戴 磊，段李宏，楊 斌，祝漢京

(永煤集團股份有限公司，河南 永城 476600)

煤炭作為主體能源，長期擔負著保障我國能源安全、經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重任。隨著煤礦開采深度的增加，部分礦井底板承壓含水層的水壓不斷增高，水文地質條件更加復雜，采掘工作面底板受太原組灰?guī)r水的威脅更加嚴重。目前，承壓含水層水害治理采取的主要方法有地面區(qū)域治理、井下注漿加固底板或者改造含水層、疏水降壓、充填開采等。其中，疏水降壓是目前水害治理最常用的方法之一。

順和煤礦是永煤集團在永城礦區(qū)投產(chǎn)的第五對現(xiàn)代化礦井，礦井設計生產(chǎn)能力60萬t/a，2009年10月15日開工建設，2014年5月16日竣工投產(chǎn)。礦井主要受底板太原組灰?guī)r含水層承壓巖溶水影響，21采區(qū)所有工作面均采用底板注漿改造含水層進行水害治理[1-6]。據(jù)統(tǒng)計，順和煤礦已完成底板注漿改造工程5.2萬m，注漿量1.2萬t，水害治理的費用約為12元/t。目前，根據(jù)順和煤礦的生產(chǎn)接續(xù)計劃，21采區(qū)已關閉，下一步計劃開采24采區(qū)。該采區(qū)煤層埋深已超過-500 m，預計太原組灰?guī)r水壓達到5 MPa以上，面臨典型的太灰高承壓底板水害問題，若仍采用普遍注漿改造底板含水層，不僅安全性不高，且會消耗大量的注漿、鉆探費用，勢必造成工作面水害治理成本的大幅度增加。為此，礦井通過分析24采區(qū)的主要控水構造分布、導水性及各邊界斷層已有的揭露情況，以及專門抽(放)水的試驗資料，結合東翼淺部工作面及鄰近陳四樓礦注漿工程施工鉆孔揭露水量、注漿量等資料，對礦井水文地質單元的邊界條件，尤其是自然控水邊界及人為隔水邊界綜合影響下的邊界條件動態(tài)演化過程進行全面、精細評價，評價工作面底板太灰上段含水層的可疏降性。如果采用疏水降壓的方法能夠滿足安全開采需求，則礦井的水害治理成本將顯著降低。

1 礦井水文地質單元精細劃分

順和井田位于永城隱伏背斜西翼的后王莊背斜之西北翼，整體為一單斜構造形態(tài)。井田范圍內三維地震勘探、采掘工程實際揭露和控制斷層91條，局部伴有巖漿巖侵入體。斷層中，落差≥100 m4條，50～100 m的3條，15～50 m的14條，3～15 m的70條。斷層密度達到了8.5條/km2。根據(jù)井田構造及其水力性質，以及礦井范圍內地下水補給、徑流、排泄條件等資料，結合不同區(qū)域水文地質條件的差異性，初步將井田劃分以下4個不同的水文地質單元，如圖1所示。

圖1 順和煤礦水文地質單元劃分圖

24采區(qū)位于井田西翼水文地質單元Ⅲ，研究區(qū)北部邊界為F8斷層，落差為100～430 m，由西至東逐漸變大，為一控制可靠斷層，可能為北部進水邊界。研究區(qū)東南部受DF8(正斷層、落差70 m)、DF7(正斷層、落差55 m)和F40(逆斷層、落差40 m)等可靠斷層及其他構造的影響，灰?guī)r水對研究區(qū)內太灰上段東南部接受外部補給的能力相對減弱；西部受F12(正斷層、落差100 m)構造的影響，進一步對水文地質單元Ⅲ進行切割，造成研究區(qū)太灰含水層上段地下水補給、徑流條件相對變差，初步具備了疏水降壓的水文地質環(huán)境[7-11]。

2 工作面地質及水文地質

2.1 工作面地質條件

2401工作面是順和煤礦西翼24采區(qū)的首采工作面，位于水文地質單元Ⅲ，工作面整體為一單斜構造，工作面標高為-508～-630 m，南鄰F40(逆斷層、落差40 m)，西側為2402工作面和DF4(正斷層、落差25 m)，東側為DF7(正斷層、落差55 m)，為相對封閉的水文地質單元Ⅲ內的封閉區(qū)域，如圖2所示。

