銀星一號煤礦侏羅系煤層頂板砂巖水害特征及防治技術(shù)

趙世軍，鹿存金，邊 凱，劉保杰

（1.寧夏銀星煤業(yè)有限公司銀星一號煤礦，寧夏銀川 750000；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；3.河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北邯鄲 056000）

隨著煤炭生產(chǎn)重心加速西移，西部侏羅系煤炭資源是未來以煤為主能源結(jié)構(gòu)的資源保障。近年來，寧夏寧東煤田作為億噸級大型煤炭生產(chǎn)基地進(jìn)行了大規(guī)模高強(qiáng)度開采，礦井水文地質(zhì)條件趨向復(fù)雜，區(qū)內(nèi)淺部侏羅系煤層受到頂板砂巖水害威脅，發(fā)生了多起水害事故，煤礦安全形勢嚴(yán)峻。如：麥垛山煤礦F26正斷層掘進(jìn)和紅柳煤礦201 工作面回采期間先后發(fā)生突水潰砂事故，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

煤層頂板砂巖出水具有時間短、水量大、以靜儲量為主等特點[1]，會造成頂板巖層軟化或泥化，惡化現(xiàn)場環(huán)境，甚至液壓支架被壓死。國內(nèi)煤礦科技工作者對侏羅系煤層砂巖水害問題開展了廣泛研究。褚彥德[2]對寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)石槽村煤礦頂板砂巖水害特征進(jìn)行分析，并提出了防治水對策；李德彬[3]提出了侏羅系煤層回采過程中頂板含水層靜儲量釋放與動態(tài)補(bǔ)給量時空動態(tài)預(yù)測方法，提高了侏羅系煤田頂板孔隙裂隙砂巖含水層涌水量預(yù)測精度；呂兆海等[4]對寧夏東部靈鹽含煤區(qū)地層水量進(jìn)行分析并提出疏降排協(xié)同技術(shù)；薛建坤等[5]研究了鄂爾多斯盆地侏羅系煤田導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測方法及頂板充水模式，劃分了水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型；馬蓮凈[6]以寧東煤田麥垛山煤礦頂板巨厚砂巖含水層水文地質(zhì)特征為研究對象，制定了有針對性的水害防治技術(shù)；趙寶峰等[7]分析了侏羅系煤層底板砂巖水害特征并提出了注漿堵水或疏水降壓等防治技術(shù)；王棟任[8]研究了侏羅系西山窯組煤層頂板砂巖含水層特征，提出了封閉水文地質(zhì)單元條件下工作面頂板砂巖水疏放治理技術(shù)。

前人對寧東煤田侏羅系煤層砂巖水害問題開展了一定的研究，而侏羅系煤系地層陸相沉積多相變、多旋回的沉積模式使得頂板砂巖富水性極不均一，以往勘探獲取的含水層富水性和滲透性結(jié)論與實際揭露差異較大，煤系巖層膠結(jié)程度為弱膠結(jié)甚至無膠結(jié)造成井下疏放水鉆孔成孔及長期高效疏水困難，采用傳統(tǒng)的疏放水技術(shù)效果難以保證。因此，有必要在準(zhǔn)確分析侏羅系煤層頂板砂巖水害特征的基礎(chǔ)上，總結(jié)適用于侏羅系煤層頂板砂巖的水害防治技術(shù)，科學(xué)合理地開展防治水工作，這對完善寧夏甚至西部礦區(qū)礦井水害防治工作有著重要作用。為此，以鄂爾多斯盆地西緣銀星一號煤礦110301 工作面侏羅系煤層頂板砂巖水害為背景，通過補(bǔ)充勘探、抽水試驗、“兩帶”實測和巖石崩解試驗等方法，系統(tǒng)分析頂板砂巖水害特征，針對性地提出了科學(xué)合理的防治技術(shù)。

1 研究區(qū)概況

銀星一號煤礦位于積家井礦區(qū)北部，可采煤層9 層，均屬侏羅系煤層。目前，11 采區(qū)開采3#、12#、13#、18#上1煤層；14 采區(qū)新建行人、進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)3 條斜井，井底標(biāo)高設(shè)置在+950 m 水平，擬開采12#、18#下煤層，處于開拓階段。

