基于頂板水預疏放的首采工作面涌水規律

李永濤，楊 建

基于頂板水預疏放的首采工作面涌水規律

李永濤1，楊 建2

(1. 烏審旗蒙大礦業有限責任公司，內蒙古 烏審旗 017307；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了建立符合蒙陜接壤區煤炭開采防治水技術體系，以納林河二號礦井首采工作面為例，開展了覆巖破壞規律、水文地質條件、涌水量預計、頂板水預疏放等研究，結果表明：應用鉆探取心、鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視探測手段，實測得到首采工作面導水裂縫帶高度為103.23 m，裂高(導水裂縫帶高度)采厚比為18.8，導水裂縫帶可溝通3段含水層，其中直羅組底部含水層鉆孔涌水量92.0~136.0 m3/h、水壓4.0~5.6 MPa，呈“水量大、水壓高、分布不均”的特點，是威脅工作面回采安全的最主要含水層。回采過程中頂板水主要由靜態儲存量和動態補給量構成，采用“動靜儲量結合法”計算得到靜態儲存量和動態補給量分別為2.596×106m3和417.6 m3/h。對頂板水開展分段預疏放條件下，整個工作面回采過程中采空區涌水量與推采步距呈正相關關系，隨著頂板周期性滯后垮落，導水裂縫帶也周期性發育至高點(直羅組底部含水層)，采空區涌水量又呈臺階式增長。最終總預疏放水量4.235×106m3，采空區總涌水量5.313×106m3，首采工作面總排水量為622.8 m3/h，與預計排水量596.9 m3/h相差4.2%。涌水量準確預測和頂板水提前預疏放，是實現首采工作面防治水安全的關鍵，可以為鄂爾多斯盆地北部深埋區提供防治水技術支撐。

涌水規律；首采工作面；預疏放；導水裂縫帶；納林河二號礦；蒙陜接壤區

西部是我國煤炭資源富集區和重點開發區，2017年西部煤炭資源開采量已占全國的74.9%，神東等侏羅紀淺埋煤田區是當前開發的重點，蒙陜接壤區等中深埋煤田區則是未來的主產區，目前已開工建設十幾座特大型現代化礦井，其中納林河二號礦井是最早建設的煤礦。蒙陜接壤區位于毛烏素沙漠區，煤層頂板直接充水含水層呈“水壓高、富水性強”特征，對煤炭開采具有較嚴重的水害隱患，尤其是首采工作面，回采過程中涌水量波動較大，會影響綜采面正常生產，造成工作面排水系統癱瘓、工作面被淹等水害問題。從防治水角度，前人已經開展的研究發現，受控于印支運動向燕山運動轉折，在總體沉降的構造背景下，在中生代延安組形成了厚而連續的煤層[1-2]；煤層頂板以中粗砂巖、砂質泥巖為主，硬度大，脆性好[3]，且厚煤層多采用大跨度大采高開采，導水裂縫帶發育較高[4]；受河流相和多旋回沉積作用，導水裂縫帶范圍內發育有多層含水層(主要包括真武洞砂巖、七里鎮砂巖)[5]，呈高壓富水、富水性不均一等特征[6-7]，工作面回采過程中涌水量起伏較大，一旦超過工作面排水能力，就會造成工作面被淹等水害事故。為了保障工作面回采安全，非常有必要以首采工作面為對象，開展頂板水預疏放和回采過程中涌水規律研究，以期為蒙陜接壤區深埋煤田區的煤炭開發提供防治水方面的科學依據。

1 研究區概況

納林河二號礦井位于毛烏素沙漠東南緣(圖1)，地形總體上南北高、中間低，地表均被第四系風積沙覆蓋，多為新月形或波狀沙丘，厚度一般小于30 m，整個第四系厚度則在9.16~174.57 m，角度不整合于一切下伏地層之上，沒有基巖出露；無定河及其支流納林河從井田內流過，其中無定河是黃河一級支流。本礦井主采延安組3-1煤，受控于鄂爾多斯盆地單斜構造，在所有已開工建設的礦井中，煤層標高最低；煤層頂板發育延安組三段、直羅組、安定組、志丹群等地層，均屬于河流相沉積，呈含、隔水層互層狀展布，頂板侏羅紀含水層屬于區域性地下水系統的滯流區，水中礦化度普遍在10 000 mg/L[8]左右，是呼吉爾特、榆橫、榆神等礦區的2~5倍[9-10]。

