順和煤礦工作面底板太灰水動態引流方案設計應用

戴 磊，段李宏，楊 斌，祝漢京

(永煤集團股份有限公司，河南 永城 476600)

煤炭作為主體能源，長期擔負著保障我國能源安全、經濟持續發展的重任。隨著煤礦開采深度的增加，部分礦井底板承壓含水層的水壓不斷增高，水文地質條件更加復雜，采掘工作面底板受太原組灰巖水的威脅更加嚴重。目前，承壓含水層水害治理采取的主要方法有地面區域治理、井下注漿加固底板或者改造含水層、疏水降壓、充填開采等。其中，疏水降壓是目前水害治理最常用的方法之一。

順和煤礦是永煤集團在永城礦區投產的第五對現代化礦井，礦井設計生產能力60萬t/a，2009年10月15日開工建設，2014年5月16日竣工投產。礦井主要受底板太原組灰巖含水層承壓巖溶水影響，21采區所有工作面均采用底板注漿改造含水層進行水害治理[1-6]。據統計，順和煤礦已完成底板注漿改造工程5.2萬m，注漿量1.2萬t，水害治理的費用約為12元/t。目前，根據順和煤礦的生產接續計劃，21采區已關閉，下一步計劃開采24采區。該采區煤層埋深已超過-500 m，預計太原組灰巖水壓達到5 MPa以上，面臨典型的太灰高承壓底板水害問題，若仍采用普遍注漿改造底板含水層，不僅安全性不高，且會消耗大量的注漿、鉆探費用，勢必造成工作面水害治理成本的大幅度增加。為此，礦井通過分析24采區的主要控水構造分布、導水性及各邊界斷層已有的揭露情況，以及專門抽(放)水的試驗資料，結合東翼淺部工作面及鄰近陳四樓礦注漿工程施工鉆孔揭露水量、注漿量等資料，對礦井水文地質單元的邊界條件，尤其是自然控水邊界及人為隔水邊界綜合影響下的邊界條件動態演化過程進行全面、精細評價，評價工作面底板太灰上段含水層的可疏降性。如果采用疏水降壓的方法能夠滿足安全開采需求，則礦井的水害治理成本將顯著降低。

1 礦井水文地質單元精細劃分

順和井田位于永城隱伏背斜西翼的后王莊背斜之西北翼，整體為一單斜構造形態。井田范圍內三維地震勘探、采掘工程實際揭露和控制斷層91條，局部伴有巖漿巖侵入體。斷層中，落差≥100 m4條，50～100 m的3條，15～50 m的14條，3～15 m的70條。斷層密度達到了8.5條/km2。根據井田構造及其水力性質，以及礦井范圍內地下水補給、徑流、排泄條件等資料，結合不同區域水文地質條件的差異性，初步將井田劃分以下4個不同的水文地質單元，如圖1所示。

圖1 順和煤礦水文地質單元劃分圖

24采區位于井田西翼水文地質單元Ⅲ，研究區北部邊界為F8斷層，落差為100～430 m，由西至東逐漸變大，為一控制可靠斷層，可能為北部進水邊界。研究區東南部受DF8(正斷層、落差70 m)、DF7(正斷層、落差55 m)和F40(逆斷層、落差40 m)等可靠斷層及其他構造的影響，灰巖水對研究區內太灰上段東南部接受外部補給的能力相對減弱；西部受F12(正斷層、落差100 m)構造的影響，進一步對水文地質單元Ⅲ進行切割，造成研究區太灰含水層上段地下水補給、徑流條件相對變差，初步具備了疏水降壓的水文地質環境[7-11]。

2 工作面地質及水文地質

2.1 工作面地質條件

2401工作面是順和煤礦西翼24采區的首采工作面，位于水文地質單元Ⅲ，工作面整體為一單斜構造，工作面標高為-508～-630 m，南鄰F40(逆斷層、落差40 m)，西側為2402工作面和DF4(正斷層、落差25 m)，東側為DF7(正斷層、落差55 m)，為相對封閉的水文地質單元Ⅲ內的封閉區域，如圖2所示。