1.1 礦井地質(zhì)特征

井田地處華北地臺、鄂爾多斯盆地西緣褶皺沖斷帶的南北向逆沖構(gòu)造帶（磁萌斷褶帶）中段的東側(cè)，積家井-甜水堡背斜的北段，構(gòu)造整體上表現(xiàn)為背斜，褶曲和斷層較發(fā)育。

根據(jù)鉆孔資料，井田地層由老至新為：三疊系上統(tǒng)上田組（T3s），侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)保安群（K1b），古近系漸新統(tǒng)清水營組（E3q）和第四系（Q）。煤層頂板富水地層主要為侏羅系中統(tǒng)延安組和直羅組。

侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）為含煤巖系，平均厚度429.50 m，屬河流-湖泊三角洲沉積體系，巖性主要由各粒級砂巖、泥巖、煤和少量含鋁土質(zhì)泥巖組成，與下伏地層假整合接觸；侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）在背斜軸部大范圍遭剝蝕，平均厚度424.68 m，屬半干旱條件下的河流沉積體系，巖性以各粒級砂巖為主，夾薄層泥巖，與下伏地層假整合接觸。

1.2 礦井水文地質(zhì)特征

井田煤層與含水層賦存的總體特點是煤水伴生。煤層頂板賦存4 個含水層：第四系及古近系松散層孔隙潛水及下伏基巖風(fēng)化面含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙-裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組1#～12#煤層砂巖孔隙-裂隙承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組12#～18#煤層間砂巖孔隙-裂隙承壓含水層，中間間隔基巖弱含水層與砂泥巖隔水層。礦井水文地質(zhì)類型在110301 工作面出水后調(diào)整為復(fù)雜型。銀星一號煤礦主要含水層分類特征表見表1。

表1 銀星一號煤礦主要含水層分類特征表Table 1 Classification characteristics table of main aquifer in Yinxing No.1 Coal Mine

2 侏羅系煤層頂板砂巖水害特征

2.1 沉積環(huán)境與富水性關(guān)系

沉積物在不同的沉積環(huán)境中形成的巖石組合有較大差異。不同巖性及其組合巖層的微觀孔隙、喉道大小及其連通性都不同，呈現(xiàn)出砂巖孔隙中地下水流通、富集的不同情況[9]。侏羅系砂巖含水層的富水性取決于含水層的儲水能力，而儲水能力在微觀和宏觀2 個不同尺度下分別受到砂巖類型、孔隙結(jié)構(gòu)及砂體分布等的影響[10]。因此，砂巖沉積環(huán)境與含水層富水性密切相關(guān)。

一般來說，砂巖中沉積物粒度越粗、孔隙度越大、砂體厚度越大，含水層富水性越強(qiáng)；反之，含水層富水性弱[9]。地殼不均衡沉降條件下，不同的沉積環(huán)境中發(fā)育不同沉積相/微相/亞相，導(dǎo)致砂體厚度、分布范圍及砂體間連續(xù)性都存在差異，表現(xiàn)為煤層頂板砂體分布不均勻，在同一研究區(qū)內(nèi)局部區(qū)域的含水層富水性存在一定差異[11]。銀星一號煤礦所在地區(qū)為典型的侏羅系河湖相沉積環(huán)境，在井田北、西、南部邊界發(fā)育有古近系古河床，呈條帶狀分布，富水性中等；直羅組下部砂巖含水層富水性平面差異較大，屬弱-中富水性，砂體分布區(qū)域富水性相對較強(qiáng)。煤系地層富水砂體分布示意圖如圖1。

圖1 煤系地層富水砂體分布示意圖Fig.1 Water-rich sand body distribution diagram of coal measure strata

2.2 頂板砂巖含水層富水性

礦井勘察期間對直羅組及延安組砂巖含水層開展了抽水試驗，得出了含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中含水層富水性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。直羅組砂巖含水層抽水試驗成果表見表2，延安組砂巖含水層抽水試驗成果表見表3。

由表2 可知：區(qū)內(nèi)侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層富水性平面差異較大，屬弱-中等富水性，多表現(xiàn)為弱富水性。延安組砂巖含水層為煤層頂板直接充水含水層，該含水層特征主要表現(xiàn)為煤層間的砂巖類含水，3#煤層底部分布有相對穩(wěn)定的隔水層將該含水層分為上、下2 段。其中上段為1#～12#煤層含水層組，下段為12#～18#下煤層含水層組。

