深部工作面底板太灰水可疏放性评价及防治措施

高家平，祝汉京，朱术云，杨 培

(1.河南能源化工集团有限公司 能源事业部，河南 郑州 450046；2.河南能源化工集团永煤公司顺和煤矿，河南 永城 476600；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

随着我国井工煤矿开采年限的增加，华北地区许多矿井已进入延深带压开采，突水系数增大，面临的底板太灰和奥灰突水的危险性越来越大，已引起众多学者对不同地质及开采条件下许多工作面开展了能否安全带压开采和相关防治措施的研究[1-5]。尹尚先等系统回顾了我国煤矿带压开采的传承与创新发展历程，提出相应5级带压开采条件以及5种治理模式及未来卡脖子难题[1]；庞贵艮采用采掘前隐伏导水构造的综合探查与评价和奥陶系峰峰组隔水性能，利用2种奥灰水害防治方法保证了保德煤矿安全带压开采[2]；张晓俊基于阻水系数法对山西义棠煤业有限责任公司底板带压开采治理进行了研究[4]。近年来，永城矿区主采的山西组二2煤层底板受太原组上段灰岩含水层威胁的相关研究提上了日程，以前主要采用底板注浆加固进行带压开采，虽取得了较好的安全效果，但成本较高，随着开采范围的不断延伸，太原组上段灰岩含水层富水性发生了较大变化，具有可疏放性[6-11]。张胜军等较早对城郊煤矿二水平区域水文地质条件开展专项系统研究，提出了疏水降压与底板加固相结合的水害防治技术[6]；高家平[7]、白鑫[8]和汪佩[9]等又进行了城郊煤矿二水平疏水降压方面的延续跟踪研究；张家峰[10]和吴启涛[11]等分别对车集煤矿28和29采区底板太灰疏降可行性进行了研究。

本文研究的顺和煤矿位于永城矿区内，按生产接续计划，西翼24采区正常主采的二2煤层底板埋深已在-500m以下，首采面2401工作面正处于掘进阶段，预计底部太原组上段灰岩含水层水压可达4.5MPa以上，突水系数大于规定的安全经验值[12]，面临典型的太灰高承压底板水害威胁问题。为保障安全带压开采，打算按疏降方法进行防治。为此，需探究该工作面底部太原组上段太灰含水层是否具有可疏降性。

1 首采面基本概况

顺和煤矿2401工作面是西翼24采区首采工作面，平均埋深550m左右，开采山西组二2煤层，开采煤层厚度1.5～3.0m，平均2.1m。该工作面东为DF7断层保护煤柱，西为2402工作面(设计)，北为实体煤，南侧F40断层保护煤柱。轨道巷道长1003m，运输巷道长873m，倾向长176m。工作面采用走向长壁后退式综采，全部垮落法管理顶板。

工作面煤层伪顶为泥岩，平均厚度0.4m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度7.5m；直接底板为泥岩，平均厚度2.2m，老底为细粒砂岩，平均厚度10.5m。工作面整体为一单斜构造，地层倾向北西西，倾角5°～20°，平均12°。轨道巷道和运输巷道掘进期间实际揭露断层3条，三维地震解释断层1条，均为正断层，最大落差4.3m，断层附近煤层厚度和产状有较大变化。

根据2401工作面部分施工的二2煤层底部太原组上段灰岩探查钻孔，进行了底板注浆，获得该工作面底部太灰上段含水层水压介于3.25～4.15MPa之间，平均约3.71MPa，钻孔参数及对应太灰水的水压见表1，这5个钻孔分布如图1所示，水文地质柱状如图2所示。

表1 钻孔参数及太灰水水压情况

图1 研究区2401首采面放水孔和观测孔布置

图2 水文地质柱状图

2 工作面放水试验

2.1 钻孔布设及放水试验过程

为了获取顺和煤矿深部24采区首采面2401工作面底部太原组上段灰岩含水层的水文地质参数，充分利用工作面已有相关钻孔，选取P2-1、S5-1和S5-2钻孔作为放水试验的放水孔，P1-6和P4-2钻孔为观测孔，如图1所示，分阶段开展了井下太原组上段灰岩的放水试验。

放水试验开始阶段，P2-1放水孔水澄清透明，水量18m3/h，放水阶段后期水量始终稳定在10.5m3/h。由于S5-1放水孔和S5-2放水孔钻孔施工距离较近，钻孔结构不够稳定，使得两孔发生串孔产生了水力联系，S5-2放水孔初始1h内，水量时大时小，大时喷涌而出夹煤块持续1～3s，小时如缓缓细流，流入铁箱内，收集的煤块煤渣数量多于1箱，水呈黑色，1h后水量小于2.0m3/h且稳定，仍呈黑灰色；S5-1出水澄清透明，初始阶段水量稳定于55.0m3/h，在放水阶段后期始终稳定在25.0m3/h。两放水孔流量与时间实测曲线如图3所示。