圖2 2401工作面相關構造示意圖

2.2 工作面水文地質條件

2401工作面直接充水水源為煤層頂、底板砂巖裂隙水，屬砂巖裂隙承壓弱含水層，補給源以側向滲入為主，地下水徑流運動遲緩，以消耗靜儲量為主。太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層是二2煤層的主要間接充水含水層，巖溶、裂隙發(fā)育，灰?guī)r水靜水位-190.5 m，單位涌水量0.008 41～0.005 79 L/(s·m)，富水性弱，屬巖溶裂隙高承壓弱含水層。根據(jù)礦井地質勘探鉆孔資料：二2煤層下距太原組L11灰?guī)r47.8～55.0 m，距L10灰?guī)r61.2～65.0 m,距L9灰?guī)r72.7～75.0 m,距L8灰?guī)r78.7～82.0 m；L11灰?guī)r平均厚1.4 m，L10灰?guī)r平均厚3.61 m，L9灰?guī)r平均厚2.04 m，L8灰?guī)r平均厚10.5 m。

2.3 工作面底板水壓情況

根據(jù)井下水文觀測孔及工作面底板注漿鉆孔施工揭露資料，工作面太原組上段灰?guī)r含水層水位標高為-215 m，工作面承受底板太灰含水層水壓為3.25～4.15 MPa，采用突水系數(shù)法預測回采工作面底板突水危險性[12]?？紤]到2401工作面底板破壞深度，根據(jù)經(jīng)驗公式h=1.86+0.11L計算[13]，工作面斜長L為150 m。因此，2401工作面底板破壞深度為19 m、隔水層厚度為53 m，去除底板破壞深度后有效隔水層厚度為34 m，則工作面的突水系數(shù)為0.096～0.122 MPa/m，工作面存在底板突水危險。

3 工作面放水試驗

3.1 工作面放水試驗方案設計

為了獲取順和煤礦2401工作面底板太灰含水層的水文地質參數(shù)，結合2401工作面下巷現(xiàn)有3個放水孔的出水能力與分布位置，開展井下放水試驗，鉆孔涌水量具體情況如表1所示，分布情況如圖3所示。

表1 2401工作面下巷鉆孔涌水量觀測統(tǒng)計結果

圖3 2401工作面井下放水試驗鉆孔布設示意圖

3.2 放水試驗成果

P4-2觀測孔水壓從3.21 MPa降到2.29 MPa，放水孔的中心位置形成92 m的降深，并在距S5-1放水孔最遠350 m處的P1-6孔，形成了182 m降深，如圖4所示。表明2401工作面底板太灰含水層整體連通性較好，在P4-2鉆孔處可能由于S2F4斷層等阻水構造或前期的注漿工程阻斷了P4-2與放水孔的大部分水力聯(lián)系，初步分析認為具有較好的可疏降性?；謴碗A段，P1-6、P4-2觀測孔經(jīng)過3 d分別恢復了193、95 m降深，初步分析認為太灰上段含水層具有較好的補給來源。放水階段和恢復階段總降深如表2所示。

圖4 2401工作面放水試驗放水階段水壓實測曲線

表2 2401工作面放水試驗降深統(tǒng)計

3.3 水文地質參數(shù)求解

放水試驗結束后，對井下群孔放水試驗數(shù)據(jù)資料進行了細致處理及成果總結，對含水層的滲透系數(shù)、單位涌水量等主要水文地質參數(shù)進行了計算和分析。結合放水試驗成果，分別選用降深—時間配線法和直線圖解法[14-15]，計算放水孔滲透系數(shù)K，如表3所示。

表3 放水孔滲透系數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)井群干擾原理，群孔持續(xù)抽水形成區(qū)域降落漏斗，漏斗中每點的降深都是由各個疏水孔抽水的效果疊加影響，計算放水孔單位涌水量，結果見表4。

表4 單位涌水量計算

放水試驗數(shù)據(jù)表明，整個放水階段，底板太灰上段水的水壓下降明顯，計算的單位涌水量最大值僅為0.042 L/(s·m)，屬于弱富水性含水層。因此，2401工作面作為相對獨立的水文地質單元，底板太灰上段水整體的連通性較好；另外,受采區(qū)邊界條件控制，區(qū)內地下水的補給條件不足，疏降試驗能夠形成有效的降深，進一步表明研究區(qū)底板太灰具有較好的可疏降性。

4 底板灰?guī)r水動態(tài)引流方案設計及實施

4.1 預期目標

1)疏降至底板安全水壓：將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.0 MPa，即在疏降條件下含水層的水位降深最小應達到215 m左右。

2)疏降至煤層底板(底板太灰“疏干”)：將2401工作面底板太灰含水層水位疏降至煤層底板以下，即在疏降條件下含水層的水位降深最大應達到362 m左右，最小應達到269 m左右。