表2 直羅組砂巖含水層抽水試驗成果表Table 2 Table of pumping test results for Zhiluo Formation sandstone aquifer

由表3 可知：延安組裂隙承壓含水層富水性整體偏弱，局部區(qū)域表現(xiàn)為富水性中等。

表3 延安組砂巖含水層抽水試驗成果表Table 3 Table of pumping test results for Yan’an Formation sandstone aquifer

2.3 頂板砂巖水害形成機(jī)理及特征

侏羅系砂巖水害的形成與煤層頂板砂巖的固有物理性質(zhì)及采動影響直接相關(guān)，分析頂板砂巖物理力學(xué)性質(zhì)及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是認(rèn)識水害形成機(jī)理的基礎(chǔ)。

2.3.1 頂板巖層物理力學(xué)性質(zhì)分析

1）巖層力學(xué)性質(zhì)測試。根據(jù)覆巖力學(xué)測試結(jié)果：直羅組一般軟化系數(shù)0.54，飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度10.64～38.06 MPa，一般20.21 MPa，屬中硬類巖石，在外力作用下易碎裂、崩塌；延安組軟化系數(shù)0.55，飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度5.34～24.40 MPa，一般14.05 MPa，屬軟弱類巖石。整體來看，煤層頂板巖層力學(xué)強(qiáng)度不高，屬易軟化的軟弱～中硬類巖石。

2）頂板巖層成分分析。通過X 衍射（XRD）測試分析煤層頂板泥巖、砂巖礦物成分組成情況，頂板泥巖和砂巖中黏土礦物含量分別為15.3%和5.1%，黏土礦物在遇水后具有不同程度的可塑性，對煤層頂板的穩(wěn)定性有一定的影響。X 衍射（XRD）成分測試成果如圖2。

圖2 X 衍射（XRD）成分測試成果Fig.2 X-ray diffraction（XRD）component test results

3）頂板巖層水穩(wěn)性分析。侏羅系砂巖水對煤層頂板最顯著的影響是引起泥巖強(qiáng)度減小失去穩(wěn)定性。按照GBT 50123—2019 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)選擇無宏觀裂隙的頂板泥巖進(jìn)行2 組崩解性測試。初期巖石內(nèi)部被水浸潤時間較短，崩解率較低；中期被封閉在孔隙中的氣體被水壓縮產(chǎn)生張應(yīng)力造成試樣沿著軟弱部位快速崩解，后期崩解速率趨于穩(wěn)定，巖石崩解速率變化圖如圖3。

圖3 巖石崩解速率變化圖Fig.3 Rock disintegration rate diagram

采用耐崩解指數(shù)評價頂板泥巖水穩(wěn)性特征：

式中：I 為耐崩解指數(shù)，%；Mr為殘留試樣質(zhì)量，g；Mt為試樣總質(zhì)量，g。

崩解性測試成果表見表4。

表4 崩解性測試成果表Table 4 Table of disintegration test results

由表4 可知：2 組試樣耐崩解指數(shù)分別為26.13%和38.64%，崩解量較大，說明頂板泥巖在遇水后極易發(fā)生軟化，膠結(jié)程度不高，結(jié)構(gòu)松散，水穩(wěn)性較差。

2.3.2 導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律

掌握侏羅系煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律是評價頂板砂巖水害、預(yù)計涌水量及防治的關(guān)鍵，已有相關(guān)文獻(xiàn)對侏羅系煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究[12-13]。銀星一號煤礦僅對18#上1煤層開展了“兩帶”實測工作，綜合確定18#上1煤層“兩帶”發(fā)育高度為51.16 m，裂采比為15.5。

結(jié)合前文覆巖類型軟弱-中硬，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》附表4-2 給出的中硬覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冉?jīng)驗公式，選擇計算結(jié)果較大的計算公式：

式中：Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋琺；M 為煤層累計采厚，m。

由式（2）計算可知：各煤層回采過程中導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ь鶗煌潭鹊膶?dǎo)通頂板延安組砂巖含水層，上部淺部煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞踔習(xí)爸绷_組含水層。

結(jié)合裂采比法計算的各煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育的高度，各可采煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔嬎愠晒硪姳?。

表5 各可采煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔嬎愠晒鞹able 5 Calculation results table of water flowing fractured zone height of each coal seam

