侏羅系煤田頂板砂巖含水層井下疏降水孔群優化布置

李德彬

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054； 2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西省西安市，710077)

我國侏羅系煤炭資源地質儲量約占全國煤炭總儲量的60%，隨著開采強度加大及開采水平的延伸，在含水層富水性強和水位較高的區段煤層開采時，含水層水會集中涌入到工作面內，造成明顯水害威脅，頂板水害問題日益突出。近十多年來，對于侏羅系煤田煤層頂板水害防治，在理論研究、水害形成機理、水害精準防控技術等方面取得了重大進展。但以往針對侏羅系煤田頂板水害防治工作主要集中在頂板導水裂縫帶發育高度控制方面，尚無明確的布置疏降水鉆孔的理論依據或科學方法，往往布置鉆孔較多造成經濟浪費或布置鉆孔較少無法有效時間內實現含水層水位降低。

《煤礦防治水細則》中要求采取超前疏放措施對含水層進行區域疏放水的，應當綜合分析導水裂隙帶發育高度和頂板含水層富水性，進行專門水文地質試驗，開展可疏性評價，編制區域疏放水方案。井下疏水降壓是侏羅系煤田煤層開采時面臨頂板強富水砂巖含水層必不可少的防治水手段，其難點表現在含水層富水性不均一性明顯、不確定因素多，疏降水鉆孔施工一般為動態調整的過程，鉆孔布置方案應科學合理、安全可靠、施工方便、時效性強。因此，做到井下疏降水孔群的優化布置，既可經濟高效地實現礦井采掘安全，又能最大限度地保護水資源。

1 疏降水孔群優化模型及工作流程

1.1 孔群疏降砂巖水滲流場模型

當煤礦井下工作面回采前采取頂板預疏降水工程時，一般沿工作面巷道直線均勻布置，且延伸的距離較長，可以認為每個鉆孔控制范圍內含水層水位的變化情況是相同的，相當于多個兩側均有相當或較低水位排水渠限制的單孔所組成，見圖1(a)，疏降水時所引起的鉆孔的水位降深見圖1(b)。

圖1 井下孔群滲流場概化模型

圖1中水位降深S1為相對靜水位降深；在井下疏降水時間較長，鉆孔處水位降深大，應考慮各鉆孔附加水位降深S2，可以按照穩定流Dupuit公式推導計算，分別為：

根據以上分析，井下疏降水孔群形成的實際水位降深計算式為：

式中：S——疏降水孔群實際水位降深，m；

S1——疏降水孔群相對靜水位降深，m；

S2——疏降水孔群附加水位降深，m；

q——含水層單位涌水量，L/(m·s)；

L——鉆孔間區段長度，m；

Q——某區段疏降水強度，m3/h；

a——壓力傳導系數；

μ——含水層給水度；

T——突水系數，MPa/m；

t——疏降水時間，h；

rw——疏降水鉆孔孔徑，m。

1.2 工作面涌水量預計優化公式

存在頂板砂巖水威脅的工作面，在采取預疏降水之前，有必要進行工作面時空動態涌水量預計，而非整個工作面一個涌水量預計值，實現從數量、空間和時間上優化布置采前疏降水鉆孔，且為后期疏降水效果提供一定的評價依據，提高含水層的疏放效率。

回采過程中，工作面涌水量包括動態補給量和靜態儲存量。第Ln塊段靜態儲存量為回采冒裂帶影響范圍內頂板含水層中的靜態儲存水量，引用承壓水井的Dupuit公式和式(3)，得第L1塊段動態補給量計算式(5)，第Ln(n≥2)塊段動態補給量計算式(6)。

