上覆采空區和含水層疊加富水效應的工作面防治水技術

靳志龍

（國家能源集團神華神東煤炭集團有限責任公司 布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著綜合機械化水平的提高，煤層采高不斷加大，神東礦區綜采工作面開采高度達到8.8 m，大幅提高了單面的生產效率[1-2]。煤層開采后引起上覆巖層移動與破壞，覆巖破壞發育的高度對礦井水災害治理和水資源的保護具有重要意義[3-5]。伴隨工作面采放高度的加大，誘導上覆頂板巖層垮落和斷裂“兩帶”高度破壞范圍非線性的遞增，對于富水覆巖綜放工作面來說，采空區上覆巖層導水斷裂帶一旦波及煤層上覆含水層，會誘發富水區水體異常涌入回采工作面，形成礦井水災害[6-10]。

神東礦區各大礦井開采強度逐漸加大，首采煤層已基本開采殆盡，煤炭資源的勘探和開采向下組煤層推進。上組煤開采形成的采空區富集了大量的采空區積水，尤其是下組煤層為厚或特厚煤層的綜采或綜放開采過程中，采場頂板覆巖產生裂隙和斷裂范圍促使基巖含水層與采空區積水溝通，大幅增加了突水災害發生的概率和強度，同時，下組煤煤層頂板直接充水的巨厚層狀河道沉積富水砂巖發育，在開采條件下上述2 個因素的疊加效應是威脅礦井安全的主要因素。

針對上述致災問題，多數礦采用常規的探放水鉆孔施工，進行密集的富水區域的超前疏排治理，常常因為對富水區域探測精度較低，而造成疏放水工程布置方案偏差，難以有效疏放富水區域，甚至引發后續礦井突水水害，從而導致鉆探投入工程量大而治理效果差，造成人力、物力投入的浪費，增加投入成本。針對上述問題，以典型礦井布爾臺煤礦為研究對象開展研究，以保障礦井工作面的安全高效回采。

1 礦井概況

1.1 礦井開采條件

礦井采用斜井、立井綜合開拓方式，分3 個水平開采，一水平標高+1 050.0 m，開采1-2上、1-2、2-2、2-2下4 層煤；二水平標高+1 016.0 m，開采3-1、4-2上、4-23 層煤；三水平標高+922.0 m，開采4-3、5-2、5-2下3 層煤，目前開采一水平二盤區2-2煤（3.4 m）、三盤區1-2上煤（2.98 m）和二水平二盤區4-2上煤（6.5 m）。礦井布置有2 個綜放工作面和1 個綜采工作面，6個掘進工作面，綜放采用長壁式采煤方法，綜合機械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板；綜采采用長壁式采煤方法，綜合機械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板；掘進工作面均采用掘錨機一次切割成巷，同時由掘錨機上4 個頂錨鉆臂完成巷道頂支護，由2 個側向鉆臂配合兩臂錨桿機完成巷道幫支護，切割煤炭通過掘錨機運輸機運至梭車上，由履帶式轉載破碎機完成破碎、轉載工序，經帶式輸送機運出。

1.2 礦井水文地質特征

布爾臺煤礦含水層組劃分如圖1。

圖1 布爾臺煤礦含水層組劃分Fig.1 Division of aquifer groups in Buertai Coal Mine

布爾臺煤礦含水層主要有5 層，自上而下分別為：表層的松散巖類-半膠結巖類孔隙潛水含水層組、白堊系志丹群碎屑巖類裂隙潛水-微承壓水含水層組、侏羅系直羅組碎屑巖類裂隙承壓水含水層組、侏羅系延安組碎屑巖類裂隙承壓水含水層組和三疊系延長組碎屑巖類裂隙承壓水含水層組。