2.3.3 砂巖水害形成機(jī)理及特征

侏羅系煤層頂板砂巖的沉積分布特征及固有物理屬性是砂巖水害形成的基礎(chǔ)。通過對侏羅系煤層頂板砂巖沉積環(huán)境、富水性特征及物理力學(xué)性質(zhì)分析可知：因其成巖時間短，膠結(jié)程度差，一般為弱膠結(jié)甚至無膠結(jié)，巖石力學(xué)強(qiáng)度不高，煤層頂板穩(wěn)定性中等易破碎；泥巖和砂巖中含黏土礦物遇水容易發(fā)生軟化甚至泥化；頂板特征導(dǎo)致侏羅系煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Я巡杀纫话愦笥谑慷B系煤層，能夠直接波及厚度較大的延安組及直羅組含水層。

煤層采掘活動是侏羅系砂巖水害形成的直接因素。采掘過程形成的圍巖松動圈及導(dǎo)水?dāng)嗔褞Щ蛱椒潘@孔等溝通頂板砂巖含水層后為砂巖水提供了良好的導(dǎo)水通道，導(dǎo)致含水層水沿孔隙或裂隙運(yùn)移至采掘工作面。

富水砂體分布的極不均一性是侏羅系砂巖水害形成的不確定因素。煤層頂板砂體分布不均勻、不連續(xù)，造成頂板含水層富水性平面差異較大。導(dǎo)水裂隙或探放水鉆孔導(dǎo)通的砂體會表現(xiàn)出較強(qiáng)的富水性；砂體賦存范圍較小或不存在砂體的區(qū)域會明顯表現(xiàn)出弱富水性特征；特殊情況下，因砂體賦存范圍不規(guī)則造成探放水鉆孔未能直接揭露砂體而無水，導(dǎo)致作出富水性弱的錯誤判斷，為生產(chǎn)埋下了隱患。

水巖混合致災(zāi)是侏羅系砂巖水害的助推因素。砂巖水與導(dǎo)水裂隙圍巖或鉆孔孔壁發(fā)生水巖耦合作用，浸潤滲透至泥類巖中，造成隔水層強(qiáng)度及阻水性能降低，發(fā)生崩解破壞，導(dǎo)致頂板強(qiáng)度降低或鉆孔堵塞；煤層基本頂在砂巖水的作用下發(fā)生軟化變形，造成頂板支護(hù)困難或支護(hù)失效甚至冒頂潰砂；破碎崩解的砂巖塊體在水的作用下發(fā)生泥化，惡化工作面生產(chǎn)環(huán)境，甚至堵塞排水系統(tǒng)。

侏羅系煤層頂板砂巖水巖混合致災(zāi)機(jī)理示意圖如圖4。

圖4 侏羅系煤層頂板砂巖水巖混合致災(zāi)機(jī)理示意圖Fig.4 Schematic diagram of disaster mechanism of sandstone water-rock mixture in Jurassic coal seam roof

侏羅系砂巖水害特征與其含水層厚度、滲透系數(shù)、動態(tài)補(bǔ)給量、砂體分布有密切關(guān)系，總體表現(xiàn)為：

1）初期水量大但總水量有限。導(dǎo)水通道波及含水層后，迅速在出水點形成大范圍降落漏斗，初期水量以承壓含水層中的靜儲量釋放為主，單位涌水量較大；總水量與砂體體積直接相關(guān)，而砂體不均一、不連續(xù)，補(bǔ)給條件差，一般出水總量有限，最終趨近動態(tài)補(bǔ)給量。

2）出水時限及位置不固定。因水源主要為靜儲量，一般出水時間較短，而在泥巖厚度較小或動態(tài)補(bǔ)給量較大的區(qū)域，出水時間可能較長甚至連續(xù)出水多年；砂巖富水性存在較強(qiáng)的不均一性，只有導(dǎo)水裂隙或探放水鉆孔波及含水砂層時才會出水，因此工作面回采期間并非全程出水，同一鉆場相鄰鉆孔也可能出現(xiàn)較大差異。

3）典型的水巖混合致災(zāi)。侏羅系煤層頂板砂巖出水伴隨著頂板巖層的軟化甚至泥化，造成頂板變形崩塌，支護(hù)失效；弱膠結(jié)或無膠結(jié)的砂體可能會沿裂隙運(yùn)移至工作面，惡化工作環(huán)境，出現(xiàn)冒頂、壓架、堵塞排水系統(tǒng)等不良后果。