圖2 2401工作面相關構造示意圖

2.2 工作面水文地質條件

2401工作面直接充水水源為煤層頂、底板砂巖裂隙水，屬砂巖裂隙承壓弱含水層，補給源以側向滲入為主，地下水徑流運動遲緩，以消耗靜儲量為主。太原組上段灰巖巖溶裂隙承壓含水層是二2煤層的主要間接充水含水層，巖溶、裂隙發育，灰巖水靜水位-190.5 m，單位涌水量0.008 41～0.005 79 L/(s·m)，富水性弱，屬巖溶裂隙高承壓弱含水層。根據礦井地質勘探鉆孔資料：二2煤層下距太原組L11灰巖47.8～55.0 m，距L10灰巖61.2～65.0 m,距L9灰巖72.7～75.0 m,距L8灰巖78.7～82.0 m；L11灰巖平均厚1.4 m，L10灰巖平均厚3.61 m，L9灰巖平均厚2.04 m，L8灰巖平均厚10.5 m。

2.3 工作面底板水壓情況

根據井下水文觀測孔及工作面底板注漿鉆孔施工揭露資料，工作面太原組上段灰巖含水層水位標高為-215 m，工作面承受底板太灰含水層水壓為3.25～4.15 MPa，采用突水系數法預測回采工作面底板突水危險性[12]?？紤]到2401工作面底板破壞深度，根據經驗公式h=1.86+0.11L計算[13]，工作面斜長L為150 m。因此，2401工作面底板破壞深度為19 m、隔水層厚度為53 m，去除底板破壞深度后有效隔水層厚度為34 m，則工作面的突水系數為0.096～0.122 MPa/m，工作面存在底板突水危險。

3 工作面放水試驗

3.1 工作面放水試驗方案設計

為了獲取順和煤礦2401工作面底板太灰含水層的水文地質參數，結合2401工作面下巷現有3個放水孔的出水能力與分布位置，開展井下放水試驗，鉆孔涌水量具體情況如表1所示，分布情況如圖3所示。

表1 2401工作面下巷鉆孔涌水量觀測統計結果

圖3 2401工作面井下放水試驗鉆孔布設示意圖

3.2 放水試驗成果

P4-2觀測孔水壓從3.21 MPa降到2.29 MPa，放水孔的中心位置形成92 m的降深，并在距S5-1放水孔最遠350 m處的P1-6孔，形成了182 m降深，如圖4所示。表明2401工作面底板太灰含水層整體連通性較好，在P4-2鉆孔處可能由于S2F4斷層等阻水構造或前期的注漿工程阻斷了P4-2與放水孔的大部分水力聯系，初步分析認為具有較好的可疏降性?；謴碗A段，P1-6、P4-2觀測孔經過3 d分別恢復了193、95 m降深，初步分析認為太灰上段含水層具有較好的補給來源。放水階段和恢復階段總降深如表2所示。

圖4 2401工作面放水試驗放水階段水壓實測曲線

表2 2401工作面放水試驗降深統計

3.3 水文地質參數求解

放水試驗結束后，對井下群孔放水試驗數據資料進行了細致處理及成果總結，對含水層的滲透系數、單位涌水量等主要水文地質參數進行了計算和分析。結合放水試驗成果，分別選用降深—時間配線法和直線圖解法[14-15]，計算放水孔滲透系數K，如表3所示。

表3 放水孔滲透系數統計

根據井群干擾原理，群孔持續抽水形成區域降落漏斗，漏斗中每點的降深都是由各個疏水孔抽水的效果疊加影響，計算放水孔單位涌水量，結果見表4。

表4 單位涌水量計算

放水試驗數據表明，整個放水階段，底板太灰上段水的水壓下降明顯，計算的單位涌水量最大值僅為0.042 L/(s·m)，屬于弱富水性含水層。因此，2401工作面作為相對獨立的水文地質單元，底板太灰上段水整體的連通性較好；另外,受采區邊界條件控制，區內地下水的補給條件不足，疏降試驗能夠形成有效的降深，進一步表明研究區底板太灰具有較好的可疏降性。

4 底板灰巖水動態引流方案設計及實施

4.1 預期目標

1)疏降至底板安全水壓：將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.0 MPa，即在疏降條件下含水層的水位降深最小應達到215 m左右。

