頂板探放水在工作面生產中的應用實踐

2021-08-31 12:30:16張國斌

煤炭與化工 2021年7期

張國斌

（中國煤炭地質總局物測隊，河北邢臺 054000）

1 概況

雅店礦1417 工作面頂板直羅組和延安組砂巖裂隙水為工作面直接充水含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水通過導水裂隙帶增加采后涌水，開采煤層后導致煤層頂板穩定性破壞冒落，從而生成的導水裂隙為工作面的主要充水通道。因此，為防止水害發生保證工作面安全生產，依據《煤礦防治水細則》中第六十二條規定，當煤層（組）頂板導水裂隙帶范圍內的含水層或者其他水體影響采掘安全時，應當采用超前疏放、注漿改造含水層、帷幕注漿、充填開采或者限制采高等方法，消除威脅后，方可進行采掘活動[1]。要求該礦區域內水文地質條件，必須對導水裂隙帶導通范圍內的頂板水進行探放。

2 水文地質條件

2.1 含(隔)水層

（1）第四系全新統孔隙潛水含水層（Q4），為第四系松散地層含水巖系中富水性強含水巖組。

（2）第四系黃土孔隙潛水含水層（Q1+2+3），為第四系松散地層含水巖系中富水性弱的含水巖組。

（3）新近系上新統小章溝組粘土弱含水層（N2x），富水性變化較大。

（4）白堊系下統華池組弱含水層（K1h），系區域弱含水層（個別地段中、下部偶含中、粗砂巖而含水，富水性中等）。

（5）白堊系下統洛河組含水巖組（K1l），該層富水性中等。根據1101 工作面疏放孔，鉆孔涌水量20~50 m3/h，1417 工作面回采過程中，該層含水為采空區涌水主要來源。

（6）白堊系下統宜君組礫巖含水層（K1y），屬富水性極弱—弱的含水層。由于致密堅硬，透水性極差，亦可作為穩定的相對隔水層組。

（7）侏羅系中統安定組相對隔水層（J2a），富水性弱，視為相對隔水層。

（8）直羅組含水巖組（J2z），富水性弱。

（9）侏羅系中統延安組含水層（J2y），富水性微弱。

（10）侏羅系下統富縣組相對隔水層（J1f），為較好的相對隔水巖層，局部地區（如東部無煤區附近）砂巖富集，可能出現含水巖層。

（11）三疊系上統胡家村組、銅川組相對隔水巖組（T3h、T3t），該層埋藏較深，裂隙不發育，一般無水。

2.2 礦井充水因素分析

（1）充水水源。

依據礦水文地質報告，影響該區域主要含水層自下而上依次為侏羅系中統延安組含水層，直羅組含水巖組，白堊系下統宜君組礫巖含水層，白堊系下統洛河組含水層以及第四系全統空隙潛水含水層。根據礦內抽水試驗表明，上述含水層為礦井主要充水水源。區內第四系潛水由于未被導水裂隙帶導通，故其為礦井充水的間接水源。洛河組地下水由于富水性中等，水頭壓力較高且大部分被導水裂隙帶導通而成為未來礦井的主要和間接的充水水源，對煤層開采會造成直接的威脅。煤層頂板的延安組和直羅組均為承壓水，雖具有較高的水頭壓力，但其富水性極弱，易于疏干，故成為未來礦井的次要和直接的充水水源。

（2）充水通道。

工作面充水通道主要是煤層開采形成的冒落帶和導水裂縫帶。煤層開采后，冒落帶和導水裂縫帶波及上部主要含水層，從而引起含水層水沿導水裂隙涌入井下。本次采用經驗公式與周邊礦井實測“裂采比”兩種方法共同確定導水裂縫帶高度，從而為探放水鉆孔垂高確定提供依據。

依據《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T1091-2008）導水裂隙帶發育最大高度計算H 裂=28×ΣM+10，經計算，工作面內4 號煤層平均高度為113.27 m。

礦區直羅組和延安組砂巖裂隙水成為4 號煤層直接充水含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水（富水性中等）通過導水裂隙帶也可直接進入礦井。因此，為保證工作面安全，必須對導水裂隙帶導通范圍內的頂板水進行探放。

（3）充水強度分析。

根據充水水源和通道分析，白堊系洛河組含水層已參與礦井涌水。白堊系各含水層，其分布范圍廣，厚度較大，富水性較強。預計礦井涌水量較大，因此，礦井充水強度較大，若不進行提前疏放，頂板跨落后生成導水通道含水層水通過通道直接涌入井下，給礦井帶來一定的水害威脅。

3 探放水工程設計

3.1 鉆孔最大間距

此次探放水工程目標層位自下而上分別侏羅系中統延安組、直羅組含水層、白堊系洛河組含水層。探放目的層為洛河組含水層，因此鉆孔間距以該含水層影響半徑為依據。

探放洛河組含水層單孔探放水影響半徑計算公式如下：

式中：S為含水層降深，m；K為含水層滲透系數，m/d。

3.2 探放水鉆孔角度

根據施工鉆機性能及巷道寬度，確定鉆孔最佳施工仰角為40°左右。

3.3 探放水垂直高度

根據礦井充水通道分析計算結果，該設計采用28 倍采高作為導水裂隙帶的高度，以此作為探放水設計的基礎，即4 號煤層開采后導水裂隙帶最大高度為113.27 m。因此，確定本次頂板探放水的垂直高度不小于導水裂隙帶高度加維護帶厚度（20 m），即垂直高度不小于133.27 m。

