李村煤矿2302 工作面顶板砂岩含水层疏放技术应用研究

连潞伟

（潞安化工集团李村煤矿，山西 长治 046600）

1 工程概况

山西潞安矿业（集团）有限责任公司李村煤矿2302 工作面为二采区3#煤综采一次采全高工作面，地貌呈现北高南低平原特征，地表无河流通过，地面高程在+947～ +956 m 之间。2302 工作面地质构造简单，回采范围煤层倾角在-7°～+6°之间，起伏变化较明显，顺槽及切眼掘进过程中未发现明显地质异常情况。3#煤层厚度在4.2～5.3 m之间，平均厚4.6 m，位于山西组下部，顶板标高+326.3～+380.2 m 之间，埋藏深度576～621 m。2302工作面为李村煤矿接替工作面，为确保工作面安全回采，需对工作面顶板涌水情况进行研究。

2 工作面导水裂隙带研究

回采使上覆岩层原有赋存状态遭到破坏，将出现垮落、弯曲下沉等运移、破坏现象[1]，一些隔水层丧失其阻隔工作面和含水层之间水力联系的作用，导水裂隙带发育高度将决定工作面涌水水源。通过对邻近2301 工作面采空区施工钻孔注水，根据注水漏失量判断钻孔围岩裂隙发育情况，漏失量越大证明岩层内裂隙越发育，漏失量为零时表明裂隙不发育，已钻至导水裂隙带发育范围之外。向2301采空区共施工3 个钻孔，K1 孔深166 m，与水平方向夹角39°；K2 孔深104 m，与水平方向夹角74°；K4 孔深114 m，与水平方向夹角61°。根据测得的导水裂隙带边缘点坐标，采用最小二乘法拟合得到导水裂隙带发育曲线：

H=21.547lnx-15.558 （1）

式中：x为距采空区边缘距离，2301 工作面长度290 m，变化范围为0～145 m；H为导水裂隙带高度。得到2301 工作面长度方向导水裂隙带发育情况如图1，导水裂隙带实测高度为92 m。

图1 上覆岩层导水裂隙带发育情况（m）

3 2302 工作面涌水量预测

3.1 稳定流大井法涌水量计算

根据2302 工作面附近4-3 钻孔资料显示，2302工作面之上K 细粒砂岩含水层下距3#煤层顶面4.5～7.48 m，含水层厚度6.80～14.76 m，平均厚度10.78 m；K8 含水层下距3#煤层顶面40.7～50.7 m，含水层厚度3.40～8.95 m，平均厚度6.18 m，岩性为细粒砂岩或中粒砂岩；K9 含水层下距3#煤层顶面约78.24～93.59 m，含水层厚度5.40～7.35 m，平均厚度6.38 m，岩性为浅灰-灰色中粒砂岩；K10 含水层下距3#煤层顶面126.5～133.45 m，含水层厚度7.90～10.16 m，岩性为灰色中粒砂岩或粗粒砂岩。ZK6397 钻孔柱状图（局部）如图2。结合2301 工作面导水裂隙带发育高度，2302 工作面导水裂隙带发育高度为92 m，则可判定K7、K8、K9 砂岩裂隙含水层构成3202 工作面充水水源。

图2 ZK6397 钻孔柱状图（m）

工作面回采期间涌水量用承压-无压稳定流大井法计算[2]：

3.2 比拟法涌水量计算

通过“比拟法”可准确预测正常涌水量。与李村煤矿相邻的赵庄矿水文地质条件与矿井涌水特征表现为：（1）3#煤厚度约5 m，顶板直接充水含水层也为K 砂岩和K8、K10 砂岩含水层，底板直接充水含水层K7 富水性弱；（2）矿井涌水量与降水量无关，随开采面积增加，涌水量略有增加；（3）矿井突水主要是由于顶板导水裂隙导通K 及上部含水层引起，突水量约100～140 m³/h。

正常涌水量：2302 工作面与赵庄矿直接充水含水层（K 和K8）及充水通道（顶板导水裂隙带）条件相似，而且含水层接受外来补给作用微弱，K和K8 本身的富水程度决定了正常涌水量大小，利用“比拟法”能较可靠预测工作面正常涌水量。则2302 正常涌水量为10～30 m³/h。

