陳小繩，朱國超

(陜西煤業(yè)化工集團(tuán)紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西神木719300)

紅柳林井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田神北礦區(qū)最南端，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10Mt/a。根據(jù)井田水文地質(zhì)資料及勘探結(jié)果，4－2煤及5－2煤層頂板含水層總體上含水量較小，但在某些地段可能導(dǎo)水裂隙較發(fā)育，基巖頂界風(fēng)化帶及新生代沙層底部含水性也很不均勻，部分區(qū)段含水性較強(qiáng)，而井田內(nèi)探明分布4－2，5－2煤的燒變巖，有地下水存在及富水的可能，成為影響采區(qū)安全生產(chǎn)的重要隱患。因此，本文就紅柳林井田15205工作面初采以前的探訪水工作及工作面涌水情況，做好“有疑必探”的準(zhǔn)備工作，以解除15205工作面受到頂板水害的威脅，保障采面順利回采。

1 水文地質(zhì)概況及頂板充水條件分析

1.1 工作面水文地質(zhì)條件

15205工作面位于南一盤區(qū)5－2煤輔運(yùn)大巷北側(cè)，西側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為正在開采的15204工作面，南側(cè)為采礦邊界。工作面實(shí)際開采走向長達(dá)3033m，傾向長度350m?，F(xiàn)工作回風(fēng)、膠運(yùn)、輔運(yùn)巷均已形成。

15205工作面地表無村莊，地表北部地勢較平坦，以沙丘、黃土地貌為主，南部受沖溝切割，以梁峁溝谷地貌為主，梁峁區(qū)植被覆蓋，溝谷受流水沖刷切割較深，溝谷兩側(cè)邊坡較陡，靠南有部分耕地。工作面地表自然形成南北向的分水嶺，東側(cè)沖溝匯入馬牙岔，西側(cè)沖溝匯入肯鐵令溝。溝內(nèi)一般為棕紅色黏土，局部受侵蝕基巖出露，雨季時容易匯集大量山洪。地表蓋層厚度35～204m，由于巷道掘進(jìn)期間對巷道圍巖系統(tǒng)影響有限，不會受地表水及松散層潛水的影響。但由于局部沖溝基巖侵蝕嚴(yán)重，工作面回采期間地表匯水及上覆含水層將會對工作面安全回采造成一定影響。

1.2 工作面頂板充水條件分析

根據(jù)礦井水文地質(zhì)報(bào)告，15205工作面區(qū)域5－2煤主要的含水層為頂板砂巖裂隙承壓含水層，其次為孔隙潛水含水層。地表無大的水體，補(bǔ)給條件較差，第四系沙層潛水以接受大氣降水直接補(bǔ)給為主，凝結(jié)水補(bǔ)給微弱;侏羅系孔隙裂隙承壓水主要接收區(qū)域側(cè)向補(bǔ)給和上部地下水的滲透補(bǔ)給。在基巖出露區(qū)域，大氣降水直接通過裂隙向巖層微弱滲透補(bǔ)給，其次是沙層孔隙水入滲補(bǔ)給。

15205工作面受水害威脅最大的頂板松散層水及基巖風(fēng)化帶水，在回采階段，頂板一旦垮落后將使直羅組風(fēng)化基巖水、第四系砂層水全部涌入到工作面內(nèi)，易造成工作面水害事故的發(fā)生。

因此，需要對15205工作面頂板實(shí)施探放水工程用以查明采面頂板上覆延安組和直羅組風(fēng)化巖的富水狀況，并對工作面5－2煤頂板上覆直接充水含水層進(jìn)行預(yù)疏放，降低工作面涌水強(qiáng)度。

2 探放水施工設(shè)計(jì)方案

2.1 施工概況

本次探放水工程以保障15205工作面安全回采為前提，以優(yōu)化鉆孔數(shù)量為原則，將設(shè)計(jì)的探放水鉆孔分為一期、二期、三期工程施工。施工時首先對切眼內(nèi)的探放水鉆孔進(jìn)行施工，確保15205工作面初采初放期間的安全;然后對異常區(qū)的探放水鉆孔進(jìn)行施工;最后，根據(jù)鉆孔出水情況，對頂板水鉆孔進(jìn)行優(yōu)化施工，以查明并探放工作面上覆風(fēng)化基巖、松散層含水層和4－2煤燒變巖水富水狀況。

本次探放水一期、二期、三期工程設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)為38個，其中一期鉆孔數(shù)為16個鉆孔，二期鉆孔數(shù)為15個，三期鉆孔數(shù)為7個，設(shè)計(jì)總工程量為5806m。在實(shí)際施工過程中，根據(jù)鉆孔出水及施工條件情況，對部分探放頂板水鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后鉆場數(shù)仍為12個，累計(jì)施工鉆孔數(shù)為32個，其中一期施工鉆孔數(shù)為16個，二期施工鉆孔數(shù)為15個孔，三期施工鉆孔數(shù)為1個孔，實(shí)際施工總工程量為4721m，如表1所示。