式中：QJn——回采第Ln塊段時該塊段靜儲存水量，m3/h；

QDn——回采第Ln塊段時該塊段動態補給量，m3/h；

An——第Ln塊段的開采面積，m2；

Mn——第Ln塊段采動冒裂帶波及的含水層厚度，m；

μ平——冒裂帶影響范圍內含水層的平均給水度；

K——含水層滲透系數，m/d；

Rn——第Ln塊段的影響半徑，m；

rn——第Ln塊段概化的“大井”半徑，m；

s——水位降深，m；

a——“大井”中心至概化直線邊界的垂直距離，m。

工作面回采至第Ln塊段時動態補給量包括前期開采塊段的衰減涌水量和第Ln塊段的動態補給量，推算得：

式中：QD——回采第Ln塊段時工作面動態補給量，m3/h；

V——采空區動態涌水量衰減率。

1.3 孔群優化布置數學模型

疏降孔優化布置即在現有的水文地質、工程地質條件下，實現井下以最優的疏降孔工程量達到最大的預期效果為原則，使布置方案既技術可靠又經濟合理。根據公式(3)和公式(7)，建立孔群優化布置的數學模型為：

式中：H——含水層承壓水頭高度，m；

Ha——含水層疏降水后安全水頭高度(一般取小于20 m)，m；

W——每個區段超前疏降水時長(結合工作面回采速度而定)，h。

孔群優化布置的數學模型中的數學變量包括疏降水孔點的個數、孔間距(即工作面每個超前疏降水區段鉆孔布置)、放水量、放水時長。放水量和降水孔點個數的確定主要依據涌水量預計值確定；孔間距由工作面的形狀和孔點的數量確定；放水孔的參數由降深、含水層富水性及施工能力等確定。

孔群優化布置的數學模型目標函數包括最優的疏降水孔數、放水總量及放水時長。

孔群優化布置的數學模型約束條件：單純降水時滿足工作面回采期間無周期性集中涌水、控制放水及合理排水系統能力。

1.4 含水層水疏降可靠性反演模型及方程

侏羅系煤田頂板含水層井下疏降水鉆孔往往為上仰斜孔，主要便于井下施工，同時鉆孔能更長距離揭露充水含水層巖層段，圖2展示了頂板承壓含水層中一個仰斜鉆孔的三維概念模型。

圖2 疏降水傾斜鉆孔示意圖

由于礦井頂板含水層水文地質條件復雜性，需在三維概念模型基礎上建立數學方程，反演實施的試驗鉆孔對含水層水有效疏降情況，驗證孔群優化布置的可靠性。

依據圖2建立坐標系統，以含水層的底板(傾斜鉆孔水平與豎直的中點位置)為坐標系的原點。假設井下疏降仰斜鉆孔出水段中點的坐標為(j，k)，鉆孔鉆進方向與坐標系x軸的夾角為γ。假定條件如下：

(1)煤層頂板砂巖含水層是均質各向異性、等厚且側向無限水平延伸；

(2)含水層假定為彈性體，疏降水前水頭面水平；

(3)無垂向越流補給，滲流滿足達西定律；

(4)仰斜鉆孔既可為完整井也可為非完整井，假定含水層水沿井壁均勻進入；

(5)隨著含水層水頭下降，其地下水儲存量瞬間釋放；

(6)鉆孔孔徑無限小，且短期內定流量疏放水。

仰斜疏降水鉆孔流量計算的表達式為：

式中：Lw——鉆孔的長度為，m；

zw——從含水層的底板至鉆孔中點的距離，m；

θ——坐標原點和觀測點連線在水平面上的投影與r軸的夾角；

θw——鉆孔與水平方向的夾角，一般取值15°～55°。

1.5 疏降水孔群優化布置工作流程

要實現頂板砂巖含水層水害中安全采掘，需先進行大量地質探查工作，開展超前頂板水預疏放和評價工作，并嚴格按照安全規程采掘。具體疏降水孔群優化布置工作因礦而存在一定差異，但大致可按圖3所示流程進行。

