工作面顶板动态离层水预疏放实践

李忠凯   胡 杰

（***矿业集团海孜煤矿，*** *** 235147）

摘  要：采煤工作面顶板动态离层水是煤矿突水的一种新的水源，通过对离层水突水的原因和特点分析，采取了在工作面回采影响以外的下山方向布置钻孔，同时在钻孔内下入防堵装置，保证了钻孔在工作面采前、采中和采后持续放水，有效地阻止了离层水源的产生，保证了工作面安全生产。

关键词：动态  离层水  预疏放

引 言

***矿业集团海孜煤矿是一座设计年产1.5Mt的现代化矿井。2005年5月21日正在回采的84采区745工作面发生瞬时最大水量3887m3/h的特大溃水事故，给生产和安全造成极大的被动。经查治，发现该次事故是因为受7煤层顶板巨厚火成岩支撑，多煤层采动作用，造成煤系地层不均匀沉降，使7煤层顶板砂岩产生离层，并积水，在火成岩动力作用下，积水冲破有限的隔水层，而发生的特殊突水现象。如此强度的顶板水突水现象在国内十分罕见，如何进行防治，避免类似事故的再次发生，成为扭转生产和安全的被动局面，保证工作面安全恢复生产成为工作面水害治理的关键。

1 顶板动力突水原因和特点

1.1 745工作面地质及水文地质概况

工作面煤层属二叠系下石盒子组全隐伏煤层，煤层厚0.2～3.2m，平均1.29m，倾角18°。该区地层自上向下有第四系和火成岩及煤系地层，对7煤层开采充水有影响的主要含水层有第四系四含和7煤顶板厚层砂岩，隔水层有四含底部粘土层、火成岩和7煤直接顶泥岩。

1.1.1 四含

四含为第四系地层的最下一层，直接覆盖在煤系地层之上，与煤系地层不整合接触。四含底部发育一层粘土层，含砾石，粘土层发育不均一，局部具“天窗”，四含水通过“天窗”缓慢向煤系地层补给。

1.1.2 火成岩

厚76.3~88.77m，下距7煤层61.2～62.83m，属闪长岩和闪长玢岩，整体块状结构，总体属隔水层，能阻隔四航对煤系地层的补给。但当有断层等裂隙发育与四含沟通时，使局部丧失隔水作用，通过地面补勘钻孔采取钻孔电视技术可清晰看到该区火成岩发育有大量纵向和层状拉伸裂隙，但不含水。

1.1.3 7煤顶板砂岩

厚14.07～30.87m，下距7煤层12.86～28.03m，含脉状裂隙承压水，属弱含水层，是7煤开采的直接充水水源。

1.1.4 7煤底板煤岩层

8、9煤层相距约3m，8煤上距7煤约22m，与7煤层同属于二叠系下石盒子组，在该区两煤层均未开采。

上距7煤层约116m为二叠系山西组10煤层，该层煤工作面于2002年11约全部采完收作。

1.2  745工作面突水原因

工作面发生突水后，为了查明突水原因，在位于停采线外5m，机巷向上10m，施工了一个钻孔R455孔，孔深368.53m，终孔层位位于7煤顶板34.8m，钻孔离层发育柱状见图1。钻孔在施工过程中发现岩浆岩底板1.6m至粉砂岩1.4m段（329.5～332.5m），被掰开形成T3离层带，段高3m，具典型的硬软岩层界面易产生离层的规律特征。注水实验测流结果，单位吸水量为0.16l/s.m（相当于中等富水含水层）。

煤系地层中，在孔深339.5～341m孔段的砂岩（厚2.15m）与粉砂岩（339.61m）界面分布有段高为1.5m的T2离层带，其中砂岩掰开0.11m，粉砂岩掰开1.39m，也是软、硬岩层界面。其单位有吸水量为0.056l/s.m（相当于弱含水层），表明离层带为破碎岩石充填，而不是空腔。

在孔深350.74～368.53m的巨厚（大于17.8m）的砂岩中，砂岩顶界6.76m以下发现有段高为1.2m的T1离层带，单位吸水量为0.32 l/s.m（相当于中等富水含水层），K值为31.16m/d。总吸水量为13.64m3/h。

R455孔终孔时位为333m(-306 m)，在岩浆岩孔段的水柱高度为16.1m。T1、T2、T3三个离层带均有积水。44d后水位为340m，已低于岩浆岩底板18.9m，表明T3离层带已处于水位之上而成为“无水离层带”。T2离层带顶界为339.5m。表明该离层带上部0.5m已处于水位之上，只有T1离层带仍保持水位，水柱高达17.5m。这说明：A、R455孔内水位保持44天，原因是有T3“积水离层带”存在。B、R455孔深368.53m，孔底距7煤顶34.8m。孔底有水位说明其下部砂岩还没有被导水裂隙所波及。46d后孔内水位消失，钻孔发生吸风现象，说明T3积水离层带被疏干。

上述现象说明T1积水离层带的单位吸水量为0.32l/s.m，是5.21突水的直接水源。当山西组10煤层回采后，下石盒子组及其以上地层属整体弯曲下沉带，但受巨厚火成岩板支撑，其上部岩层并未随之下沉，受自身重力和火成岩板拉伸共同作用，造成下石盒子组地层不均匀下沉，并在7煤顶板砂岩中形成拉伸破坏，从而形成离层。因该层砂岩自身就是弱含水层，加之四含水通过浅部露头和火成岩裂隙对其缓慢补给，使离层内积水。当7煤层采动后，破坏了火成岩原有的应力平衡，并活动产生动力，在该动力作用下，压挤离层，积水冲破了离层于7煤采动后导水裂隙带间有限的隔水层，从而发生突水。该次突水事故是极复杂水文工程地质条件下发生的动力突水的特例。