表1 15205工作面鉆孔設(shè)計(jì)、實(shí)際施工工程量

本次探放水工程施工的32個鉆孔中，24個孔探放頂板風(fēng)化基巖水、松散沙層水，8個孔驗(yàn)證并疏放物探圈定的富水異常區(qū)。探測以上探放水孔以15～62°仰角向頂板含水層鉆進(jìn)。

2.2 施工工藝

本工程探放水的裸孔孔徑設(shè)計(jì)為75mm，孔口管孔徑φ108mm，長6m，孔口管以下為裸孔。

本工程鉆探施工工藝如下:

(1)鉆機(jī)設(shè)置及角度調(diào)整 按設(shè)計(jì)的方位角及俯角給定。

(2)孔口管固管工藝 下入孔口管后，接上同徑壓蓋及連接注漿管路，用注漿泵壓入計(jì)算量的固管用速凝漿液，注漿壓力達(dá)到0.5MPa后，關(guān)閉注漿閥門，等凝12h;透孔后進(jìn)行二次注漿，注漿壓力達(dá)到1.5MPa后，關(guān)閉注漿閥門，等凝12h，再次透孔后用1.5MPa水壓進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)時間為30min，達(dá)到要求后繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位?？卓诠芄探Y(jié)注漿工藝如圖1所示。

圖1 孔口管固結(jié)注漿接頭

(3)鉆進(jìn)方法 采用復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，遇硬巖層用人造鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)，沖洗液采用清水，有塌孔現(xiàn)象時可改用泥漿鉆進(jìn)，軟巖層可試驗(yàn)用復(fù)合片(無芯)鉆頭鉆進(jìn)。

(4)鉆進(jìn)工藝參數(shù) 人造鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)時，轉(zhuǎn)數(shù)150～200r/min，壓力90～100MPa，沖洗液量50L/min;金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)時，轉(zhuǎn)數(shù)150～200r/min，壓力50～55MPa，沖洗液量50L/ min。

(5)鉆孔施工時開孔口 φ127mm至孔深7m，下入長6m，φ108mm孔口管，固管后用φ73mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位。

3 疏放水效果分析

3.1 鉆孔涌水量及變化情況

本次施工的32個鉆孔中，6個孔為干孔，占比18.8%;18個孔僅有少量淋水，占比56.3%; 1個孔水量小于1m3/h，占比3.1%;5個孔水量介于1～10m3/h，占比15.6%;1個孔水量介于10～15m3/h之間，占比3.1%;1個鉆孔涌水量介于20～25m3/h之間，占比3.1%;無水和僅有少量淋水的鉆孔占比合計(jì)達(dá)到75.0%，水量大于1m3/h的鉆孔占比21.9%。探放水鉆孔涌水量數(shù)據(jù)說明，5－2煤層上覆頂板水總體富水性弱;含水層富水性在空間上存在差異，局部存在相對富水異常區(qū)。

3.2 放水效果

從鉆孔成孔放水截至，所有鉆孔涌水量從初始的54.2m3/h衰減至目前的8.0m3/h，累計(jì)疏放水量44084m3，從鉆孔涌水量變化情況來看，水量較大的地段主要集中在地表溝谷區(qū)域，該區(qū)域的水經(jīng)過一段時間的疏放呈逐漸減小的趨勢，說明地表溝谷地段以靜儲量為主，動態(tài)補(bǔ)給水較少。

通過鉆孔涌水量衰減情況分析，探放水對各含水層的疏降取得了顯著效果，并表明疏放目標(biāo)含水層富水性弱，滲透性差，補(bǔ)給有限，以靜儲量為主。

4 工作面涌水量預(yù)計(jì)

根據(jù)15205工作面推進(jìn)過程中工作面的涌水特點(diǎn)，首采工作面涌水量主要由以下兩部分組成。

第1部分為頂板垮落裂縫帶初次或周期發(fā)育至含水層后，導(dǎo)致裂縫帶影響范圍內(nèi)的含水層與周邊含水層被導(dǎo)水裂縫斷開，使其內(nèi)部的水通過縱橫交錯的裂隙被釋放出來流入到工作面內(nèi)，這部分水因?yàn)榕c原來的含水層脫離，不再接受側(cè)向補(bǔ)給，因而這部分屬于靜態(tài)水，可按照含水層在一定時間內(nèi)給水能力進(jìn)行預(yù)計(jì)，其計(jì)算公式為:

式中，M為含水層厚度，正常涌水量時由于疏將作用含水層厚度取 6m;L為工作面斜長，取348m;B為初次溝通主要含水層垮落區(qū)寬度，取60m，周期性溝通含水層垮落區(qū)寬度為20m;μ為含水層給水度，取0.02;t為最終完成潰水時間，取2d。