2)疏降至煤層底板(底板太灰“疏干”)：將2401工作面底板太灰含水層水位疏降至煤層底板以下，即在疏降條件下含水層的水位降深最大應達到362 m左右，最小應達到269 m左右。

從偏安全角度出發，礦井最終確定選擇將太灰水疏降至煤層底板以下，即將底板太灰水“疏干”。

4.2 方案設計

根據以往動態引流疏降經驗，在保證2401工作面的疏降要求的同時考慮24采區的巷道布置，以及后期方便為整個24采區服務，本次動態引流疏放方案設計分別采用112、100、90、67 m3/h等效疏水量，通過分別計算疏降效果，作為工作面回采前的決策依據。

4.3 疏降效果預測

疏降效果預測的公式為非穩定流的近似理論的Jacob公式[15]：

(1)

式中：s為觀測點的水位降深；Q為放水孔的流量；T為導水系數；t為自放水開始到計算時刻的時間；r為計算點到放水井的距離；S為含水層的儲水系數。

根據非穩定流求參Jacob公式，計算了工作面最低點的疊加降深，結果如表5所示。

表5 2401工作面最低點疏降方案疊加降深預測計算

1)整體疏降強度達到112 m3/h，第1天就會產生約210 m降深，即第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.05 MPa，第2天可保證2401工作面的帶壓開采安全；在第22天就會產生362 m降深，將整個工作面太灰水疏至煤層底板。

2)整體疏降強度達到100 m3/h，第1天就會產生約188 m降深，即第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.27 MPa，在第2天就會產生約225 m降深，可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的帶壓開采安全；在第51天就會產生362 m降深，將整個工作面太灰水疏至煤層底板。

3)整體疏降強度達到90 m3/h，第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.47 MPa，在第4天可疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的帶壓開采安全；在第150天就會產生約363 m降深，基本將整個工作面的底板太灰水疏降至煤層底板以下。

4)整體疏降強度達到67 m3/h，則在第1天就會產生約125 m降深，即在第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.90 MPa，在第20天可疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的帶壓開采安全；但是整個采區在67.2 m3/h的疏降強度下，很難實現將整個工作面的底板太灰水疏降至煤層底板以下。

因此，可以得出2401工作面不同動態引流方案下的疏降效果，如表6所示。

表6 2401工作面不同動態引流方案下的疏降時間統計

結果表明，2401工作面所在水文地質單元底板太灰上段的滲透條件相對較好，但富水性偏弱，具有良好的可疏降性[16-20]?？紤]工作面安全回采及排水費用，建議選用整體疏降強度100 m3/h,工作面回采前51 d開始進行動態引流疏放工作，即可保證回采前太灰水水位疏降至煤層底板下。

4.4 疏降效果評價

工作面按照100 m3/h進行動態引流工作,根據疏降效果繪制了工作面水壓等值線圖，如圖5所示。

圖5 工作面水壓等值線圖

根據突水系數法，在工作面水壓等值線圖確定水壓基礎上，繪制了隔水層53 m的突水系數分布圖，如圖6所示。選取臨界突水系數TS≤0.06 MPa/m，工作面最大突水系數為0.03 MPa/m，工作面通過疏水降壓后可保障安全回采。

圖6 工作面隔水層53 m突水系數等值線圖

5 結論

1)通過對順和煤礦水文地質單元的精細劃分，將礦井劃分為4個水文地質單元，其中24采區所屬單元Ⅲ地下水補給、徑流條件相對差，初步具備了疏水降壓的水文地質環境。

2)開展了2401工作面的放水試驗，收集了相關數據，進行水文地質參數求解，計算出放水孔滲透系數和單位涌水量。根據放水試驗數據分析表明，動態引流疏降能夠形成有效的降深，進一步表明研究區底板太灰具有較好的可疏降性。

3)根據以往動態引流疏降經驗，設計了分別采用112、100、90、67 m3/h等效疏水量動態引流疏放方案，通過分別計算疏降效果，在整體達到100 m3/h左右的等效疏降強度下， 疏降周期合理、疏降效果明顯，可實現工作面底板水害有效防治，保障工作面安全經濟開采。