圖3 頂板疏降水孔群優化布置工作流程圖

2 孔群布置優化的實現

2.1 案例工程概況

130602工作面為麥垛山煤礦的首采工作面，走向長度2374 m，傾向長度250 m，主采煤層為侏羅系延安組6#煤層，煤層厚度約3.6 m，煤層厚度穩定，結構簡單。工作面位于于家梁周家溝背斜南翼，基本為單斜構造，工作面切眼處標高低于工作面停采線，為仰采，局部地段存在低洼起伏情況。

煤層直接充水含水層為延安組地層，由三角洲平原相組成，巖性為灰、灰白色中、粗粒長石石英砂巖、細粒砂巖，深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖及煤等組成。130602工作面開采的6#煤層距延安組4～6煤間含水層7.40～74.60 m，平均距離23.53 m；該工作面上覆延安組4～6煤間含水層厚度0～66.63 m，平均厚度25.21 m，總體分布規律為工作面切眼和停采線附近較薄，中部較厚，自含水層底板承壓水頭高度為178 m左右，單位涌水量平均為0.067 L/(sm)，滲透系數平均為0.0616 m/d。前期在該工作面4條巷道掘進過程中滴、淋水現象較嚴重，在風巷掘進時掘進頭淋水量最大達到20 m3/h，說明該區域延安組含水層充水能力較強，為了保證煤層的安全開采，防止周期性集中涌水事故的發生，應該對煤層頂板直接充水含水層進行疏降。

圖4 130602工作面疏降水孔群優化前布置方案

運用“大井法”對130602工作面直接預計整個工作面涌水量值為1216 m3/h，該礦區以往常將所有鉆孔布置至工作面中部范圍，按照常規鉆孔疊加疏放理念(單孔出水量按照15～30 m3/h)，則估算需要疏降鉆孔64個，基本均勻分布在130602工作面內，共布置16個井下疏降水鉆場，每個鉆場4個鉆孔，各鉆孔孔深約80 m，水位控制點為有效疏降水孔段的中點。疏降水孔和水位控制點位置情況見圖4，其中淡藍色圓點為概化的水位控制點。

2.2 130602工作面井下疏降水孔群優化布置

2.2.1 工作面涌水量預計

根據周邊工作面參數，推斷130602工作面覆巖導水裂隙帶發育高度為42.15 m、塌陷角為70°左右。結合開采導水裂隙帶發育波及范圍，對該工作面影響范圍涌水量進行預計，作為疏降水孔群布置的控制因素之一。

按照130602工作面回采過程中垮落步距30 m、采空區涌水量每月衰減率20%計算(參考本礦相似工作面采空區涌水規律觀測)，按照式(7)，求得該工作面涌水量見表1。需要說明是，在工作面停采線以外將無下一階段頂板水超前預疏放水量，所以出現表3中最后一個月的預計涌水量會減少明顯現象。

表1 130602工作面分區段疊加預計涌水量成果表

2.2.2 疏降水孔群優化布置數學模型

130602工作面傾向長度250 m，其頂板含水層為孔隙裂隙水，厚度大，埋深較大，常規鉆探無法采用也無需完全無盲區的疏放水，一般以工作面兩側巷道為施工鉆場，可向四周發散施工鉆孔，概化成有效水位控制點，見圖5。

圖5 130602工作面疏降水孔群水位控制點分布圖

根據工作面涌水量疊加預計和目標函數法的優化設計方案，依據公式(8)，該疏放水工程孔群優化數學模型為：

其中，單孔出水量QDn盡可能為25 m3/h左右。

控制條件為：鉆孔孔徑rw取75 mm，每個區段超前疏降水時間t≤720 h(結合工作面回采速度約210 m/月)，鉆場間平距1150 m≥L≥80 m。

2.2.3 工作面疏降水孔群優化布置方案及效果

在工作面疏降水區段選擇試驗孔點進行試疏降水，通過實際觀測與反演計算值對比分析(選擇1號孔為反演計算案例)，針對不同的布孔方案和對應的放水工期進行試算并優化調整方案。最終求得鉆孔數量、水位降深、放水工期及疏放水量等最優的布孔方案。