第2部分為頂板垮落后，裂縫帶周邊未受開采影響的含水層，沿冒裂邊界側(cè)向徑流源源不斷地流入到工作面內(nèi)，該部分水量主要由冒裂區(qū)頂部含水層的垂直下滲補(bǔ)給和冒裂區(qū)四周含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給兩部分組成，因?yàn)橛袆討B(tài)補(bǔ)給源，所以這部分水屬于動態(tài)水，可按照“大井法”進(jìn)行水量預(yù)計(jì)，其計(jì)算公式為:

式中，Q動為最大涌水量，m3/h;K為滲透系數(shù)，取3.0m/d;M為含水層厚度，m;H為水頭高度，m;h為動水位至底板隔水層水柱高度，m;R0為引用影響半徑，m;r0為引用半徑，m。

將兩部分水量相加，即可得出首采面水量計(jì)算公式:

采用公式 (3)可得15205工作面最大、正常涌水量分別為Q最大=141m3/h，Q正常=42m3/h。

5 工作面突、涌水危險(xiǎn)性分析

根據(jù)本次疏放水效果及探放水鉆孔涌水量分析可知，沿著工作面推進(jìn)方向從切眼至310m范圍內(nèi)，所有鉆孔均處于淋水狀態(tài)，據(jù)此分析該范圍內(nèi)頂板富水性較弱，工作面不存在突水威脅;在該范圍內(nèi)，基巖厚度都在60m以上，工作面同樣不存在潰砂的威脅。因此，工作面在0～310m這一地段開采不會存在水害威脅。

沿著工作面推進(jìn)方向310～935m范圍內(nèi)，出水鉆孔為 4個，初始涌水量分別為 2.0m3/h，11.0m3/h，2.0m3/h，23.3m3/h，其中T15號孔初始涌水量達(dá)到了23.3m3/h，化驗(yàn)后的水質(zhì)類型為HCO3－Ca·Mg型，該處鉆孔內(nèi)涌水包含了松散層水和基巖風(fēng)化帶水，說明該范圍內(nèi)頂板含水層富水性較強(qiáng)，工作面推進(jìn)至該區(qū)域時，可能存在突水的危險(xiǎn)。然而，經(jīng)過多日的疏放，該處4個出水鉆孔從初始的38.3m3/h衰減至7.8m3/h，水量衰減率為80%，鉆孔對含水層水的疏放效果非常顯著，說明該富水區(qū)域地下水以靜儲量為主，動儲量補(bǔ)給有限，通過本次探放水工程，基本解除310～935m這一地段的水害威脅，工作面不存在突水的威脅;在該范圍內(nèi)，基巖厚度都在60m以上，工作面同樣不存在潰砂的威脅。因此，工作面在310～935m這一地段開采不會存在水害威脅。

沿著工作面推進(jìn)方向935～3033m范圍內(nèi)，出水鉆孔為 2個，初始涌水量分別為 3.5m3/h，9.1m3/h，經(jīng)過一段時間的疏放，該段出水鉆孔從初始的12.6m3/h衰減至0.2m3/h，水量衰減率為99%，其余鉆孔為淋水孔甚至為干孔，因此該范圍內(nèi)頂板含水層富水性較弱，工作面不存在突水的威脅;在該范圍內(nèi)，基巖厚度都在60m以上，工作面也不存在潰砂的威脅。因此，工作面在935～3033m這一地段開采不會存在水害威脅。

目前，所有出水鉆孔涌水量均已變小或干枯，鉆孔涌水量從初始的 54.2m3/h衰減至目前的8.0m3/h，說明該區(qū)域地下水以靜儲量為主，動儲量補(bǔ)給量有限，通過本次探放水工程，基本解除15205工作面的水害威脅。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)15205工作面探放水成果，并結(jié)合淺埋煤層導(dǎo)水裂縫帶直接發(fā)育至地表這一特征，15205工作面回采時防治水重點(diǎn)是第四系松散層潛水，其次是基巖風(fēng)化帶水;正常基巖內(nèi)的砂巖裂隙水富水性微弱，對工作面不構(gòu)成威脅，而第四系松散層直接接受大氣降水的補(bǔ)給，因此在雨季應(yīng)加強(qiáng)塌陷區(qū)回填及工作面涌水量觀測工作。

(2)采用“動靜態(tài)水結(jié)合法”對15205工作面涌水量進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)計(jì)得出工作面最大涌水量為141m3/h，正常推進(jìn)時涌水量為42m3/h，為提高工作面抗災(zāi)變能力，應(yīng)確保工作面總體排水系統(tǒng)能力不低于300m3/h。

(3)通過鉆孔涌水量衰減程度分析，工作面富水區(qū)域以靜儲量為主，動儲量補(bǔ)給有限，通過本次探放水工程，基本解除15205面頂板水害威脅。

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