從偏安全角度出發(fā)，礦井最終確定選擇將太灰水疏降至煤層底板以下，即將底板太灰水“疏干”。

4.2 方案設計

根據(jù)以往動態(tài)引流疏降經(jīng)驗，在保證2401工作面的疏降要求的同時考慮24采區(qū)的巷道布置，以及后期方便為整個24采區(qū)服務，本次動態(tài)引流疏放方案設計分別采用112、100、90、67 m3/h等效疏水量，通過分別計算疏降效果，作為工作面回采前的決策依據(jù)。

4.3 疏降效果預測

疏降效果預測的公式為非穩(wěn)定流的近似理論的Jacob公式[15]：

(1)

式中：s為觀測點的水位降深；Q為放水孔的流量；T為導水系數(shù)；t為自放水開始到計算時刻的時間；r為計算點到放水井的距離；S為含水層的儲水系數(shù)。

根據(jù)非穩(wěn)定流求參Jacob公式，計算了工作面最低點的疊加降深，結果如表5所示。

表5 2401工作面最低點疏降方案疊加降深預測計算

1)整體疏降強度達到112 m3/h，第1天就會產(chǎn)生約210 m降深，即第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.05 MPa，第2天可保證2401工作面的帶壓開采安全；在第22天就會產(chǎn)生362 m降深，將整個工作面太灰水疏至煤層底板。

2)整體疏降強度達到100 m3/h，第1天就會產(chǎn)生約188 m降深，即第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.27 MPa，在第2天就會產(chǎn)生約225 m降深，可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的帶壓開采安全；在第51天就會產(chǎn)生362 m降深，將整個工作面太灰水疏至煤層底板。

3)整體疏降強度達到90 m3/h，第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.47 MPa，在第4天可疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的帶壓開采安全；在第150天就會產(chǎn)生約363 m降深，基本將整個工作面的底板太灰水疏降至煤層底板以下。

4)整體疏降強度達到67 m3/h，則在第1天就會產(chǎn)生約125 m降深，即在第1天可將2401工作面最低點處太灰靜水壓力疏降至2.90 MPa，在第20天可疏降至2.0 MPa以下，保障2401工作面的帶壓開采安全；但是整個采區(qū)在67.2 m3/h的疏降強度下，很難實現(xiàn)將整個工作面的底板太灰水疏降至煤層底板以下。

因此，可以得出2401工作面不同動態(tài)引流方案下的疏降效果，如表6所示。

表6 2401工作面不同動態(tài)引流方案下的疏降時間統(tǒng)計

結果表明，2401工作面所在水文地質單元底板太灰上段的滲透條件相對較好，但富水性偏弱，具有良好的可疏降性[16-20]。考慮工作面安全回采及排水費用，建議選用整體疏降強度100 m3/h,工作面回采前51 d開始進行動態(tài)引流疏放工作，即可保證回采前太灰水水位疏降至煤層底板下。

4.4 疏降效果評價

工作面按照100 m3/h進行動態(tài)引流工作,根據(jù)疏降效果繪制了工作面水壓等值線圖，如圖5所示。

圖5 工作面水壓等值線圖

根據(jù)突水系數(shù)法，在工作面水壓等值線圖確定水壓基礎上，繪制了隔水層53 m的突水系數(shù)分布圖，如圖6所示。選取臨界突水系數(shù)TS≤0.06 MPa/m，工作面最大突水系數(shù)為0.03 MPa/m，工作面通過疏水降壓后可保障安全回采。

圖6 工作面隔水層53 m突水系數(shù)等值線圖

5 結論

1)通過對順和煤礦水文地質單元的精細劃分，將礦井劃分為4個水文地質單元，其中24采區(qū)所屬單元Ⅲ地下水補給、徑流條件相對差，初步具備了疏水降壓的水文地質環(huán)境。

2)開展了2401工作面的放水試驗，收集了相關數(shù)據(jù)，進行水文地質參數(shù)求解，計算出放水孔滲透系數(shù)和單位涌水量。根據(jù)放水試驗數(shù)據(jù)分析表明，動態(tài)引流疏降能夠形成有效的降深，進一步表明研究區(qū)底板太灰具有較好的可疏降性。

3)根據(jù)以往動態(tài)引流疏降經(jīng)驗，設計了分別采用112、100、90、67 m3/h等效疏水量動態(tài)引流疏放方案，通過分別計算疏降效果，在整體達到100 m3/h左右的等效疏降強度下， 疏降周期合理、疏降效果明顯，可實現(xiàn)工作面底板水害有效防治，保障工作面安全經(jīng)濟開采。