圖1 納林河二號礦井位置圖

首采工作面位于納林河二號礦井首采區中東部井田邊界附近，工作面回采煤層為侏羅系延安組3-1煤，平均厚度5.5 m，可采指數為1.0，可采儲量448.0萬t，直接頂底板均為厚層狀粉砂巖。工作面長241.25 m、推進長度2 600 m。采用大采高綜采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面整體呈一向西傾斜的單斜構造，傾角0°~3°；兩順槽在施工過程中共揭露斷層5條，最大落差1.5 m，大部發育在停采線附近；工作面內僅揭露1條落差1 m的正斷層，對工作面回采工作影響很小。

2 頂板水文地質特征

2.1 覆巖破壞規律

根據勘探期間施工的首采工作面內5個鉆孔資料(分別是NL32、MD20、NL43、MD27、NL50)，3-1煤層厚度3.97~5.83 m(平均5.5 m)；2-1煤與3-1煤距離45.66~57.52 m，厚度小于1.0 m；3-1煤直接頂巖性為砂質泥巖和粉砂巖，延安組三段和直羅組一段為砂泥巖互層結構，包括3層巖性為中砂和粗砂的含水層，分別是3-1煤頂板含水層、2-1煤頂板含水層(真武洞砂巖)和直羅組底部含水層(七里鎮砂巖)，距離3-1煤頂板分別為4.9~16.2 m、48.7~83.2 m和77.4~109.4 m(圖2)。在已查清煤層頂板含水層分布特征的條件下，煤層開采的覆巖破壞高度和采動裂隙分布特征，決定了工作面回采過程中涌水量大小和變化規律。為了研究納林河二號礦井3-1煤開采的覆巖破壞規律，在首采工作面范圍內施工了CQ01和CH01覆巖破壞觀測鉆孔，其中采前對比孔CQ01布置在距離切眼603 m、距下順槽68.7 m的位置，CH01距離下順槽46.8 m，距離切眼610.3 m；分別采用鉆探取心、鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視探測手段，實測得到導水裂縫帶高度為103.23 m，裂高(導水裂縫帶高度)采厚比為18.8，表明首采工作面3-1煤層開采過程中導水裂縫帶可發育至直羅組底部含水層(七里鎮砂巖)。

圖2 納林河二號礦井首采工作面煤層頂板柱狀示意圖

2.2 水文地質特征

為了查清導水裂縫帶范圍內各含水層的水文地質條件，分別在中央大巷、永久煤倉和工作面施工探放水鉆孔，結果表明：① 3-1煤頂板含水層富水性不均一，在地面瞬變電磁圈定的富水區，鉆孔涌水量8.0~10.0 m3/h、水壓1.1~3.4 MPa，在非富水區大部分鉆孔不出水；② 2-1煤頂板含水層鉆孔涌水量32.0~42.0 m3/h、水壓4.1~5.0 MPa；③直羅組底部含水層鉆孔涌水量92.0~136.0 m3/h、水壓4.0~5.6 MPa。2-1煤頂板含水層和直羅組底部含水層呈區域性穩定展布，是工作面回采過程中的主要充水含水層。當工作面開始回采時，一方面頂板導水裂縫帶范圍內含水層賦存的地下水會直接進入采空區，屬于靜態儲存量；另一方面采空區及其冒裂帶共同構成一巨型疏放水井，由于對頂板各含水層水的持續疏降，形成了以采空區為中心的降落漏斗，在水力梯度作用下，各含水層水側向運移流入采空區，屬于動態補給量[11]。

靜態儲存量(j)計算采用式(1)：

j=??1(1)

根據首采工作面頂板含水層展布條件，單位貯水系數=0.043 3，影響范圍=7.45×105m2，工作面范圍內含水層厚度1=80.47 m(將所有含水砂體和含水層厚度之和作為計算厚度)，計算得到j= 2.596×106m3。

隨著采空區面積的不斷擴大，整個降落漏斗的影響范圍也逐漸增大，且在采空區附近形成了低于含水層頂板的水位(即非承壓)，因此動態補給量(d)計算采用承壓轉無壓公式：

根據實測和收集數據，滲透系數=0.087 m/d；水柱高度=320 m；含水層剩余水柱高度=0；區域性含水層厚度=50.0 m(以含、導水且存在側向補給的含水層厚度作為計算厚度)。回采過程中，隨著覆巖破壞形成的“采空區”井徑增大，動態補給量將呈逐漸增加趨勢，分段計算得到回采300 m、600 m、1 200 m、2 600 m時工作面涌水量(動態補給部分)分別為178.8 m3/h、219.0 m3/h、282.5 m3/h和417.6 m3/h。

