馬脊梁礦一盤區3 煤頂板富水性分區及疏放水方案研究

秦子強

（晉能控股煤業集團 馬脊梁礦，山西 大同 037027）

馬脊梁礦井田可分為3 煤、5 煤和8 煤3 個開采煤層，根據采區的巷道布置及煤層分組情況，將分區劃分為3 個盤區。其中一盤區3 煤工作面在采掘期間由于3 煤與2 煤頂板的K3砂巖上段含水層距離較近，部分區域甚至直接接觸含水層，導致多次發生涌水現象，加大了防治水工作的難度系數，同時對采掘作業的相關工作面的安全造成了嚴重的威脅[1]。

1 地質水文概況

一盤區3 煤平均厚度為6.8 m，頂板隔水層平均厚度為2.1 m，由于3 煤頂板隔水層較薄，隨著3 煤巷道不斷掘進和工作面回采，礦井涌水量從采掘初期的5 m3/h 增大到380 m3/h。井田東翼一盤區首采區的主要含水層之一是山西組K3砂巖含水層，其頂部以粗粒砂巖為主，較穩定，常作為3 煤直接頂板，富水性極強；含水層較穩定，平均厚度為178 m，滲透性較好，富水性相對較強。

2 富水性分區研究

含水層富水性評價結構可分解成2 個階梯，分別為目標層A 和決策層B，決策層包含構造密度（逆向）、褶皺分維指數、斷層分維修正指數、巖性結構指數、單位涌水量插值5 個指標，評價結構如圖1 所示[2]。

圖1 層次分析法富水性評價指標階梯圖Fig.1 Ladder diagram of water abundance evaluation index of analytic hierarchy process

從所有因素中隨機抽取2 個因素進行對比，然后將對比值建立矩陣式，見表1，通過計算判斷矩陣A 的最大特征根λmax，得到該矩陣的特征向量P=（p1，p2，p3，p4，p5） T，p1、p2、p3、p4、p5分別對應5 個評價指標的權重向量。

表1 判斷矩陣A ～B（i=1～5）Table 1 Judging matrix A ～B(i=1 ～5)

經過計算，p1=0.35、p2=0.26、p3=0.09、p4=0.15、p5=0.14，λmax=5.04。

把計算完的5 個評價指標權重進行一致性檢驗，檢驗合格后將指標分成4 個聚類，通過求相鄰聚類中心點的平均值，得到5 個指標的局部變權區間。

為了使每個區間的變化趨勢都能很好地體現出來，經過分析，在一個合適的局部狀態變權向量里建立數學模型[3]，再以指數形式構造出均衡函數，將主控因素下的歸一化數值代入數學模型中，根據等值線的疏密程度進行富水性分區，得到基于局部變權的富水性分區圖如圖2 所示。

圖2 富水性指數等值線與富水性分區Fig.2 Contour of water abundance index and water abundance zoning

由圖2 可看出，一盤區3 煤的強富水區主要分布在中西和中北部，而在東南和東北局部則是相對弱富水區。通過分析一盤區3 煤的井下實際情況，結合山西組下段含水層水文地質條件的變化，從ZL7 鉆孔向北一直掘進，發現山西組下段含水層富水性逐漸減弱，證實了一盤區山西組下段含水層富水性分區的一致性。

3 疏放水方案研究

3.1 工作面掘進期間疏放水方案

工作面掘進期間，礦井主要充水通道是巷道圍巖松動裂隙，放水期間FS0 鉆孔水量最大為1.5 m3/h，G1 鉆孔水量最大為24 m3/h，短時間內水量穩定（6 h），鉆孔單孔水量較大且難衰減，說明3煤間頂板山西組K3含水層富水性較強。

基于巖層中水壓問題，直接影響鉆孔超前距與幫距的長度，在經過兩次更換探水孔直徑后，采用二級結構，即開孔時選用合金鋼鉆頭鉆進，直徑為94 mm；再更換止水套管下入，直徑為76 mm；最后鉆進孔徑56 mm 的至終孔，鉆孔結構圖如圖3所示。在探放水過程中，還需考慮煤層地質構造因素，例如1 ～2 煤層中含有泥巖，遇水會發生泥化、膨脹等現象，直接造成鉆孔塌孔或堵孔，因此在施工過程中，為防止出現此類現象，可根據具體情況，對泥巖段下設套管或適當增加止水套管的長度。若巖石裂隙比較發育時，可適當加長孔口管的長度，依情況而定。下入孔口管后，需連接同直徑的壓蓋和注漿管路，并用注漿泵壓入水泥漿液進行凝固，水泥漿液需提前計算好量，注入后至少靜置24 h 方可凝固。

