煤層頂板鉆孔疏放水技術(shù)優(yōu)化

高利軍，來 甲，馬 壯，吉 勇，白海成，曹 帥

(1.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

陜北地區(qū)煤炭資源埋藏較淺，大部分礦井遭受著風(fēng)化基巖裂隙水和第四系孔隙水的威脅。礦井主要充水含水層以靜儲水量為主，動態(tài)補給量有限。以靜儲水量為主的礦井充水含水層發(fā)生礦井充水時，往往是瞬間沖擊水量大，后期水量迅速衰減甚至干枯[1-3]。當(dāng)?shù)V井誘發(fā)該類含水層突(透)水時，往往在總出水量有限的條件下給礦井帶來嚴(yán)重災(zāi)害，采用預(yù)先疏水技術(shù)可以有效地消減峰值水量而達到減輕或消除礦井水害的目的。

針對頂板水害預(yù)防，目前行之有效的措施是在工作面回采前向頂板含水層施工疏放水鉆孔，一方面達到對工作面回采時涌水量“削峰平谷”的目的，另一方面可以避免水害的發(fā)生，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)[4-7]。近年來，科研工作者在寧東礦區(qū)、神東礦區(qū)等遭受頂板水害威脅的礦區(qū)進行了大量的關(guān)于疏水降壓的研究和實踐，在頂板含水層可疏降性及疏放水鉆孔布置等方面取得了一些重要的理論和實踐經(jīng)驗[8-12]。盡管這項技術(shù)應(yīng)用較為普遍，但由于各礦井的地質(zhì)及水文條件差異較大，大量實踐表明，疏放水效果千差萬別。目前，鉆孔疏放水工程設(shè)計時，一般采用均勻布置的布孔方式，根據(jù)近幾年來的鉆孔施工經(jīng)驗，有30%～50%的鉆孔不出水或出極少量的水[13-15]，從理論上看這部分工程量可以壓縮，疏放水方案可以優(yōu)化，這就需要在大量試驗基礎(chǔ)上才能找出更為有效的技術(shù)方案。

1 礦井涌水分析

1.1 礦井涌水量與降雨量的關(guān)系

通過對回采面積、降雨量和涌水量的相關(guān)分析，礦井涌水量與回采面積沒有直接關(guān)系，但與礦區(qū)的降雨量有一定的關(guān)系。結(jié)合圖1可以看出，在7、8、9這3個月過后的一段時間，南翼的涌水量會逐漸變大，而北翼的涌水量則基本穩(wěn)定，這可能是因為南翼地表被沙層覆蓋，大氣降水極易入滲到地下含水層，以致使煤礦南翼涌水量逐漸增大；而北翼則因為地表被土層所覆蓋，大氣降水難以入滲，所以其涌水量趨于穩(wěn)定。總體來看，檸條塔煤礦的礦井涌水量逐漸增大。

圖1 涌水量相關(guān)因素曲線

1.2 煤層開采對礦井涌水量的影響

礦井充水通道主要是煤層開采形成的冒落帶和裂隙帶，其次為斷層、裂隙、封閉不良鉆孔等。研究區(qū)內(nèi)，2-2煤層開采后，冒裂帶發(fā)育至直羅組風(fēng)化基巖含水層段形成礦井充水通道。地下水則由四周匯合從導(dǎo)水裂縫帶涌入礦井。研究區(qū)內(nèi)未風(fēng)化基巖厚度差異較大，總體上呈西北部厚，東南部薄。厚度10.43～114.13 m，一般厚40～90 m。根據(jù)冒落帶及導(dǎo)水裂縫帶高度計算數(shù)據(jù)可知，勘探區(qū)大部分范圍內(nèi)2-2煤開采后導(dǎo)水裂縫帶直接發(fā)育至直羅組風(fēng)化基巖含水層，形成礦井涌水的直接導(dǎo)水通道。目前S1210工作面涌水現(xiàn)象也驗證了充水通道的判斷，即冒裂裂隙直接溝通直羅組風(fēng)化基巖含水層，成為全區(qū)的主要充水通道。局部導(dǎo)水裂縫可溝通第四系松散潛水，特別是肯鐵令河谷地帶冒裂帶及土層缺失的“天窗”地段，可直接溝通第四系松散潛水含水層而造成突水潰砂。