1.2.1 含水層

1）松散巖類孔隙含水層。由于礦井各可采煤層與該含水層間距較大，因此對礦井充水影響不大，含水層劃分不作為礦井含水巖段考慮。

2）碎屑巖類裂隙-孔隙水。①第I 含水巖段：主要是志丹群各種粒級的砂巖、含礫粗砂巖及礫巖夾粉砂巖，水位標高1 291.98～1 304.08 m，單位涌水量為0.005 3～0.055 2 L/（s·m），滲透系數為0.012 2～0.053 1 m/d，富水性和導水性均較差；②第II 含水巖段：主要為直羅組碎屑巖，水位標高1 250～1 302 m，單位涌水量為0.008 0～0.016 2 L/（s·m），滲透系數為0.002 30～0.047 300 m/d，富水性和導水性均較差；③第III 含水巖段：主要為延安組煤系地層，2-2煤平均厚度3.4 m，4-2煤平均厚度6.0 m，含水層水位標高1 258.85～1 324.68 m，單位涌水量為0.002 30～0.029 21 L/（s·m），滲透系數為0.001 10～0.036 10 m/d，為礦井直接充水層，富水性較弱；④第IV 含水巖段：延安組底部到延長組上部中粗粒砂巖，地下水位標高1 293.28 m，單位涌水量為0.006 16 L/（s·m），滲透系數為0.024 9 m/d，富水性總體微弱。

1.2.2 隔水層

1）第1 隔水層。位于侏羅系直羅組頂部，厚度0～48.06 m，平均27 m 左右，分布范圍廣，隔水性好。

2）第2 隔水層。位于延安組Ⅲ段頂部，即1 煤組頂部，厚度0～68.00 m，平均16.27 m，分布范圍廣，隔水性能較好。

3）第3 隔水層。主要指延安組第1 巖段5-2煤層底部，厚度0～20.09 m，平均6.73 m，層位較穩定，分布較廣，隔水性能較好。

1.3 礦井涌水量特征

通過對地面、井下建立的水文孔、大氣降水以及井下巷道、采空區面積、水文動態觀測系統和礦井涌水量的觀測統計，自2018 年以后涌水量隨采空區面積增加逐漸增大，由2018 年的530 m3/h 增長到2019 年的536 m3/h，以及2020 年的552 m3/h 和2021 年的559 m3/h，礦井的涌水量隨著采空區面積和開拓巷道的增大以及原煤產量的增加而增大。近幾年礦區降雨量相對減少，涌水量與降水量相互關系不明顯，此外，含水層的補給能力等因素也對涌水量有一定影響。

2 采掘擾動富水疊加致災機理

2.1 致災機理現場探測

為揭示富水疊加致災機理，分析布爾臺煤礦4-2煤頂板“三帶”發育特征，采用地面地質鉆探、鉆井巖心精細編錄、鉆孔沖洗液消耗、水位變化觀測和孔內窺視“三帶”探測等方法確定導水斷裂帶高度[11-12]。綜合井下-地面聯合物探微震監測與井下實際礦井涌水量的變化情況，進行“三帶”探測[13-16]。結合導水斷裂帶和垮落帶計算公式，定量判識“兩帶”發育情況[17-18]。因探測鉆孔穿過2-2煤采空區后，鉆孔沖洗液漏失量和鉆孔水位無法觀測，利用彩色鉆孔電視圖像對4-2煤采動破壞高度進行分析。鉆孔處22 煤底板距孔口344.10 m，4-2煤底板距孔口426.10 m。鉆孔沖洗液漏失量及其水位變化觀測如圖2，微震探查的導水斷裂帶高度如圖3。

圖2 鉆孔沖洗液漏失量及其水位變化觀測（煤層埋深426.93 m）Fig.2 Observation on the leakage of drilling fluid and its water level change

圖3 微震探查的導水斷裂帶高度Fig.3 The height of water - conducting fault zone detected by micro-seismic

導水斷裂帶高度計算公式為：

式中：Hli為導水斷裂帶最大高度，m；H 為煤層頂板距離鉆孔孔口垂深，m；h 為斷裂帶頂點距離鉆孔孔口垂深，m；W 為打鉆觀測時斷裂帶巖層的壓縮值，W=0.2M；M 為煤層采高，m。

