青磁窯煤礦地質離層水防治關鍵技術研究

薛一生

（晉能控股煤業集團 地煤鑫泰建井公司，山西 大同 037003）

1 概 況

青磁窯煤礦位于大同市以西，井田面積204 km2，主采3號煤層，局部可采煤層為2號煤層；采用綜采放頂煤采煤技術。該井田1301至1307工作面已回采完，1308工作面現正回采。該礦頂板離層水一般采取“防、排、疏”措施[1]，具體為：防是結合應用鉆探、物探探測手段，探測工作面水文及頂板覆巖情況[2]；疏是指及時疏放鄰近面采空區積水，利用泄水鉆孔主動對離層水防治，利用頂板探查孔對頂板水防治等；排是指加強排水系統[3]，確保不會對回采工作面產生影響。

2 鉆探探查

青磁窯煤礦對工作面水文地質、含斷層、導水性進行鉆孔探查，并依據鉆孔驗證異常區是否為富水區及預疏放是否存在局部異常富水體[4]。

鉆孔布置：主要靶區設為物探異常區，同時，涵蓋斷層含導水性和覆巖富水性。

鉆孔結構：孔段0～20 m，孔徑133 mm，下入套管孔徑108 mm無縫管；20 m～終孔，孔徑75 mm。

終孔層位：依據垂向分布物探異常區，以進入30 m為富水異常區終孔。鉆孔如圖1所示。

圖1 鉆孔結構示意Fig.1 The structure of drilling hole

施工工序：一開孔徑133 mm深入到20 m，下入108 mm無縫套管；二開孔徑75 mm深入到終孔孔深。

3 防治離層水技術

3.1 地面泄水鉆孔原理

青磁窯煤礦應用地面泄水鉆孔防治離層技術，提前在可能產生離層水區域進行地面泄水鉆孔施工，同時，及時監測工作面水位情況，早先預警井下出水現象[5]。若出現觀測不到水位情況，必須對采空區和鉆孔及時、反復透孔并確保其相連通，實現離層區域破壞的密閉性，提前完成預疏放離層積水[6]。圖2為防治離層水原理。

圖2 防治離層水原理示意Fig.2 Principle of separation layer water prevention and control

3.2 地面泄水鉆孔技術

青磁窯煤礦泄水鉆孔布置，一是在工作面初次、二次見方位置、斷層和斷層帶附近；二是在煤層底板標高較低處，即在距較低順槽90 m。此外，在煤層頂板以上50 m布置終孔。

對于地面泄水鉆孔結構設計，開孔至進入基層10 m，孔徑311 mm，此時下入無縫鋼管套管孔徑為244 mm；進入K1l底界以下10 m，孔徑215.9 mm，此時下入無縫鋼管套管孔徑為177.8 mm；至終孔，孔徑153 mm。其結構示意圖如圖3所示。

圖3 鉆孔結構示意Fig.3 The structure of drilling hole

地面泄水鉆孔施工工藝一開將孔徑311 mm鉆入到完好巖層段內超出10 m，下入止水套管244 mm；二開將孔徑215.9 mm下入到洛河組底界10 m以下，再下入套管177.8 mm；三開孔徑153 mm鉆入到煤層頂板50 m以上。此外，一開、二開封閉止水均使用水泥漿，并注水進行檢查。鉆孔完成后，需持續對鉆孔內的地下水位情況監測，并使用全孔水泥漿對鉆孔進行封孔。

回采工作面時，必須及時對工作面涌水、孔內地下水位進行分析判斷，用以確定最佳透孔時間。通過反復、及時對泄水鉆孔透孔，可保證采空區下方和鉆孔的連通性[7]，因此，應用防治離層水技術的重點就是要保證采空區工作面和鉆孔的相互連通。

4 現場應用

為驗證采用地面泄水鉆孔防治離層水的治理效果，分別在青磁窯煤礦1307、1302工作面進行實踐應用。

4.1 1307工作面

1307工作面自2020年7月15日—2021年5月19日回采完成，共308 d，回采長度1 227 m，在該工作面布置LL1號、LL2號2個鉆孔，如圖4所示。

圖4中，LL1標高+1 217.5 m，XY坐標36 463 286.31、3 858 087.10，孔深設計482 m；LL2標高+1 314.17 m，XY坐標36 462 825.70、3 858 103.10，孔深設計578 m，設計孔深共1 060 m。

圖4 1 307工作面布置泄水孔示意Fig.4 Drainage hole layout of No.1307 face

LL1、LL2鉆孔均為采前施工，其中LL1孔從開始施工到結束時間為2020年8月20日—12月21日，鉆探進尺503 m、地球物理實測探測500 m、1次井下鉆孔電視窺探；LL2孔從開始施工到結束時間為2020年9月5日—11月21日，鉆探進尺550.1 m、地球物理實測探測546 m、2次井下鉆孔電視窺探。上述兩孔都進行透孔泄水及鉆液漏 失量觀測。（1）LL1鉆孔事故及處理。