最大涌水量：最大涌水量主要由导水裂隙导通间接充水含水层所致，K10 富水性是影响最大涌水的重要因素，所以以赵庄矿工作面突水量100～140 m3/h 作为2302 工作面最大涌水量预测值。

综合上述两种方法：预计2302 工作面正常涌水量在10～30 m3/h，局部弱含水层局部强富水区突水和老顶初次来压时最大涌水量在90～140 m3/h。

4 顶板水害探查与治理

为探明2302 工作面内帮顶板、外帮采空区富水情况，在2302 工作面两侧顺槽及切眼进行瞬变电磁探测[3]，根据探测数据在2302 工作面及2301采空区划分5 个低阻异常区域，异常区分布详情如图3（a）。根据《煤矿防治水细则》要求[4]：煤层（组）顶板导水裂隙带范围内分布有富水性强的含水层，应当进行疏干开采。为减小2302 工作面回采期间顶板水害威胁，需探查顶板砂岩富水性，对2302 工作面上覆K7 砂岩、K8 砂岩、K9 砂岩含水层赋存水进行提前疏放，终孔位置为钻孔进入含水层大于3～5 m，探放水重点区域为老顶初次来压区域（距切眼15～40 m）。结合瞬变电磁探测结果，顶板疏放钻孔布置详情如图3（b）。

图3 顶板富水情况及疏放孔布置示意图

探放水钻孔开孔孔径Φ127 mm，钻进20.5 m，自孔口安装Φ108 mm 止水套管，长度不小于20 m（进入3 煤顶板套管不小于10 m），对套管进行注浆加固，安装孔口控水阀门和压力表，凝固时间不小于24 h，换径Φ94 mm 钻头进行扫孔，然后对止水套管进行耐压试验，试验合格后方可继续钻进，采用Φ94 mm 钻头钻进至终孔。2302 工作面顶板共施工16 个疏放钻孔，终孔垂直高度95 m。探放水钻孔具体结构如图4。

图4 探放水钻孔结构示意图

本次顶板探放水工程共施工16 个钻孔，从钻孔出水和放水情况分析，K8 砂岩含水层出水钻孔有Q1-1、Q2-2、Q3-2、Q4-3、J1-2、J3-2、J4-2、H1-2、H3-2、H4-3 钻孔，其中Q2-2 钻孔出水量36 m3/h，另有J2-2、J3-1 钻孔分别出水10 m3/h、15 m3/h，其余钻孔出水量均小于5 m3/h；K8、K9 砂岩含水层除Q1-2、Q3-3、J3-1 钻孔外，其余所有钻孔均有出水，其中出水量大于10 m3/h 钻孔有Q3-2、Q4-3、J1-2、J3-2、H1-2、H3-2、H4-3 孔，Q4-3 钻孔水量最大，达到86.5 m3/h。所有施工钻孔均出水，涌水量差别较大，说明2302 工作面顶板K7 砂岩含水层和K8、K9 砂岩含水层均为弱富水含水层，局部富水，裂隙较发育。本次施工的16 个顶板探放水钻孔累计放水量约81 152.9 m3。从放水情况分析，2302 工作面顶板K8、K9 砂岩含水层均为弱富水含水层，总体来看2302 工作面顶板砂岩含水层通过钻孔疏放后，对工作面回采不会造成较大威胁。但K8、K9 砂岩含水层局部富水，尤其南部开切眼初次放顶区域，在工作面回采、老顶下来后，局部顶板K8、K9 砂岩水可能会通过裂隙导入工作面，回采时应提前做好排水准备工作。

5 结论和建议

（1）通过对邻近2301 工作面采空区不同方位施工钻孔并注水，据此判断2302 工作面导水裂隙带发育高度92 m。

（2）采用稳定流大井法、比拟法计算分析表明，预计2302 工作面正常涌水量在10～30 m3/h，局部弱含水层局部强富水区突水和老顶初次来压时最大涌水量在90～140 m3/h。

（3）通过瞬变电磁法探测表明工作面顶板存在5 个富水异常区，据此设计顶板疏放钻孔布置参数，16 个顶板探放水钻孔累计放水量约81 152.9 m3，探放水后顶板砂岩含水层水对工作面回采不会造成较大威胁，为矿井安全高效生产提供可靠保障。