2 疏放水試驗

2.1 鉆探成果

試驗共設(shè)計井下放水孔55個，疏放水目標(biāo)層位為侏羅系延安組砂巖含水層、侏羅系直羅組風(fēng)化基巖裂隙含水層。在S1200-3工作面位置已施工的J6水文孔作為本次試驗的地層厚度、單位涌水量、靜止水位、滲透系數(shù)及滲透半徑等水文地質(zhì)因素的參數(shù)孔，鉆探和抽水試驗成果見表1和表2。本次數(shù)據(jù)分析基于S1200-3工作面疏放水試驗的16鉆孔水量，按照鉆孔間距相近原則分為5個孔組，見表3。

表1 J6鉆孔鉆探成果表

表2 J6鉆孔抽水試驗成果表

表3 各孔組鉆孔一覽表

2.2 成果分析

主要從孔組疏放水量、疏放水穩(wěn)定時間、單孔疏放水量、鉆孔深度、鉆孔方位角、鉆孔傾角、殘余水頭、滲透系數(shù)等方面對S1200-3工作面疏放水試驗原始數(shù)據(jù)進行分析。

2.2.1 孔組放水量

該疏放試驗觀測時間為2017年8月10日至10月12日，疏放水約62 d。各孔組疏放水量變化趨勢，如圖2、3所示。可知，各孔組均是由幾個鉆孔組成，且都是逐一成孔的，各孔組放水量首先隨著鉆孔成孔數(shù)量的增加而不斷增大，但鉆孔均成孔后水量達到最大值，隨后呈下降趨勢。疏放一定時間后，各孔組出現(xiàn)不同程度的近似穩(wěn)定狀態(tài)，其中第4組衰減幅度最大從最初峰值100 m3/h衰減至20 m3/h；第2組衰減幅度最小，水量變化范圍一直處于98.5～101 m3/h；其余3組衰減幅度較緩。從疏放水觀測的這段時間來看，第2孔組疏放水量占比最大，占總水量的44%；第1孔組疏放水量占比最小，占總水量的17%。從鉆孔數(shù)量分析，第2孔組只有2個鉆孔，第1孔組則為4個鉆孔，主要原因是F14鉆孔水量大且觀測的這段時間內(nèi)水量基本穩(wěn)定。

圖2 各孔組疏放水量變化趨勢

2.2.2 疏放水穩(wěn)定時間

從5組鉆孔疏放水水量變化趨勢來看(圖3、4)，除了第2組一直較穩(wěn)定以外，其余4組均在50 d左右呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)。整體來看0～15 d疏放水量衰減最大，其次是15～50 d，50 d往后疏放水量衰減最小。5組鉆孔疏放水總量50 d后趨于穩(wěn)定。

圖3 各孔組疏放水量比例

圖4 5組鉆孔疏放水總量變化趨勢

2.2.3 單孔放水量

針對工作面疏放水過量的問題，采用單指數(shù)衰減模型分析單孔疏放水量的衰減變化規(guī)律。單指數(shù)衰減模型實質(zhì)是基于一系列離散模型代替并模擬系統(tǒng)動態(tài)連續(xù)變化過程，已廣泛應(yīng)用于有機熒光分子壽命測量、土壤養(yǎng)分流失以及放射性元素能量衰減動態(tài)變化等過程模擬，模型基本公式為

y=y0+Ae-ax

(1)

式中，y為因變量；x為自變量時間；y0，A，a為待定的參數(shù)；y0為因變量隨著自變量變化而達到的穩(wěn)定值；y0+A為初始時刻因變量的初始值。該模型能夠較好地描述因變量隨著自變量的衰減變化規(guī)律。