图3 两放水孔流量-时间变化曲线

2.2 放水试验结果与分析

结合放水试验过程和数据收集初步整理，本次放水试验求参方法选择非稳定流的降深-时间配线法和直线图解法[13-16]，按不同放水阶段综合进行计算，采用平均值。

限于篇幅，这里以放水阶段P4-2钻孔的两种图解法为例进行水文地质参数求参分析。降深-时间配线法求参中借助Aquifertest软件进行拟合，观测曲线与标准曲线拟合效果最好的情况如图4(a)所示，可根据相关文献中的公式[13-16]，求得导水系数T=4.33m2/d，贮水系数μ*=4.55×10-6，渗透系数K=0.62m/d；P4-2钻孔直线图解法如图4(b)所示，求得的斜率m′=15.95，换算成lg函数斜率m=36.69；再根据公式T=0.183Q/m，计算可得导水系数T=4.19m2/d，渗透系数K=0.60m/d。

图4 放水阶段P4-2钻孔水文地质参数图解法

同理，可获得2401工作面放水试验前的放水阶段和水位恢复阶段通过这两种方法获得的底部太原组灰岩上部含水层水文地质参数，见表2。

表2 顺和矿2401工作面渗透系数计算结果

对比分析发现两种方法求得的参数在数值方面，放水阶段Thies标准曲线法求得的渗透系数与直线图解法求得的渗透系数平均值比较接近，分别为0.50m/d和0.48m/d，相对误差只有2%；恢复阶段Thies标准曲线法求得的渗透系数与直线图解法求得的渗透系数平均值相差较大，分别为0.32m/d和0.26m/d，相对误差达到了10%左右；Thies标准曲线法求得放水阶段和恢复阶段的渗透系数平均值相对误差达到了22%；直线图解法求得放水阶段和恢复阶段的渗透系数平均值相对误差达到了30%。

通过相关综合分析后认为，太灰上段含水层的渗透系数取值介于两种方法计算的结果之间。在此采用两种方法求得的各孔渗透系数的平均值作为该区渗透系数的参考值，即2401工作面底部太原组上段灰岩含水层渗透系数K=0.39m/d，渗透性平面上差异较大，但整体仍偏弱。

根据P2-1和S5-1两个放水孔最后稳定阶段的放水流量和最大降深，结合两孔直径可初步获得工作面底部太原组上段灰岩含水层单位涌水量，具体见表3。按文献[12]规定，该含水层富水性弱。

表3 单位涌水量计算

3 工作面底板太灰可疏降性分析

3.1 边界条件分析

2401工作面为井田西翼24采区首采工作面，24采区北部边界为F8断层，东部和南部分别主要受DF7(正断层)、DF8(正断层)和F40(逆断层)等断层交叉切割，西部主要受DF3断层作用，导致2401工作面接受外部补给的能力相对减弱，具有相对独立的水文地质单元，太灰含水层地下水补给、径流条件相对较差。同时，2401工作面受周边底板注浆、巷道掘进排水等人为因素的影响，也使得工作面底板太灰上段的补给、径流条件发生了较大变化，富水性相对减弱。结合相关文献[17，18]，在此基础上分析认为，2401工作面底部太原组上段灰岩含水层具有一定的可疏降性。

3.2 工作面放水孔水量分析

根据2401工作面掘进中留设的5个水文孔开展的井下放水试验，三孔放水两孔作观测孔，以“大流量，大降深”的方式基本充分揭露了该含水层水文地质特征。总体上，各放水孔流量衰减速度快，放水孔稳定流量低，说明工作面底板太灰上段的总体补给不充分，具有疏降可行性。

3.3 工作面观测孔降深分析

在放水初期的4d里，通过群孔持续放水，在放水孔P2-1附近87m，距放水孔S5-1附近349m处的P1-6观测孔形成了182m的降深，二2煤层底板灰岩上段含水层的水压值从3.59MPa降到了1.77MPa；在放水孔P2-1附近230m，距放水孔S5-1附近183m处的P4-2观测孔形成了92m的降深，二2煤层底板灰岩上段含水层的水压值从4.04MPa降到了3.11MPa。具体见表4。由表4可知，整个放水阶段，底板太原组灰岩上段含水层的水压值下降比较明显。同时，结合整个放水阶段的水位实测曲线，也发现整个放水阶段整体降深也较为明显。说明底板太原组灰岩上段含水层的连通性较好，这在前文计算的渗透系数上也有所表现，渗透性较弱。由群孔放水试验求得参数，2401工作面底板灰岩上段含水层单位涌水量q平均值为0.023L/(s·m)，也说明了含水层的富水性弱，易于疏降。

表4 放水阶段(4d)两观测孔降深统计

另外，2401工作面受相对独立的水文地质边界条件控制，整个工作面水文地质单元相对独立。放水过程中仅有1d时间涌水量稳定在35m3/h，P1-6水位下降了170m，占总降深的93%；P4-2水位下降了80m，占总降深的87%，亦说明了采区边界的补给相对较慢，工作面底板太灰上段具有可疏降性。