3 工作面預疏放

3.1 放水試驗

由于頂板含水層富水性不均一，靜態儲存量較大，為了保障工作面安全回采，必須在回采前開展頂板含水層水的預疏放，預疏放水量以靜儲量為主，主要疏放工作面推進前方頂板含水層涌水，僅包括一部分動態補給量(圖3)；而大部分動態補給量進入采空區，形成采空區涌水。

圖3 動靜儲量與預疏放水、采空區涌水關系

首先開展了工作面切眼附近的放水試驗，結果如下：①單孔放水試驗(Y25-2鉆孔)，初始鉆孔涌水量為50.4~81.23 m3/h，歷經15 d的衰減后，逐漸穩定在24.0 m3/h；②兩孔放水試驗，待Y25-2鉆孔涌水量基本穩定，打開距離Y25-2鉆孔約150 m的Y28-1鉆孔閥門繼續放水試驗，該鉆孔初始涌水量66.3 m3/h，6 d后穩定在7.0~9.0 m3/h；③多孔放水試驗，在兩孔放水試驗基礎上，每次增加2~4個放水鉆孔開展多孔疊加放水試驗，涌水量會顯著增加，最終增至15個放水鉆孔；④增大的涌水量經過1~3 d的疏降，衰減較快并逐漸達基本穩定；⑤經過將近80 d的放水試驗，最終所有鉆孔單孔涌水量衰減至3.0~5.0 m3/h，中心孔水壓力小于1.0 MPa(圖4)。在工作面切眼段形成了較明顯的降落漏斗，表明鄂爾多斯盆地侏羅系深埋區煤層頂板含水層水可以通過疏降達到回采要求。

圖4 放水試驗過程中心孔壓力變化曲線

3.2 頂板水預疏放

基于工作面放水試驗結果，制定了分段超前預疏放方案，先期對0~600 m范圍進行預疏放，預疏放鉆孔共33個，初期最大總涌水量為375.0 m3/h，預疏放水量累計達1.331×106m3后，將切眼段頂板含水層水壓從5.6 MPa降至0.9 MPa，鉆孔總涌水量基本穩定在150.0~200.0 m3/h，滿足了工作面安全回采的防治水要求。隨著工作面回采的持續進行，以600 m為一段，分段超前施工頂板鉆孔(共184個)，并預疏放直接充水含水層水，根據預疏放水量變化特征可以看出(圖5)：工作面后期分3個階段進行頂板水分段預疏放，第一階段水量從192.5 m3/h(2014年11月)減少至95.7 m3/h(2015年7月)；第二階段水量從120.6 m3/h(2015年7月)減少至71.5 m3/h (2016年3月)；第三階段水量從99.2 m3/h(2016年4月)減少至24.3 m3/h。回采至回撤通道附近時，預疏放水量為24.3~34.5 m3/h，這部分水量可視為工作面前方的動態補給量。整個首采工作面回采過程中，預疏放水量共計4.235×106m3。

4 工作面回采涌水量變化規律

首采工作面頂板含水層水預疏放條件下，整個工作面回采過程中采空區涌水量與推采步距呈正相關關系(圖6)，其中0~220 m段涌水主要來自3-1煤頂板含水層和進入采空區鉆孔涌水；220~307 m段導水裂縫帶開始發育至直羅組底部含水層，首次出現涌水峰值(183.2 m3/h)；隨著推采步距的增加(307~610 m)，采空區涌水逐漸回落，并穩定在100.0~105.0 m3/h；610 m之后，頂板周期性滯后垮落，導致導水裂縫帶也周期性發育至高點(直羅組底部含水層)，采空區涌水量呈臺階式增長(100.0~105.0 m3/h→150.0~ 160.0 m3/h →178.9~189.4 m3/h→276.7~315.9 m3/h→ 340.5~357.5 m3/h)。另外，采空區涌水量每上升一個臺階，都出現了一個小的峰值(10.0 m3/h左右)，主要是由于頂板含水層為砂巖孔隙水，殘留有少量的孔隙型靜態儲存量，當導水裂縫帶發育至該含水層時，孔隙內殘留水會進入采空區，導致涌水量增大。

圖5 頂板疏放水量變化曲線

圖6 納林河二號礦井工作面推采步距與采空區涌水量關系

從開展首采工作面頂板水預疏放至整個工作面回采結束，歷時3.5 a，總預疏放水量4.235×106m3，采空區涌水量5.313×106m3，首采工作面總排水量(預疏放水量+采空區涌水量)合計：4.235×106+5.313× 106=9.548×106m3，單位排水量(將總排水量平均至工作面預疏放和回采時間內)為622.8 m3/h。首采工作面總排水量預計中，靜態儲存量j=2.596×106m3(即169.3 m3/h)，動態補給量d=417.6 m3/h，合計596.9 m3/h。預計排水量比實際排水量小4.2%，考慮一定安全系數(1.5倍)的條件下，本次開展的涌水量計算和預疏放研究，能夠為納林河二號礦井首采工作面的安全回采提供科學依據。

