导水裂缝带高度的确定方法有实际探测法、理论计算和经验公式计算法[4]。理论计算主要是建立在固体力学基础上的解析法和数值法；经验公式法是在分析判断煤层覆岩结构类型基础上，利用“三下”规程中所列公式进行计算。鉴于顶板覆岩破坏发育高度影响因素的复杂性，不同矿区的地质、水文地质、开采条件均有不同，顶板导水裂缝带、垮落带发育规律应以本矿区实测资料为准，结合其他方法进行综合判定[5]。

现场实测方法是确定导水裂缝带高度的主要途径，其他方法为辅助手段进行补充验证。目前应用较成熟的现场探测方法主要有：地面钻液法、注水试验法、高密度电阻率法、超声成像法、声波CT层析成像法、钻测井法、钻孔电视法、水位观测法等[6-7]。根据现场探查条件，该矿通过地面钻孔钻液漏失量观测法及钻孔测井法和钻孔彩色电视窥视法进行导水裂缝带、垮落带发育高度的综合确定。401101工作面4号煤层顶板导水裂缝带最大高度288.68 m(洛河组地层)，最大裂高采厚比为18.58。结合401102工作面回采煤层厚度13～17 m，预计401102工作面因采动形成的裂隙将达到260.12～315.86 m[8]。

3 防治水设计

3.1 总体思路

针对401102工作面水文地质条件变化及预测涌水量，同时参照401101工作面回采期间防治水经验，主要采取“探、防、疏、排、监”综合措施。“探”指的是在工作面回采前对401102工作面回采区域开展顶板直流电法勘探，圈定富水异常区；“防”指的是与临近采空区之间设置区段隔水煤柱，防止老空水影响工作面回采；“疏”指的是对圈定的富水异常区开展钻探疏放水验证工作；“排”指的是建立可靠的排水系统，通过设置大管径排水管路、大尺寸排水沟与大容量水仓，确保工作面排水系统满足涌水量需要。

3.2 超前探查

为探明401102工作面开采范围内煤岩层富水性，该矿应用高分辨直流电法勘探技术，在工作面运顺、回顺与切眼范围顶板施工钻孔432个，等间隔10 m，每孔深250～400 mm布置，共采集3 124个数据，控制工作面顶板上方20～160 m岩层层段，共发现5处立体电性低阻异常体，自西向东(切眼至停采线方向)依次命名为A、B、C、D和E异常，见表1和图2。

表1 401102富水异常区分布特征

图2 401102工作面顶板直流电法探测异常立体图

3.3 顶板预疏放

针对顶板直流电法勘探圈定的富水异常区，在401102工作面施工顶板疏放水钻孔对物探异常区进行探查、验证及顶板水预疏放，物探异常区验证钻孔主要进行直罗组、宜君组含水层富水异常区验证疏放，同时兼顾直罗组底部和延安组内部异常区的探查与疏放，对洛河组下段含水层，后期回采期间将主要以排为主。根据富水异常区分布情况，在工作面两巷道均进行钻孔施工，运顺布设钻孔6个(T1～T6)，回顺布设探查钻孔3个(T7～T9)，共布设钻孔9个，钻探总进尺约1 160 m。钻孔结构设计为一次变径，一开钻孔D153 mm钻进至孔深22 m，下D108 mm套管，注浆固孔，做耐压试验(压力为6 MPa)，二开钻孔D75 mm钻进至终孔。通过施工期间涌水量观测，除T7钻孔涌水量为2 m3/h外，其余钻孔水量均小于0.5 m3/h，见表2。

