青磁窑煤矿地质离层水防治关键技术研究

薛一生

（晋能控股煤业集团 地煤鑫泰建井公司，山西 大同 037003）

1 概 况

青磁窑煤矿位于大同市以西，井田面积204 km2，主采3号煤层，局部可采煤层为2号煤层；采用综采放顶煤采煤技术。该井田1301至1307工作面已回采完，1308工作面现正回采。该矿顶板离层水一般采取“防、排、疏”措施[1]，具体为：防是结合应用钻探、物探探测手段，探测工作面水文及顶板覆岩情况[2]；疏是指及时疏放邻近面采空区积水，利用泄水钻孔主动对离层水防治，利用顶板探查孔对顶板水防治等；排是指加强排水系统[3]，确保不会对回采工作面产生影响。

2 钻探探查

青磁窑煤矿对工作面水文地质、含断层、导水性进行钻孔探查，并依据钻孔验证异常区是否为富水区及预疏放是否存在局部异常富水体[4]。

钻孔布置：主要靶区设为物探异常区，同时，涵盖断层含导水性和覆岩富水性。

钻孔结构：孔段0～20 m，孔径133 mm，下入套管孔径108 mm无缝管；20 m～终孔，孔径75 mm。

终孔层位：依据垂向分布物探异常区，以进入30 m为富水异常区终孔。钻孔如图1所示。

图1 钻孔结构示意Fig.1 The structure of drilling hole

施工工序：一开孔径133 mm深入到20 m，下入108 mm无缝套管；二开孔径75 mm深入到终孔孔深。

3 防治离层水技术

3.1 地面泄水钻孔原理

青磁窑煤矿应用地面泄水钻孔防治离层技术，提前在可能产生离层水区域进行地面泄水钻孔施工，同时，及时监测工作面水位情况，早先预警井下出水现象[5]。若出现观测不到水位情况，必须对采空区和钻孔及时、反复透孔并确保其相连通，实现离层区域破坏的密闭性，提前完成预疏放离层积水[6]。图2为防治离层水原理。

图2 防治离层水原理示意Fig.2 Principle of separation layer water prevention and control

3.2 地面泄水钻孔技术

青磁窑煤矿泄水钻孔布置，一是在工作面初次、二次见方位置、断层和断层带附近；二是在煤层底板标高较低处，即在距较低顺槽90 m。此外，在煤层顶板以上50 m布置终孔。

对于地面泄水钻孔结构设计，开孔至进入基层10 m，孔径311 mm，此时下入无缝钢管套管孔径为244 mm；进入K1l底界以下10 m，孔径215.9 mm，此时下入无缝钢管套管孔径为177.8 mm；至终孔，孔径153 mm。其结构示意图如图3所示。

图3 钻孔结构示意Fig.3 The structure of drilling hole

地面泄水钻孔施工工艺一开将孔径311 mm钻入到完好岩层段内超出10 m，下入止水套管244 mm；二开将孔径215.9 mm下入到洛河组底界10 m以下，再下入套管177.8 mm；三开孔径153 mm钻入到煤层顶板50 m以上。此外，一开、二开封闭止水均使用水泥浆，并注水进行检查。钻孔完成后，需持续对钻孔内的地下水位情况监测，并使用全孔水泥浆对钻孔进行封孔。

回采工作面时，必须及时对工作面涌水、孔内地下水位进行分析判断，用以确定最佳透孔时间。通过反复、及时对泄水钻孔透孔，可保证采空区下方和钻孔的连通性[7]，因此，应用防治离层水技术的重点就是要保证采空区工作面和钻孔的相互连通。

4 现场应用

为验证采用地面泄水钻孔防治离层水的治理效果，分别在青磁窑煤矿1307、1302工作面进行实践应用。

4.1 1307工作面

1307工作面自2020年7月15日—2021年5月19日回采完成，共308 d，回采长度1 227 m，在该工作面布置LL1号、LL2号2个钻孔，如图4所示。

图4中，LL1标高+1 217.5 m，XY坐标36 463 286.31、3 858 087.10，孔深设计482 m；LL2标高+1 314.17 m，XY坐标36 462 825.70、3 858 103.10，孔深设计578 m，设计孔深共1 060 m。

图4 1 307工作面布置泄水孔示意Fig.4 Drainage hole layout of No.1307 face

LL1、LL2钻孔均为采前施工，其中LL1孔从开始施工到结束时间为2020年8月20日—12月21日，钻探进尺503 m、地球物理实测探测500 m、1次井下钻孔电视窥探；LL2孔从开始施工到结束时间为2020年9月5日—11月21日，钻探进尺550.1 m、地球物理实测探测546 m、2次井下钻孔电视窥探。上述两孔都进行透孔泄水及钻液漏 失量观测。（1）LL1钻孔事故及处理。