3.4 止水套管確定

根據《煤礦防治水細則》要求，沿巖層探放含水層、斷層和陷落柱等含水體時，按表1 確定探放水鉆孔超前距和止水套管長度。

表1 巖層中探放水鉆孔超前距和止水套管長度Table.1 Exploration and drainage borehole advanced distance and length of water stop casing in stratum

根據已施工鉆孔探放水實測資料，洛河組含水層初始水壓1.7~2.7 MPa，結合鉆孔柱狀圖，考慮到地層局部破碎情況及不同區域水壓變化，故本次設計確定套管長度暫定為30 m，根據施工情況現場再做調整。

3.5 止水套管固定

止水套管采用無縫鋼管固結，使套管和煤巖體成為一體。導管自套管與孔壁間隙處注入水泥漿液，直至水泥漿液從套管內壁流出為止。常溫條件下，凝固24 h，即可掃孔。固管水泥漿液采用水灰比1∶1 水泥漿，固管示意如圖1 所示。

圖1 孔口管結構示意Fig.1 Structure of orifice pipe

3.6 耐壓試驗

掃孔后對孔口管必須進行耐壓試驗。根據《礦井井下高壓含水層探水鉆探技術規范》（GB/T 24505-2009），試驗壓力不小于預揭露含水層水壓的1.5 倍，即6.5 MPa，持續穩壓時間不小于30 min，確保孔口套管不松動、孔口周圍不漏水后方可繼續鉆進[2]。

3.7 孔口裝置

探放水時需要記錄放水時的水量、水壓等資料，要安裝質量合格控水閥門（4 寸球閥）（圖2~圖3）。孔口裝置要同鉆孔套管的法蘭盤連接在一起，并且易于拆開，在測量過程中要求密封不漏水。為了不影響鉆探施工進度，將孔口高壓閥門安排在鉆進至揭露含水層提前5 m 時安裝。等鉆入至含水異常體部位并涌水后，進行水量與水壓觀測。在鉆進過程中，一旦發現鉆孔中水壓、水量突然增大時，通過閥門控制，根據《礦井井下高壓含水層探水鉆探技術規范》（GB/T 24505—2009），“下部高壓閥門和套管法蘭的連接口應經耐壓試驗，不應滲漏”。

圖2 井下放水孔孔口裝置示意Fig.2 Hole device of downhole drainage hole

圖3 井下壓力觀測孔孔口裝置示意Fig.3 Downhole pressure observation hole orifice device

孔口安裝防突水裝置如圖4 所示。

圖4 孔口安全裝置示意Fig.4 Orifice safety device

孔口管下鉆時，先將巖芯管下入鉆眼內，再將盤根密封防噴器套在鉆桿上，當鉆桿下到鉆眼底時，擰緊防噴器螺絲，迫使盤根擴張。循環水返回時由于盤根封閉而由三通下口流出，不射向鉆機。起鉆時，巖芯管拔到防噴器后關閉閥門松開防噴器螺絲，卸開法蘭盤將防噴器及鉆頭取下。

3.8 鉆孔結構

鉆孔結構設計為一次變徑，便于下入孔口管護孔，下入層位為開孔30 m 深度（或開孔穿過破碎泥巖段）。

一開：采用φ133 mm 無芯鉆頭鉆進至孔深31 m（或穿過破碎地層或泥巖段），下入φ108 mm 套管，用攪拌好的水泥漿采用泵入法封固套管進行固井。

二開：采用φ75 mm 無芯鉆頭鉆進至富水區，確認進入富水區后終孔。

鉆孔結構如圖5 所示。

4 頂板探放水工程完成情況

此次探放水工程在1417 綜放工作面施工了5個鉆場，完成了16 個鉆孔，分別為1 號鉆場（回風順槽340 m）施工3 個鉆孔，進尺605 m，放水量17 599 m3；2 號鉆場（回風順槽400 m）施工2個鉆孔，進尺473 m，放水量12 331 m3；3 號鉆場（回風順槽490 m）施工5 個鉆孔，進尺1 096 m，放水量35 010 m3；4 號鉆場（回風順槽580 m）施工3 個鉆孔，進尺679 m，放水量10 942 m3；5 號鉆場（回風順槽680 m）施工3 個鉆孔，進尺663 m，放水量12 604.8 m3。其中最大涌水量為2-2 號鉆孔46 m3/h，最小涌水量為3-1 鉆孔4 m3/h，其余鉆孔涌水量在10~ 30 m3/h（隨著回采大部分鉆孔已不涌水）。合計鉆探進尺3 516 m，總放水量88 486.8 m3。