表2 401102工作面疏放水钻孔施工参数

3.4 排水设计

401102工作面回采区域主要为俯采，且在切眼至1 146 m范围内回顺侧高于运顺侧，1 146 m至停采线范围运顺侧高于回顺侧，根据401102工作面巷道起伏变化，对该工作面分段设计排水方案。工作面切眼至1 146 m范围涌水流向运顺侧，因此在运顺侧施工800 mm×600 mm大水沟，利用401103回顺侧作为401102工作面泄水巷，在泄水巷最低点535 m处设置容量为70 m3的集中排水点，配备6台流量为500 m3/h的水泵，敷设3趟D325 mm排水管路至401盘区水仓。工作面1 146 m至停采线范围涌水流向回顺侧，因此在回顺侧施工800 m×600 m大水沟，通过水沟工作面涌水自流至401102回顺侧3号联巷，在401102回顺侧(3号联巷以东)煤壁侧设置容量为2个60 m3的水仓。两水仓交替使用，分别配备6台500 m3/h水泵，敷设3趟D325 mm排水管路至401盘区水仓。

3.5 防水闸墙

由于401102工作面前1 146 m回采期间，401103回顺侧兼做泄水巷，为防止采空水对401103工作面影响，设计在两处泄水联巷处施工防水闸墙，分别压设D325 mm排水管路3趟，均安设闸阀，墙体厚度为6.5 m，采用“0.5 m预制块墙体+1.0 m黄土墙+0.5 m预制块墙体+4 m混凝土浇筑墙+0.5 m预制块墙体”的复合结构，为保证墙体与煤体周围密实，分别在顶部设置6个注浆孔、两帮设置9个注浆孔，对墙体进行注浆加固，见图3和图4。

图3 防水闸墙平面布置示意

3.6 水文监测

孟村矿安装有KJ1049型煤矿水文动态监测系统，该系统由水文监测主机、煤矿水文监测系统V19.0(软件)、KJ1049-YDJ水文遥测分站(地面)、KJ1049-F矿用本安型水文监测分站(井下)及各种水文传感器组成，可监测水位、水压、水温和水流量等有关水文的多个观测参数，通过水文遥测分站+传感器组合形式可将地面采集到的地面水文长观孔数据、河流流量数据、明渠流量数据、降雨量数据等各种水文实时数据，使用GPRS网实时传输到水文监测主机；通过井下水文监测分站+工业以太网/专线可将采集到的井下水文长观孔数据、明渠流量数据、管道压力数据、管道流量数据等各种水文实时数据传输、处理并存储到水文信息数据库中。该矿井地面设置监测点位5个，主要对洛河组含水层水位、水温等变化情况进行实时监测；井下安设水位监测仪6套、管道流量监测仪9套、明渠流量监测仪1套，涵盖中央水仓、401盘区水仓及401盘区各排水点，可实现水位、水温、管道流量等数据实时在线监测，地面水文观测孔水位及工作面涌水量随回采的变化情况见图5和图6。

图4 防水闸墙剖面布置示意

图5 水文孔水位随工作面回采变化曲线图

图6 工作面涌水量随工作面回采变化曲线图

通过水文观测孔水位变化及工作面水量水质变化分析，工作面涌水量与顶板洛河组含水层直接相关，工作面涌水可分为3个时期：Ⅰ段(平缓上升期)工作面推采0～120 m，工作面涌水，导水裂隙逐步向顶部含水层发育，工作面涌水矿化度与延安组接近，钻孔水位主要受地表涌水影响；Ⅱ段(上升期)工作面推采120～1 000 m，钻孔水位明显下降，导水裂隙发育至洛河组砂岩含水层，并在洛河组砂岩中继续发育，工作面涌水矿化度分析与洛河组含水层相近；Ⅲ段(稳定期)工作面推采1 000 m以后，钻孔水位趋于稳定，导水裂隙已贯穿洛河组或发育至最大高度，工作面涌水趋于稳定。

4 结 语

本文以彬长孟村矿为例，对上覆巨厚砂岩含水层在特厚煤层综放开采技术条件下的防治水技术进行了详细说明，采取地面钻孔钻液漏失量观测法、钻孔测井法和钻孔彩色电视窥视法综合确定了401101综放工作面“两带”发育高度，对工作面涌水量变化规律进行了分析，并结合临近工作面防治水经验，采取“探、防、疏、排、监”综合防治水措施，为类似条件矿井防治水工作提供了参考依据。