3 侏羅系煤層頂板砂巖水防治技術(shù)

原國家煤礦安全監(jiān)察局2018 年頒布的《煤礦防治水細(xì)則》提出了“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”七字方針[14]，是我國礦井水害防治工作遵循的治水準(zhǔn)則，應(yīng)根據(jù)不同水文地質(zhì)條件的各種水害類型采取單種或多種手段相結(jié)合的治水方式。侏羅系煤層頂板砂巖水害防治技術(shù)路線如圖5。

圖5 侏羅系煤層頂板砂巖水害防治技術(shù)路線Fig.5 Technical route of roof sandstone water disaster prevention in Jurassic coal seam

針對侏羅系煤層頂板砂巖水害形成機(jī)理及出水特征，主要采取“探、疏、排、截、監(jiān)”相結(jié)合的防治水措施，其中基礎(chǔ)探查和疏水降壓是侏羅系煤層頂板砂巖水害防治的關(guān)鍵。“探”主要是進(jìn)行基礎(chǔ)的探查工作，包括實測導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗暮畬訉游唬_展導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍內(nèi)的砂巖富水性及異常區(qū)探查；“疏”主要是根據(jù)異常區(qū)分布情況針對性地設(shè)計探放水鉆孔進(jìn)行分層次精準(zhǔn)疏水降壓；“排”主要是與疏水降壓配套的礦井排水系統(tǒng)改造升級和地面水處理能力提升；“截”主要是在工作面頂板砂巖水源補(bǔ)給方向布設(shè)截流鉆孔；“監(jiān)”主要是在疏水降壓過程中監(jiān)測水量及水壓變化過程，為判定疏水降壓標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

3.1 基礎(chǔ)性探查工作

3.1.1 導(dǎo)水裂隙高度實測

對比前文經(jīng)驗公式計算和實測數(shù)值推算2 種方法得到的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度值，不同計算方法導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度如圖6。

圖6 不同計算方法導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度Fig.6 Development height of water flowing fractured zone by different calculation methods

由圖6 可知：除3#煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度基本一致外，其他各煤層2 種方法結(jié)果存在一定的差距，且與煤層厚度相關(guān)性較大。因此，僅依據(jù)經(jīng)驗公式計算結(jié)果誤差較大，需要結(jié)合現(xiàn)場實測工作進(jìn)行綜合判定。侏羅系頂板砂巖因膠結(jié)程度差，導(dǎo)致地面或井下鉆孔施工后極其容易出現(xiàn)鉆孔“縮徑”或“塌孔”現(xiàn)象，泥質(zhì)膠結(jié)地層遇水軟化還會造成傳統(tǒng)“雙端堵水”注水試驗無法開展，因此傳統(tǒng)方法很難獲取工作面準(zhǔn)確的導(dǎo)水?dāng)嗔寻l(fā)育高度。針可以針對性地選用電阻率法、微震法或光纖法在回采前施工監(jiān)測鉆孔，埋設(shè)監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)工作面導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律全生命周期動態(tài)監(jiān)測的目的。

3.1.2 井下放水試驗

目前銀星一號煤礦主要利用勘察及水文地質(zhì)補(bǔ)勘期間地面鉆孔抽水試驗獲取的參數(shù)進(jìn)行富水性評價及涌水量預(yù)計，地面抽水試驗常因使用“提桶法”或孔深較大抽水困難等因素造成結(jié)果偏差較大。而銀星一號煤礦110301 工作面井下實際揭露涌水量遠(yuǎn)大于預(yù)計涌水量，說明頂板砂巖含水層的實際水文地質(zhì)參數(shù)要大于抽水試驗成果，文獻(xiàn)［15］對此做出了分析。《煤礦防治水細(xì)則》中規(guī)定如遇地面水文地質(zhì)勘探難以查清問題，需要在井下進(jìn)行放水試驗或者連通（示蹤）試驗的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行井下水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探[16]。因此，在銀星一號煤礦水文地質(zhì)條件類型劃分為復(fù)雜型之后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行井下放水試驗進(jìn)一步查清頂板砂巖含水層水文地質(zhì)條件。