圖3 鉆孔結構圖Fig.3 Drilling hole structure

鉆孔位置一般選在鉆窩中心線左右，鉆孔終孔到巷道頂板的垂直距離為15 m。透孔后要進行耐壓試驗，要求水壓不小于靜水壓值的1.5 倍。截止2021 年8 月初，8117 工作面共計實施了15 個長度為350 ～500 m 的鉆探放水鉆孔，還配有瞬變電磁超前探測以便于安全掘進，步距為80 m。通過兩探結合，超前探放，當掘進頭推進至探水線位置時，立刻停止掘進，執行探放水工作。目前，8117工作面長距離定向鉆孔疏放水量累計達700 萬m3，觀測孔水壓不超過0.51 MPa，說明疏放水方案切實可行，保證了掘進工作安全進行。

3.2 工作面回采期間疏放水方案

工作面回采期間，礦井主要充水水源為山西組下段含水層，局部區域3 煤頂板山西組K3砂巖含水層，也成為工作面回采的充水水源。在回采前，需進行頂板水疏放，一方面疏放其頂板含水層的靜儲量，另一方面有效降低其含水層的水位，但是由于工作面回采不可避免的會破壞其頂板含水層，導致回采過程中涌水量的增大。

鉆場間距按照不同的位置分為2 種，一種是在切眼附近，鉆場的間距設置為150 m；另一種是在工作面中部區域或靠近停采線區域，鉆場間隔為200 m。每個鉆場設計5 個鉆孔，分別是1 個垂直于巷道頂板的疏放水鉆孔，平距為150 m；2 個沿巷道方向的頂板水疏放鉆孔，平距為90 m；2 個與巷道夾角為60°，平距為150 m 的頂板水疏放鉆孔。

4 效果分析

4.1 鉆探工程

在8117 工作面機巷施工6 個鉆場、26 個鉆孔，輔運巷施工9 個鉆場、51 個鉆孔，風巷施工10 個鉆場、45 個鉆孔，切眼施工2 個鉆場、13 個鉆孔，鉆探總工程量為19 793 m。由于回采期間產生裂隙水會直接滲入到頂板山西組下段砂巖含水層，導致頂板水滲透嚴重，工作面周圍及內部斷層，由于落差較小，對工作面的影響可忽略不計。

4.2 數據分析

8117 工作面設計走向長度2 377 m，傾向長度240 m，頂板含水層疏放后的殘余水頭最大為0.4 MPa，根據馬脊梁礦防水工程設計，得到工作面頂板含水層總靜儲量為385.52 萬m3，工作面動態補給量為457.30 m3/h。

4.2.1 頂板水疏放總量變化分析

8117 工作面頂板水疏放總量從2020 年9 月初開始，呈穩步上升趨勢，由1 m3/h 逐漸增大至328 m3/h，后又逐漸衰減，截至2022 年4 月下旬，涌水量基本保持穩定狀態，約176.3 m3/h，頂板水疏放量如圖4 所示。

圖4 工作面頂板水疏放量歷時曲線圖Fig.4 Duration curve of working face roof water drainage

由圖4 分析可知，8117 工作面頂板水疏放總量變化主要與新施工疏放水鉆孔有關，尤其是當疏放水鉆孔水量較大時，總涌水量曲線也會隨之發生起伏。

4.2.2 各巷道水量變化分析

8117 工作面輔運巷施工4 個鉆場，26 個鉆孔，機巷施工8 個鉆場，49 個鉆孔，風巷施工11 個鉆場，42 個鉆孔。機輔巷頂板水疏放量由最開始的16 m3/h 逐漸增大至281 m3/h，后又逐漸減少至110 m3/h，并呈現出逐漸穩定的趨勢。由于疏放水鉆孔的增加，疏放水量也在不斷加大，頂板含水層的靜儲量也會隨著新鉆孔的增加不斷被疏放，疏放水量由大變小直至呈穩定狀態。說明疏放水鉆孔的增加可以有效疏放機輔巷和風巷頂板含水層的靜儲量。