表1 納林河二號礦井首采工作面預計涌水量與實際涌水量關系

5 結論

a. 分別采用鉆探取心、鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視探測手段，實測得到首采工作面導水裂縫帶高度為103.23 m，裂采比為18.8倍，表明首采工作面3-1煤層開采過程中導水裂縫帶可發育至直羅組底部含水層(七里鎮砂巖)。

b. 3-1煤開采過程中受到3段含水層影響，其中直羅組底部含水層鉆孔涌水量92.0~136.0 m3/h、水壓4.0~5.6 MPa，呈“水量大、水壓高、分布不均的特點”，是威脅工作面回采安全的最主要含水層。

c. 首采工作面回采過程中，頂板水主要由靜態儲存量和動態補給量構成，采用“動靜儲量結合法”計算得到靜態儲存量和動態補給量分別為j=2.596× 106m3和d=417.6 m3/h。

d. 為了保障工作面回采安全，開展了回采前的頂板水分段預疏放，最終總預疏放水量4.235×106m3，采空區總涌水量5.313×106m3，首采工作面總排水量為622.8 m3/h，比預計排水量596.9 m3/h大4.2%；涌水量準確預測和頂板水預疏放，是實現首采工作面防治水安全的關鍵。

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Water inflow law of the first working face based on water pre-draining from roof

LI Yongtao1, YANG Jian2

(1. Uxin Banner Mengda Mining Industry Co. Ltd., Uxin Banner, Wushenqi 017307, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to establish water control technology system in Inner Mongolia-Shaanxi contiguous area, we carried out some researches(e.g. overburden failure law, hydrogeological conditions, prediction of water inflow and pre-drainage of roof water) in Nalinhe No.2 coal mine. The results showed that three methods(i.e. coring, drilling fluid leakage observation and borehole color TV detection) were used to explore water-conducting fracture zone(103.23 m), and the ratio of the height of the fractured zone to the mining height was 18.8. Water-conducting fracture zone could connect three aquifers, and the Zhiluo Formation bottom aquifer was the main aquifer threatening safety mining. Water inflow and pressure of borehole were 92.0-136.0 m3/h and 4.0-5.6 MPa respectively. There were obvious characteristics with large amount of inflow, high pressure and uneven distribution. The static storage capacity and dynamic supply capacity were calculated with dynamic and static reserve combination method, and the values were 2.596×106m3and 417.6 m3/h respectively. Subsection method of roof water pre-draining was used to discharge static storage capacity. There was a positive correlation between water inflow in goaf and mining interval in the whole working face during mining process. With the periodic lag collapse of roof, the water-conducting fracture zone also developed periodically to the highest point. Water inflow in goaf increased stepwise too. The total inflow of pre-draining was 4.235×106m3, and water inflow of working face goaf was 5.313×106m3. The error was 4.2% between actual drainage(622.8 m3/h) and calculated drainage(596.9 m3/h) in the first coal mining face. Accurate calculation of the inflow and upfront roof water pre-draining were key steps for roof water safety of the first coal mining face, and the technology could be used in other coal mines of Inner Mongolia-Shaanxi contiguous area.

water inflow law; first coal mining face；roof water pre-draining；water-conducting fracture zone; Nalinhe No.2 coal mine; Inner Mongolia-Shaanxi contiguous area

TD754

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.016

1001-1986(2019)04-0104-06

2018-11-22

煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室開放基金資助項目(SHJT-16-30.10)；中煤科工集團西安研究院有限公司創新基金面上項目(2018XAYMS03)

Open Fund of State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining(SHJT-16-30.10)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYMS03)

李永濤，1966年生，男，山東鄒城人，工程師，從事礦井防治水技術管理工作. Email：sdzclyt@126.com

楊建，1979年生，男，江蘇鹽城人，博士，副研究員，從事煤礦防治水方面研究. Email：yangjian@cctegxian.com

李永濤，楊建. 基于頂板水預疏放的首采工作面涌水規律[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(4)：104–109.

LI Yongtao，YANG Jian. Water inflow law of the first working face based on water pre-draining from roof[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：104–109.

(責任編輯 周建軍)