麥垛山煤礦130602工作面1號試疏降水鉆孔放水11 d(單孔放水試驗)，最終流量穩定在25 m3/h左右，含水層滲透系數K為0.0616 m/d，給水度μs為0.0185；疏降水段長度Lw為161.28 m，疏降水段中點高度zw為33.185 m，θw為24.3°，疏降水流量為25 m3/h，疏降水時間264 h。結合鉆孔位置剖面見圖6。依據承壓含水層仰斜鉆孔疏降可靠性反演方程，計算得到觀測孔降深—時間變化，如圖7所示。

圖6 疏放水孔與觀測孔剖面示意圖

圖7 試疏降鉆孔降深-時間對比曲線圖

由圖7可以看出，擬合曲線與實測曲線趨勢一致，說明擬合曲線與各個觀測數據的接近程度都較高，在130602工作面頂板施工設計參數的疏降水鉆孔，能夠使工作面內頂板含水層控制區段得到有效疏降，反演計算為優化目標函數方程提供可靠參數。

依據優化方案的目標函數，運用Matlab軟件進行限制運算，選擇出優化控制點，得130602工作面最優鉆孔數量及位置布置情況，如圖8所示，各巷道中鉆場間距約300 m，各鉆孔孔深約120 m。

回采前對第一、二階段(工作面前420 m范圍)含水層疏放水鉆孔水量、水壓變化進行實際觀測，各鉆孔水量10 m3/h≤QDn≤32 m3/h，穩定水量之和為390 m3/h，自放水約16 d(378 h)，實現了目的水位降深，穩定降落漏斗形態見圖9，保障了工作面安全開采不受頂板水害威脅。

圖8 130602工作面疏降水孔群優化布置方案

圖9 井下疏降水孔群優化布置疏水降壓效果三維圖

工作面自切眼降落漏斗低谷時空移動性逐漸擴展至停采線，實現各區段水位降深目標，各階段穩定水量之和為390～795 m3/h，與涌水量預測值相近，預測涌水量與實際涌水量觀測曲線如圖10所示，實現了疏降水鉆孔鉆進工程量較前期設計減少15.6%左右。

圖10 預測涌水量與實際涌水量觀測曲線圖

需要說明是：優化布置過程中，已假設煤層頂板砂巖含水層是均質各向異性、等厚且側向無限水平延伸、無垂向越流補給等條件，現疏降水孔群布置已能進一步滿足生產需求，但布置規律性較明顯，與實際條件仍存在偏差。

3 結論

(1)運用地下水滲流方程和空間點源理論對井下頂板含水層疏降水孔群布置進行優化是可行的，計算結果能滿足疏降水要求設計標準；同時優化預計出單孔出水量和工作面時空區段涌水量，為工作面回采條件評價和臨時排水泵選型提供了數據支撐。

(2)優化布置過程中，假設煤層頂板砂巖含水層是均質各向異性、等厚且側向無限水平延伸、無垂向越流補給等條件，使得孔群布置規律性仍較明顯，與實際條件存在偏差，有待進一步科學修正。

(3)由于不同的水文地質條件，孔群總排水量與各疏降孔水位降深及其互相影響情況不同，一般優化分析過程中需進行疏降水試驗，獲得水位疏降落曲線，進行反演計算，實現孔群布置最優解的目的。

(4)由于孔群疏降水的優化布置與水文地質參數有著密切的關系，通過放水試驗或其他方法獲得科學合理K、T、μ等水文地質參數值是十分重要的。

(5)疏降水孔群優化布置的目的是以最優的鉆孔布置實現最大限度地減小工作面回采期間頂板水害威脅，結合工作面回采速度和垮落步距，密切觀測鉆孔水量及水壓變化，對后期的疏降水孔群布置方案及時調整是必要的，實現較短時間對含水層水位降深最大，減少疏放水總量，既能夠保證疏降水工作面各區段安全生產，又能最大限度地保護水資源。