經計算，4-2煤回采期間重復采動下導水斷裂帶發育高度為154.4 m。

分析可知，研究區重復采動條件下，厚煤層綜放開采條件下（采高6.5 m 以上），煤層頂板導水斷裂帶高達100 m 以上，遠超鄰近煤層層間距（75 m 左右）。隨著回采不斷進行，易形成下組伏煤層頂板含水層與上覆采空區積水區的溝通疊加，造成工作面涌水量增大，對工作面安全生產構成威脅。

2.2 致災機理

42106 工作面傾向長度309 m，走向長度5 073.8 m，4-2煤采深420 m 左右，煤厚6.5 m 左右，工作面沿煤層走向方向回采，4-2煤上覆約75 m 處為2-2煤采空區。采用FLAC3D進行數值模擬，本構模型為庫倫-摩爾塑性模型[19]。

工作面不同推進距離時上覆巖層破壞塑性區分布如圖4。工作面不同推進距離覆巖破壞規律如圖5。

圖4 工作面不同推進距離時上覆巖層破壞塑性區分布Fig.4 Distribution of plastic zone failure of overlying strata at different advancing distances of working face

圖5 工作面不同推進距離覆巖破壞規律Fig.5 Failure law of overlying strata at different advancing distances in working face

由圖4 可知：4-2煤工作面推進至100 m 時，4-2煤塑性區與2-2煤采空區相溝通，繼續開挖，覆巖裂隙帶繼續擴展，與2-2煤采空區產生疊加效應，共同影響到上覆巖層的破壞及裂隙發育；重復開采覆巖破壞形態呈中間低、兩側高的“馬鞍形”形態，且隨工作面的持續推進，采空區的范圍不斷擴大，對采空區兩側拉伸應力增加，所以在采空區兩側向覆巖深處的縱向拉剪破壞區增高，向外側發展的塑性區明顯加大。

由圖5 可知：4-2煤開采時，上覆已形成2-2煤采空區，采空區內有不同程度積水；2-2煤與4-2煤層間距63～88 m，平均75 m，巖性主要為砂巖，局部富水性較強。因2-2煤導水斷裂帶高度為79.4 m，4-2煤開采期間重復采動下導水斷裂帶發育高度為158.52 m，說明4-2煤開采期間導水斷裂帶會發育至2-2煤導水斷裂帶頂端，充分印證了采掘擾動富水疊加災害的存在，故4-2煤開采前須采取疏放水工程，疏放2-2 煤采空區積水和4-2煤頂板砂巖含水層水。

3富水危險區分區探測

以富水區域精準探測為對象，綜合采用鉆探、物探、地質資料綜合分析，為超前區域疏排水害提供依據。布爾臺煤礦42202 工作面富水危險區采用鉆探、物探和2-2煤底板起伏及采空區返水綜合研究回采煤層上覆富水區域。

3.1 探測原理

定向鉆機通過隨鉆測量系統實時測出孔底鉆具空間姿態參數，可實現鉆探軌跡的精準控制，能夠區域化、精確探測富水區域。瞬變電磁法（TEM）是一種人工源的時間域電磁法，通過在地表用接收線圈或接地電極觀測該二次電磁場的空間和時間分布[20-22]。

2-2煤工作面回采期間每隔50～70 m 測量1 次工作面底板標高，回采完畢后形成采空區底板等值線圖，通過觀察采空區密閉返水情況和密閉標高可知采空區內積水標高，結合采空區底板等值線可知采空區內積水面積、積水深度等參數，則積水量為：