在煤礦頂板水疏放方面，隨著疏放水的進行，鉆孔疏放水量由其初始疏放水量(即最初峰值)，逐漸衰減呈下降趨勢，適合采用單指數(shù)衰減模型來描述。可將模型進行適當(dāng)修正，以模擬鉆孔疏放水量的變化規(guī)律。原模型公式中的x在疏放水中作為疏放水時間t，隨著疏放水時間的延續(xù)，Ae-ax項不斷的減小，直至趨于0，那么達到動態(tài)平衡時間te后的鉆孔穩(wěn)定疏放水量，記為Qe(m3/h)：當(dāng)剛開始疏放水時t=0，Ae-ax=A，鉆孔初始疏放水量可由實際觀測得出，記為Qo(m3/h)，于是Qo=Qe+A，則A=Qe-Qo，a為鉆孔疏放水量衰減系數(shù)：(1/d)。其模型示意圖如圖6所示。

因此，單孔疏放水量單指數(shù)衰減模型可表述為

Qt=Qe+(Q0-Qe)e-ax

(2)

疏放水總量Q以往主要是通過每天的流量值(圖5)乘以時間并在整個疏放水時間段內(nèi)累加得到，該累加方法未考慮疏放水量的衰減過程，計算值明顯偏大。疏放水總量可通過對鉆孔疏放水量單指數(shù)衰減模型進行積分計算得到

圖5 單孔放水量曲線

(3)

3 灰色關(guān)聯(lián)度理論分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度理論介紹

灰色關(guān)聯(lián)分析是指對一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較的方法，其基本思想是通過確定參考數(shù)據(jù)列和若干個比較數(shù)據(jù)列的幾何形狀相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，它反映了曲線間的關(guān)聯(lián)程度。灰色關(guān)聯(lián)分析的具體計算步驟分為確定分析數(shù)列、原始數(shù)據(jù)的無量綱化、計算關(guān)聯(lián)系數(shù)、計算關(guān)聯(lián)度、關(guān)聯(lián)度排序。

3.1.1確定分析數(shù)列

確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列，反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列，稱為參考數(shù)列，影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)數(shù)列，稱為比較數(shù)列。

設(shè)參考數(shù)列為

x0={x0(k)∣k=1，2，3,…,j}，

設(shè)參考數(shù)列為

x1={x1(k)∣k=1，2，3，…，j}，

x2={x2(k)∣k=1，2，3，…，j}，

x3={x3(k)∣k=1，2，3，…，j}，

…

xi={xi(k)∣k=1，2，3，…，j}。

3.1.2 原始數(shù)據(jù)的無量綱化

由于系統(tǒng)中各因素數(shù)列中的數(shù)據(jù)可能因為量綱不同，不便于比較或在比較時難以得到正確的結(jié)論。因此在進行灰色關(guān)聯(lián)度分析時，一般都要進行數(shù)據(jù)的無量綱化處理，具體轉(zhuǎn)化方式如下

(4)

3.1.3 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)以下公式計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

ξ0i(k)=

(5)

式(4～5)中,ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5。

3.1.4 計算關(guān)聯(lián)度

因為關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個特定值的關(guān)聯(lián)程度值，所以它的數(shù)目不止一個，這樣不方便進行整體比較。因此，有必要將各個特定值的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個值，即求取平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，關(guān)聯(lián)度roi計算公式為

(6)

式中,roi為比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度。

3.1.5 關(guān)聯(lián)度排序

關(guān)聯(lián)度按照大小排序，如果ron

3.2 影響井下鉆孔疏放水量的因素

本次頂板疏放水效果因素分析，選取方位角、傾角、鉆孔深度、風(fēng)化基巖厚度、殘余水頭、滲透系數(shù)6個因素，對鉆孔疏放水量的影響進行灰色關(guān)聯(lián)度分析。首先利用式(4)對原始數(shù)據(jù)無量綱轉(zhuǎn)化見表4；再通過式(5)進行關(guān)聯(lián)度系數(shù)計算，見表5。