4 底板太灰水疏降防治措施及效果

4.1 疏降方案

首采面二2煤层底部太原组上段灰岩含水层具有较好的可疏降性，但永煤集团在永城矿区已有的防治水技术经验，一般都采用底板注浆加固措施[6-11]。这里根据2401工作面赋存条件，建议用疏水降压代替底板全面注浆加固的新思路，提出了两种疏降方案：

1)疏降至底板安全水压：将2401工作面最低点处太灰静水压力疏降至2.0MPa，即在疏降条件下含水层的水位降深最小应达到215m左右；P4-2钻孔处水压达到了4.04MPa，可能由于S2F4断层等阻水构造或前期的注浆工程阻断了P4-2与放水孔的大部分水力联系，放水试验过程中水位仅下降92m，但P4-2钻孔处水位降深最小应达到204m左右。

2)疏降至煤层底板(底板太灰“疏干”)：将2401工作面底板太灰含水层水位疏降至煤层底板以下，即在疏降条件下含水层的水位降深最大应达到362m左右，最小应达到272m左右。

结合本方案的总体研究目标，为了减少打钻成本，从经济、成本、渗透性、地质单位划分等角度分析[19-21]，由于各钻孔布设分布于2401和2402工作面已掘进巷道内，在充分利用之前放水试验已有3个水文孔的基础上，选用2401工作面下巷已完成或正在施工的2个钻孔P4-9和S7-2以及上巷准备施工的G1-7、G3-3和G5-6钻孔作为疏放水孔。选用2401工作面下巷已完成的S5-1钻孔以及上巷准备施工的G2-4、G4-4和G5-8钻孔作为观测孔。本次探查孔总数量初步设计为12个左右，全为井下孔，在实际施工过程中再结合现场揭露条件的差异进行适当调整，各设计疏降钻孔参数见表5。

表5 各设计疏降钻孔参数

结合以往探查孔揭露资料，考虑到太灰含水层岩溶发育存在一定的差异性，由于2401工作面标高在-620～-490m之间，起伏大，整体为一单斜构造，工作面东南角开切眼处标高最高，约为-490m，工作面西北角终采线处标高最低，约为-620m。根据放水试验数据获得的工作面底部太原组上段灰岩含水层水压分布特征，获得2401整个工作面的太灰上段富水情况为：开切眼处水压最低约为3.25MPa，水压由开切眼向终采线方向呈现递增趋势，在终采线处水压达到最高约为4.15MPa。根据工作面下巷-580m处现有三个放水孔P1-6、P2-1和P4-2的放水实际情况，当三个孔以总流量约45m3/h同时放水时，工作面下巷中部5号钻窝的S5-1孔及S5-2孔仅有少量水涌出甚至无水涌出。由于以上钻孔疏降效果良好，2401工作面下巷的P4-9、S7-2设计放水孔和上巷的G1-7、G3-3、G5-6设计放水孔可能出现无水涌出现象。

4.2 工作面实际疏放效果

根据实际施工情况，2401工作面运输巷道施工有P1-6、P2-1、P4-2、T4、T3、补T3-1和P4-1共7个钻孔，钻孔参数、实际疏放及10月份观测结果见表6。其中，P2-1作观测孔，对目标层位进行有效放水的钻孔主要有P1-6、P4-2以及P4-1，放水水量分别为26、6和62.5m3/h，总疏放强度94.5m3/h；根据放水孔观测记录台账，九月份每日总放水强度在45.5～56.5m3/h，平均51m3/h，相应区域内水压在2MPa左右。

与9月份相比，10月份在增设P4-1放水强度60m3/h左右几天时间内，水压由2MPa左右快速降至1.4MPa左右，单孔较高有效疏降强度对其附近区域水压降低影响显著，可见工作面底部太原组上段灰岩含水层可疏降性较好。

一个月期间放水总强度和水压监测结果的对比曲线如图5所示，可以明显看出，在每日放水总强度逐渐降低条件下，工作面底部太原组上段灰岩含水层水压力下降到1.4MPa左右后基本保持不变，突水系数降到了0.026MPa/m，满足了该工作面安全带压开采的要求。

表6 顺和煤矿2401工作面放水孔十月份观测记录

图5 10月期间放水总强度和水压监测结果对比曲线

5 结 论

1)系统分析了顺河煤矿深部24采区首采2401工作面地质、水文地质和开采条件，评价确定了该工作面受到底部太原组上段灰岩含水层水害威胁，提出了采用疏水降压可疏放性方式对该工作面底板太灰水进行治理的新思路。

2)设计了2401工作面井下群孔放水试验方案，组织实施了井下放水试验，获取了放水过程的关键数据，采用降深-时间配线法和直线图解法计算出太原组灰岩上段含水层的主要水文地质参数，相对误差满足实际需要，最终采用两种方法求得的各孔渗透系数的平均值作为该工作面的渗透系数参考值。

3)对2401工作面底部太原组上段灰岩含水层可疏降性进行了分析，该工作面具有相对独立的水文地质单元，认为具有可疏放性，进行了两种疏降方案设计，并通过实际的疏放验证，表明了该工作面底部太原组上段灰岩含水层具有很好的可疏放性。