3.1.3 富水異常區(qū)物探探查

銀星一號煤礦井田內(nèi)煤系地層沉積序列清晰，地層相對穩(wěn)定，正常地層組合條件下，在橫向與縱向上物性都有固定的變化規(guī)律可循，為以電性差異為應(yīng)用前提的電磁法勘探方法的實施提供了良好的地球物理條件。根據(jù)工作面地面及井下環(huán)境可以選擇地面瞬變電磁或井下直流電法查明工作面開采范圍內(nèi)頂板巖層富水情況，圈定頂板薄弱帶和富水異常區(qū)，為水害精準(zhǔn)治理提供有效的水文地質(zhì)依據(jù)。

3.2 頂板砂巖含水層疏水降壓

3.2.1 疏放可行性判別標(biāo)準(zhǔn)

銀星一號煤礦主要充水含水層屬于自身充水含水層和直接充水含水層，且以靜儲水量為主，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度波及直接與間接充水含水層。因此，可以采取疏放手段。

根據(jù)前人研究，選擇抽水試驗降深與涌水量的比值關(guān)系S0′作為疏降可行性的判別標(biāo)準(zhǔn)：①S0′＞10，補(bǔ)給較弱，易疏降；②3≤S0′≤10，補(bǔ)給較強(qiáng)，可以疏降；③S0′＜3，補(bǔ)給很強(qiáng)，不宜直接疏降。

式中：S0′為疏降水判別系數(shù)；S 為水位降深，m；Q 為涌水量，m3/min。

根據(jù)各水文地質(zhì)鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果，煤層頂板砂巖含水層均具有較好的可疏性。煤層頂板砂巖含水層可疏性評價表見表6。

表6 煤層頂板砂巖含水層可疏性評價表Table 6 Evaluation table of sandstone aquifer in coal seam roof

3.2.2 疏放水鉆孔布置原則

疏放水工程堅持頂板水“分層次，分階段，動態(tài)優(yōu)化”的原則，在工作面低位順槽或?qū)ｉT泄水巷施工頂板探放水孔進(jìn)行超前疏放。

“分層次”原則要求在工作面回采之前根據(jù)頂板富水性物探探查及放水試驗成果，設(shè)計高位和低位2 個層次鉆孔，高位鉆孔終孔層位高于導(dǎo)水?dāng)嗔褞ьA(yù)計高度時以截流動態(tài)補(bǔ)給量為主，低位鉆孔終孔層位位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍內(nèi)時以疏放含水層靜儲量為主。

“分階段”原則要求根據(jù)工作面計劃回采進(jìn)度，自工作面切眼向停采線方向超前劃分疏放水區(qū)段，超前距離為超前來壓步距的2～3 倍，在超前疏放水區(qū)段內(nèi)提前將頂板含水層水位降至安全范圍內(nèi)，掩護(hù)工作面順利推進(jìn)。

“動態(tài)優(yōu)化”原則要求根據(jù)探放水鉆孔“一孔多用”，探查頂板砂層賦存范圍，結(jié)合實際揭露水量情況動態(tài)調(diào)整鉆場及鉆孔參數(shù)。

3.2.3 鉆孔有效疏放保證措施

侏羅系巖層遇水膨脹、崩解，鉆孔鉆進(jìn)過程中多發(fā)抱鉆、卡鉆、鉆具折斷情況，導(dǎo)致成孔困難或成孔后縮徑、塌孔現(xiàn)象明顯，水量因鉆孔縮徑甚至“閉合”衰減迅速，疏水效果不佳。為了解決鉆孔長期有效疏放問題，需要在鉆孔內(nèi)下放“無縫鋼管+篩管”相結(jié)合的二級套管，其中鉆孔內(nèi)出水砂巖段下入篩管，其他相對隔水層位下入無縫鋼管，無縫鋼管可以避免鉆孔水浸潤至泥類巖中造成鉆孔縮徑、堵孔現(xiàn)象，保證鉆孔疏放水的長期有效性。

3.3 110301 工作面頂板砂巖水疏放效果

110301 工作面為銀星一號煤礦11 采區(qū)3#煤層首采工作面，位于積家井背斜東翼，地層總體呈單斜構(gòu)造。工作面埋深介于104～202 m 之間，工作面回采走向長約2 365 m，傾向長約220 m，設(shè)計采厚3.0 m。根據(jù)銀星一號煤礦地質(zhì)報告、水文地質(zhì)資料及周邊礦井淺部煤層采掘過程中的水害現(xiàn)狀分析，110301 工作面開采的主要水害隱患為3#煤層頂板砂巖含水層水，以靜儲量為主。工作面回采后受頂板水害影響造成多次停采。