2020年9月8日、10日、12日，依次對LL1鉆孔51.77～503.00 m段常規測井、對51.77～503.00 m段超聲成像測井、對236.00～503.00 m段封孔作業；9月29日—10月4日進行流量測井及抽水試驗；25日向工作面推采沿切眼方向產生裂縫，其最寬為1 m，并產生地基沉降，沉降最大量34 cm；11月1日，因堵塞鉆孔深68.75 m已停止監測水位；11月2日，采用井下電視窺視鉆孔，69.75 m位置處鉆孔塌孔；21日，透孔并封閉全孔；23—24日，孔內不斷存在吸氣、吹氣情況。

（2）LL2鉆孔事故及處理。

LL2鉆孔終孔深度548.6 m，該孔位預計埋深555 m。為了保證安全，對514.2～550.1 m孔段進行水泥漿封閉。

從2020年10月7日—11日，對鉆孔LL2進行流量測井、抽水試驗，11月4日、5日依次對105.0～550.1 m段常規測井、對514.2～550.1 m段封孔作業；從12月3日開始監測鉆孔水位和水位異常現象；1月5日井下窺視鉆孔，當井下水面下到300 m時，已不能看清孔壁，主要是因為水比較渾濁；1月6日進行鉆孔透孔，在140 m處遇到阻礙，主要是因為套管變形不能透孔至孔底而繼續對水位進行觀測；1月19日不能下入測繩，通過井下窺視發現主要是因為在137.36 m位置處的套管被擠壓變形，造成完全堵塞鉆孔，不能繼續觀測孔內水位。

（3）離層水防治效果。

通過對距離較近的G3鉆孔監測其水位呈現波狀變化規律，可推斷，青磁窯煤礦1307工作面頂板覆巖產生離層積水情況，但是直到最后該工作面也沒有出現較為顯著的離層涌水，表明該技術可發揮一定防治離層水效果。

4.2 1302工作面

1302工作面自2020年5月5日—2021年4月28日回采完成，共358 d，回采長度1 285 m。ZT1、ZT2泄水孔示意圖如圖5所示。

圖5 1 302工作面布置泄水孔示意Fig.5 Drainage hole layout of No.1302 face

圖5中，ZT1標高+1 374 m，XY坐標36 460 445.373、3 858 742.172，孔深設計598 m；ZT2標高+1 383 m，XY坐標36 460 993.646、3 858 741.533，孔深設計588 m，設計孔深共1 186 m。

ZT1、ZT2鉆孔均為采前施工。其中ZT1孔開始施工到結束時間為2020年7月22日—11月3日，鉆探進尺586.65 m、地球物理實測探測345 m、1次井下鉆孔電視窺探；ZT2孔開始施工到結束時間為2020年7月29日—2021年2月15日，鉆探進尺590.02 m、地球物理實測探測587 m、1層次含水層抽水試驗、1次井下鉆孔電視窺探。此外，對ZT2鉆孔結束后持續監測其水位變化情況，如圖6所示。

圖6中，孔內水位不斷下降，在1月3日時，沒有觀測到水位，但是井口有吸氣現象；4日回采工作面經過鉆孔ZT2。

自2020年9月5日，ZT1孔內有吸風，到11月7日，仍繼續存在吸風現象；2021年1月5日，ZT1孔內有吸氣現象，聲音很大；2月2日后聲音微弱，到7日后已完全消失。

從2020年9月5日—11月7日，長達2個月，ZT1孔口持續存在吸風；從2021年1月5日—2月7日，長達1月，孔內也存在吸風。孔內存在吸風，說明采空區下方區間和鉆孔處于相連通狀態，并且從2020年11月7日到2021年1月5日工作面推采過鉆孔已2月，還在不斷進行泄水，有效將回采期和采后產生的離層積水疏放，達到離層防治水效果。

5 結 論

針對青磁窯煤礦受采動影響，產生離層積水現象，造成離層水害，進而影響工作面的安全開采，提出應用地面泄水鉆孔防治離層技術。

（1）提前在可能產生離層水區域進行地面泄水鉆孔施工，同時，及時監測工作面水位情況，早先預警井下出水現象。若出現觀測不到水位情況，必須對采空區和鉆孔及時、反復透孔并確保其相連通，達到提前預疏放離層空間積水目的。

（2）將地面泄水鉆孔防治離層水技術應用于青磁窯煤礦后，回采1307、1302工作面均未產生顯著的離層積水，表明采用該技術能夠發揮一定的防治效果，保證工作面的安全生產。