4.2.3 各鉆場水量變化分析

8117 工作面機巷施工8 個鉆場，輔運巷施工4個鉆場，位于16 和17 勘探線之間，其中FY13、FY14 和FY15 鉆場的疏放水量分別為101、108、和89 m3/h，接近峰值，在巷道掘進期間，這部分的頂板含水層富水性較強，淋水量較大。8117 工作面風巷共施工了11 個鉆場，位于16 和18 勘探線之間，其中疏放水量較大的鉆場有F0702、F0703、F0706 和F0709，疏放水量分別為28 m3/h、30 m3/h、38 m3/h 和36 m3/h，在巷道掘進期間，由于這個區域的疏放水量接近峰值，因此淋水量也大，再加之機輔巷在16 和17 勘探線之間疏放水鉆孔的水量也不小，說明這個區域頂板含水層有較強的富水性。

4.2.4 各鉆孔水量變化分析

8117 工作面機輔巷共施工12 個鉆場，75 個鉆孔，其 中FY7-1、FY12-2、FY13-3、FY14-5、FY15-6、FY16-8 的峰值疏放水量分別為30、31、33、35、35、40 m3/h。所有疏放水鉆孔水量會隨著時間的推移而發生變化，當疏放時間越長，鉆孔的疏放水量就越少。8117 工作面風巷共施工11 個鉆場，42 個鉆孔，其中F0702-2、F0703-2、F0704-1、F0705-3、機動孔JD2 的峰值疏放水量分別為10、12、14、16、20 m3/h。同樣所有疏放水鉆孔水量均會隨時間的延長而逐漸減少。切眼共施工2 個鉆場，13 個鉆孔，各鉆孔水量相較于機輔巷和風巷略小。總之，絕大部分疏放水鉆孔水量會隨時間的延長而逐漸減少，呈下滑狀態。

4.2.5 各鉆孔水量衰減情況

疏放水鉆孔對含水層地下水的疏放效果可通過鉆孔水量的衰減情況反映出來，衰減率=（初始水量- 最終水量） /初始水量，可以看出衰減率越大，表明對含水層靜儲量的疏放效果越好。以水量大于3 m3/h 的鉆孔為例，8117 工作面共135 個頂板水疏放鉆孔，其中有73 個鉆孔的水量均超過3 m3/h，觀察這73 個鉆孔的疏放情況，為期一年半，發現這73 個鉆孔水量的衰減率約為75%，說明這些鉆孔可以達到疏放8117 工作面頂板含水層靜儲量的目的。

4.2.6 各鉆孔水量穩定情況

疏放水鉆孔水量能否影響含水層地下水的動態補給量，可根據鉆孔水量的穩定情況來判斷。現統計了8117 工作面的水量穩定情況，如圖5 所示，共有135 個疏放水鉆孔，其中有130 個鉆孔能達到20 d 的水量穩定，124 個鉆孔可以達到30 d 水量穩定，119 個鉆孔能達到60 d 水量穩定，108 個鉆孔水量穩定時間可持續90 d。這就說明絕大多數鉆孔的水量已經可以達到長時間穩定狀態，為含水層靜儲量的疏放創造了有利條件。

圖5 鉆孔水量穩定時間與鉆孔個數關系Fig.5 Relationship between the stability time of drilling hole water volume and the number of drilling holes

4.3 效果驗證

8117 工作面共135 個頂板水疏放鉆孔，其中有73 個鉆孔的水量均超過3 m3/h，觀察這73 個鉆孔的疏放情況，為期一年半，發現這73 個鉆孔水量的衰減率約為75%；8117 工作面135 個疏放水鉆孔的水量穩定情況，其中有130 個鉆孔能達到20 d 的水量穩定，124 個鉆孔可以達到30 d 水量穩定，119 個鉆孔能達到60 d 水量穩定，108 個鉆孔水量穩定時間可持續90 d；截至2021 年4 月下旬，頂板含水層的疏放水總量為503.8 萬m3，動態補給量為357.27 m3/h，疏放水殘余水量為296.5 m3/h。

綜上所述，8117 工作面頂板水疏放達到了預期效果，含水層靜儲量得到了有效疏放，保障了工作面安全回采。

5 結 論

（1） 對一盤區3 煤頂板山西組下段含水層進行了富水性分區，總體上盤區東北、東南部富水性較強，西北和西南部富水性較弱，在此基礎上制定了8117 工作面采掘及回采期間頂板疏放水技術方案。

（2） 綜合分析8117 工作面采掘期間頂板疏放水技術方案及效果驗證，結果顯示，鉆孔水量的衰減率約為75%，頂板含水層的疏放水總量為503.8萬m3，動態補給量為357.27 m3/h，疏放水殘余水量為296.5 m3/h，達到了預期效果，含水層靜儲量得到了有效疏放。