2020 年3 月至2022 年2 月，在地面瞬變電磁圈定富水異常區(qū)的基礎(chǔ)上分3 個階段對110301 工作面進(jìn)行了井下探放水工程治理。①第1 階段共施工鉆孔54 個（覆蓋切眼附近450 m 范圍），累計鉆探工程量6 305 m；②第2 階段共施工鉆孔47 個（覆蓋切眼450～1 000 m 范圍），累計鉆探工程量5 072 m；③第3 階段共施工21 個鉆孔（覆蓋切眼附近外1 000 m 范圍），累計鉆探工程量2 666 m。110301 工作面涌水量變化圖如圖7，2021 年G3 鉆孔觀測水壓值與涌水量關(guān)系曲線圖如圖8。

圖7 110301 工作面涌水量變化圖Fig.7 Water inflow variation diagram of 110301 working face

圖8 2021 年G3 鉆孔觀測水壓值與涌水量關(guān)系曲線圖Fig.8 Curve diagram of relationship between observed water pressure and water inflow in G3 borehole in 2021

由圖7 可知：工作面總出水量與鉆孔出水量保持變化趨勢保持高度一致；自2020 年3 月初至2020 年9 月初開展第1 階段疏放水后，初期工作面總涌水量隨著鉆孔放水量的增大而增大，滴淋水及滲水量穩(wěn)中有降，后期工作面總水量和鉆孔放水量出現(xiàn)明顯衰減，主要原因為第1 階段疏放水過程中對鉆孔的維護(hù)措施不成熟，出現(xiàn)較為明顯的縮徑、塌孔現(xiàn)象；自2020 年11 月初至2021 年5 月開展第2 階段疏放水后，工作面總涌水量隨鉆孔施工進(jìn)度迅速增大約1.3 倍，同時工作面滴淋水及滲水量出現(xiàn)明顯衰減，證明在第2 階段疏放水過程中采用“無縫鋼管+篩管”相結(jié)合的二級套管維護(hù)措施效果明顯，約90%的水量通過鉆孔疏放，極大程度上減小了工作面滴淋水及滲水量；自2021 年5 月至2022 年1 月開展第3 階段疏放水，可以發(fā)現(xiàn)在鉆孔數(shù)量增加的情況下工作面總用水量、鉆孔放水量、滴淋水及滲水量穩(wěn)中有降且鉆孔水量衰減程度有限，現(xiàn)階段涌水量以截流疏放動態(tài)補(bǔ)給量為主。

由圖8 可知：孔口水壓在鉆孔放水后緩慢下降，最終滯后于鉆孔放水量趨于穩(wěn)定。根據(jù)統(tǒng)計，鉆孔控制區(qū)段水壓下降約0.4～0.6 MPa，頂板含水層部分區(qū)段已由承壓水轉(zhuǎn)為潛水，最低處降至工作面頂板砂巖含水層底界。綜合疏放水量、水壓力變化情況分析，疏水降壓技術(shù)有效地釋放了頂板砂巖含水層靜儲量，將疏放水區(qū)域頂板砂巖含水層水位控制在較低水平，形成較大面積的降落漏斗，以降落漏斗空間換取工作面回采時間，有力地保證了110301 工作面順利回采再未出現(xiàn)因水害停產(chǎn)事件。

4 結(jié) 語

1）梳理了寧夏銀星一號煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，分析了侏羅系煤層頂板砂巖沉積環(huán)境與富水性的直接關(guān)系，評價了砂巖含水層的富水性。

2）從煤層頂板巖層力學(xué)性質(zhì)、礦物成分、水穩(wěn)性特征以及導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律方面研究了侏羅系煤層頂板砂巖水巖混合致災(zāi)機(jī)理及水害特征。

3）針對銀星一號煤礦存在的侏羅系煤層頂板砂巖水害，提出了綜合運(yùn)用“探、疏、排、截、監(jiān)”等措施，在基礎(chǔ)性工作基礎(chǔ)上重點利用疏水降壓技術(shù)進(jìn)行水害防治的思路。

4）總結(jié)出疏水降壓技術(shù)要堅持“分層次，分階段，動態(tài)優(yōu)化”的疏放水原則，探索出“無縫鋼管+篩管”的鉆孔有效疏水保證措施。