2020年9月8日、10日、12日，依次对LL1钻孔51.77～503.00 m段常规测井、对51.77～503.00 m段超声成像测井、对236.00～503.00 m段封孔作业；9月29日—10月4日进行流量测井及抽水试验；25日向工作面推采沿切眼方向产生裂缝，其最宽为1 m，并产生地基沉降，沉降最大量34 cm；11月1日，因堵塞钻孔深68.75 m已停止监测水位；11月2日，采用井下电视窥视钻孔，69.75 m位置处钻孔塌孔；21日，透孔并封闭全孔；23—24日，孔内不断存在吸气、吹气情况。

（2）LL2钻孔事故及处理。

LL2钻孔终孔深度548.6 m，该孔位预计埋深555 m。为了保证安全，对514.2～550.1 m孔段进行水泥浆封闭。

从2020年10月7日—11日，对钻孔LL2进行流量测井、抽水试验，11月4日、5日依次对105.0～550.1 m段常规测井、对514.2～550.1 m段封孔作业；从12月3日开始监测钻孔水位和水位异常现象；1月5日井下窥视钻孔，当井下水面下到300 m时，已不能看清孔壁，主要是因为水比较浑浊；1月6日进行钻孔透孔，在140 m处遇到阻碍，主要是因为套管变形不能透孔至孔底而继续对水位进行观测；1月19日不能下入测绳，通过井下窥视发现主要是因为在137.36 m位置处的套管被挤压变形，造成完全堵塞钻孔，不能继续观测孔内水位。

（3）离层水防治效果。

通过对距离较近的G3钻孔监测其水位呈现波状变化规律，可推断，青磁窑煤矿1307工作面顶板覆岩产生离层积水情况，但是直到最后该工作面也没有出现较为显著的离层涌水，表明该技术可发挥一定防治离层水效果。

4.2 1302工作面

1302工作面自2020年5月5日—2021年4月28日回采完成，共358 d，回采长度1 285 m。ZT1、ZT2泄水孔示意图如图5所示。

图5 1 302工作面布置泄水孔示意Fig.5 Drainage hole layout of No.1302 face

图5中，ZT1标高+1 374 m，XY坐标36 460 445.373、3 858 742.172，孔深设计598 m；ZT2标高+1 383 m，XY坐标36 460 993.646、3 858 741.533，孔深设计588 m，设计孔深共1 186 m。

ZT1、ZT2钻孔均为采前施工。其中ZT1孔开始施工到结束时间为2020年7月22日—11月3日，钻探进尺586.65 m、地球物理实测探测345 m、1次井下钻孔电视窥探；ZT2孔开始施工到结束时间为2020年7月29日—2021年2月15日，钻探进尺590.02 m、地球物理实测探测587 m、1层次含水层抽水试验、1次井下钻孔电视窥探。此外，对ZT2钻孔结束后持续监测其水位变化情况，如图6所示。

图6中，孔内水位不断下降，在1月3日时，没有观测到水位，但是井口有吸气现象；4日回采工作面经过钻孔ZT2。

自2020年9月5日，ZT1孔内有吸风，到11月7日，仍继续存在吸风现象；2021年1月5日，ZT1孔内有吸气现象，声音很大；2月2日后声音微弱，到7日后已完全消失。

从2020年9月5日—11月7日，长达2个月，ZT1孔口持续存在吸风；从2021年1月5日—2月7日，长达1月，孔内也存在吸风。孔内存在吸风，说明采空区下方区间和钻孔处于相连通状态，并且从2020年11月7日到2021年1月5日工作面推采过钻孔已2月，还在不断进行泄水，有效将回采期和采后产生的离层积水疏放，达到离层防治水效果。

5 结 论

针对青磁窑煤矿受采动影响，产生离层积水现象，造成离层水害，进而影响工作面的安全开采，提出应用地面泄水钻孔防治离层技术。

（1）提前在可能产生离层水区域进行地面泄水钻孔施工，同时，及时监测工作面水位情况，早先预警井下出水现象。若出现观测不到水位情况，必须对采空区和钻孔及时、反复透孔并确保其相连通，达到提前预疏放离层空间积水目的。

（2）将地面泄水钻孔防治离层水技术应用于青磁窑煤矿后，回采1307、1302工作面均未产生显著的离层积水，表明采用该技术能够发挥一定的防治效果，保证工作面的安全生产。