表4 各影響因素?zé)o量綱化統(tǒng)計表

表5 疏放水量與各影響因素關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計表

3.3 理論分析的結(jié)果

最后確定疏放水量與各影響因素關(guān)聯(lián)度排序為0.99(鉆孔深度)>0.97(風(fēng)化基巖厚度)>0.95(傾角)>0.82(方位角)>0.74(滲透系數(shù))>0.59(殘余水頭)。灰色關(guān)聯(lián)度理論分析可知，鉆孔深度與疏放水量之間的關(guān)聯(lián)度最大，并且鉆孔深度、風(fēng)化基巖厚度及傾角三者與疏放水量的關(guān)聯(lián)度差異較小，殘余水頭與疏放水量的關(guān)聯(lián)度最小。

3.3.1 不同方位角的鉆孔疏放水量分析

通過本次施工的順槽5個鉆場5組鉆孔，每個鉆場都是施工兩個鉆孔，開孔位置相同，傾角和深度差異較小只是方位角不同，對比分析發(fā)現(xiàn)初始水量為1號鉆場F9=F10、2號鉆場F12>F13、3號鉆場F16>F17、4號鉆場F20>F21、5號鉆場F22>F23。通過涌水前地下水流場推測圖(圖6)不難發(fā)現(xiàn)，上述4個鉆場中同一開孔位置出水量大的鉆孔方位角都是逆著地下水水流方向，即方位角在259°～299°。

圖6 涌水前地下水流場推測圖

3.3.2 各疏放鉆孔水量穩(wěn)定情況分析

從5組鉆孔疏放水水量變化趨勢來看(圖3、4)，除了第2組一直較穩(wěn)定以外，其余4組均在50 d左右呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)。整體來看0～15 d疏放水量衰減最大，其次是15～50 d，50 d之后疏放水量衰減最小。5組鉆孔疏放水總量50 d后趨于穩(wěn)定。

3.3.3 優(yōu)化前后鉆孔數(shù)量對比分析

通過對檸條塔煤礦S1200-3工作面頂板預(yù)疏放水鉆孔研究，探明了S1200-3工作面上覆主要含水層為風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層。基本摸清了風(fēng)化基巖含水層厚度及具有風(fēng)化程度從上到下逐漸減弱的特點。對上覆侏羅系中統(tǒng)直羅組風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層及2-2煤上覆完整基巖含水層進行了有效的疏放，達到了降低工作面回采時瞬間峰值涌水強度的目的。通過對所施工鉆孔進行集中統(tǒng)一、持續(xù)疏放，可減少上覆含水層對工作面回采的影響。

4 結(jié)論

(1)通過灰色關(guān)聯(lián)度理論，選取方位角、傾角、鉆孔深度、風(fēng)化基巖厚度、殘余水頭、滲透系數(shù)6個因素分析，給定了疏放水效果的判別準(zhǔn)則，分析得出影響疏放水總量的主要因素是鉆孔深度、風(fēng)化基巖厚度和傾角。

(2)在開孔位置相同、鉆孔深度和傾角大致相同的前提下，對不同方位角的鉆孔對比分析，結(jié)合地下水流場推測情況發(fā)現(xiàn)逆著地下水水流方向的鉆孔初始水量更大，在水文地質(zhì)條件類似的其它礦井可以推廣使用。

(3)頂板水疏放鉆孔對風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層的靜儲量疏放起到了重要的作用，也證明了在工作面回采前對頂板水進行提前預(yù)疏放是頂板水防治技術(shù)一種切實可行并且效果顯著的方法。

(4)通過對各鉆場水量觀測數(shù)據(jù)的整理分析，發(fā)現(xiàn)各鉆場疏放水量差異性較為明顯，說明工作面的主要充水源風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層富水性極不均一。