式中：W 為積水量，m3；K 為充水系數，取0.3；Hw為平均積水深度，m；S 為采空區淹沒面積，m2；α 為煤層傾角，（°）。

3.2 綜合探測結果

4-2煤頂板富水區探查成果如圖6。

圖6 4-2 煤頂板富水區探查成果Fig.6 Exploration results of water-rich areas in 4-2 coal roof

使用ZDY3500JD 型膠輪式定向鉆機在42202工作面頂板開孔向2-2煤采空區低洼處施工9 個定向鉆孔，其中6 個鉆孔具有較大涌水量特征，證明2-2煤采空區內有積水。通過前期對42202 工作面上覆2-2煤采空區的觀測可知，上覆采空區內有16 處富水區域，預計積水量6.23 萬m3。使用V8 電法儀器，采用瞬變電磁法勘察42202 工作面水文地質條件，發現3 個較大的富水異常區域。綜上可知，4-2煤上覆富水疊加區較多，工作面回采前必須提前采取防治水措施。。

4 超前疏排防治方法及工程實踐

4.1 超前疏排防治原理及方法

從42202 工作面兩巷道頂板向2-2煤采空區低洼處和4-2煤頂板富水區施工鉆孔，所有鉆孔終孔位置均為2-2煤采空區，鉆孔與2-2煤采空區貫通后疏放2-2煤采空區積水或4-2煤頂板富水區積水。鉆孔布置示意圖如圖7。

圖7 鉆孔布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of drilling arrangement

疏放水工程以4-2煤頂板富水異常區和2-2煤采空區積水情況為依據，從4-2煤巷道頂板按設計開孔位置、仰角及方位角向2-2煤采空區低洼積水區或富水區施工。所有鉆孔由4-2煤巷道頂板向2-2煤采空區底板最低處施工，最后打透2-2煤采空區底板1 m。

4.2 現場應用

布爾臺煤礦井田內含煤地層為侏羅系延安組，共有可采煤層10 層，現回采2-2煤和4-2煤。42202工作面位于已采的42201 工作面東北方向，42203工作面西南方向，工作面推進長度4 485.2 m，工作面長320 m，上覆有22202、22203 工作面采空區，此處2-2煤與4-2煤間層間距平均70 m。

42202 工作面疏放水工程在42202 切眼、42202輔運巷、42202 運輸巷、42203 輔運巷設計疏放水鉆孔33 個，為保證疏放水效果，預留7 個鉆孔根據施工情況進行補孔。

42202 工作面疏放水工程施工過程中嚴格按規定進行了詳細記錄，全孔質量要求達到設計要求，累計施工鉆孔44 個（后期補充設計4 個鉆孔），累計進尺6 285.5 m，初始涌水量177 m3/h，現涌水量0 m3/h，累計疏放水量5.28 萬m3，與預計積水量接近，由于已施工的鉆孔涌水量逐漸減小，且經過二次疏通涌水量仍無明顯變化，故認為2-2煤采空區水和4-2煤上覆富水區積水得到了有效疏放。

5 結 語

1）4-2煤回采形成的導水裂隙帶發育至2-2煤導水斷裂帶的頂部，因此，2-2煤采空區積水為4-2煤回采期間的直接充水含水層。

2）通過地面“三帶”探查孔的地質鉆探、巖心精細編錄、鉆孔沖洗液漏失量統計、鉆孔窺視以及數值模擬和相似材料物理模擬綜合研究，揭示了下組煤層回采過程中采掘擾動上組煤采空區與煤層頂板富水相疊加的礦井水害致災機理。

3）形成了井下-地面聯合地質勘查+區域超前瞬變電磁勘探圈定富水異常區，井下針對異常區采用定向鉆探與常規鉆探相結合的技術，實現對頂板富水異常區與采空區積水區的精準鉆探和超前疏放的區域治理模式。

4）通過應用該模式對布爾臺煤礦典型工作面進行了超前探查，圈定了16 處上覆采空區富水區和3處4-2煤頂板基巖富水異常區。通過定向鉆探與常規鉆探相結合的方式實現了對富水異常區的精準超前疏放水治理，累計疏放水量5.28 萬m3，實現了4-2煤典型工作面的安全高效回采。