图1 R455孔离层发育及水位变化示意图

1.3  动力突水的特点

本次突水和其它工作面顶板砂岩突水存在明显的区别，主要有以下几方面的特点：

（1）无明显征兆。本次突水并未有顶板突水从小到大的规律，而是瞬间溃出，几乎无何征兆。

（2）瞬时最大水量3887m3/h，并伴有约400m3的矸石以泥石流形式溃出，造成沿途巷道被切割冲刷，最大冲刷深度1.5m。

（3）水量衰减快，具封闭水体（老塘水）突水特点，突水后仅过3.5h水量就衰减了97％。

（4）储水空间具动态性。随工作面推进，在超前应力作用下，工作面前方有新的离层形成，并不断积水，产生新的突水水源。同时该空间相对封闭，离层与离层间不连续。

（5）突水通道为采动导水裂隙带。尽管导水裂隙带与离层水之间存在隔水层，但较薄，极易被动力水冲破。

（6）动力源为巨厚火成岩体。因采动影响，造成整体岩层地应力失衡，整体或部分岩层位移产生动力，挤压储水空间，积水冲破有限的隔水层造成突水。

2  预疏放水钻孔设计

2.1  目的和任务

针对动力突水的特点确定了探放水钻孔的目的和任务，一是进一步查明7煤顶板砂岩含水和富水性；二是查明离层的发育情况；三是为745工作面突水后恢复生产进行提前放水，疏干降压。

2.2  预疏放钻孔布设方案

根据前述目的任务，结合离层动态发育特点和7煤顶板裂隙具有连通性等特征，打破顶板水探放钻孔布设在工作面上方的传统，按每50m一组向工作面下山方向（煤层倾向方向）布置。钻孔开孔于在7煤底板约15m施工的745岩石轨道巷内，避免钻孔因工作面回采被破坏，每个钻窝布置三个孔，呈扇形分布，使钻孔呈网状穿过7煤顶板砂岩，保证覆盖面。

2.3  技术要求

钻孔开孔直径127mm，两层套管结构，孔口管8～10m，用标号不小于500＃水泥固管，压力不小于5MPa进行耐压试验，合格后缩径89mm钻进至终孔。然后全程下入φ73mm花管作为过滤器，防止孔内掉矸堵塞钻孔，保证钻孔持续有效放水，

钻孔在施工过程中若存在出水现象，需详细记录出水层位、孔深，测量水量、水压，采取水样进行水质分析。

3  预疏放效果分析

3.1  简易放水试验效果

所有钻孔施工完成后，选取了水量较大的3个钻孔进行简易放水疏干，其它钻孔进行测压，监测钻孔水压变化情况。简易放水试验为期10天，3个孔总放水量1025m3，钻孔水压从0.54MPa降到0.2MPa。经计算砂岩水位从原始高出风巷约5m，下降到放水后仅高出机巷0.2MPa。放水试验结束后，进行了为期72h的恢复水位试验，24h后钻孔水压恢复到0.25MPa，并保持稳定。

3.2  TEM检测结果

在钻孔施工前，为了准确掌握7煤顶板砂岩的含水富水情况，在745工作面风巷、腰巷和机巷向工作面顶板采取了瞬变电磁探测，共查出三处低阻（视电阻率小于1Ω）异常，视电阻率曲线横向上表现出起伏变化较大，与高阻曲线明显不协调。探测结论为三处视电阻率低阻异常对应工作面顶板存在三处较强富水性，为赋水异常区。

为了进一步确定钻孔放水效果，保证工作面恢复生产后的安全开采，工作面恢复生产前再次用瞬变电磁法对钻孔放水效果进行检验，重点探查先期探测三个低阻异常的视电阻率变化。通过对比发现二次瞬变电磁视电阻率明显增大，均大于1.5Ω，且视电阻率等值线横向变化较均匀，与其它高阻曲线协调性较好，煤层顶板电性横向分布均匀，说明原探测富水区已降为弱含水或不含水，钻孔放水效果较好。

3.3  工作面回采过程的预疏放效果

在工作面恢复生产过程中，受超前应力影响，所有放水孔水量均有不同程度变化，突出表现在3＃钻场1＃孔。

该钻孔施工后到工作面恢复生产推进距钻孔约50m期间，钻孔水量一直保持在0.8m3/h的稳定水量，当工作面推进距钻孔50m后，钻孔水量持续增大，距钻孔约20m时，水量已增大到5m3/h，当工作面采到钻孔上方时钻孔水量增大到9.8m3/h，达到极值，随工作面继续向前推进，钻孔水量虽有所下降但仍保持在7m3/h的稳定水量。在工作面恢复生产的整个过程中，只有钻孔水量发生变化，而工作面内却未出现任何淋水和滴水等水情异常。见图2。

图2  3-1孔疏水量变化趋势曲线与工作面累计推进度对照关系图

通过对整个回采过程钻孔疏放水量计算，发现钻孔放水总水量是745工作面突水水量的2.3倍，说明钻孔疏放水对超前疏放砂岩水、截断离层积水水源发挥了重要作用。

4  结语

745工作面恢复生产后，先后采出原煤约70Kt，工作面内未出现任何水情异常，实现了安全开采，工作面预疏放顶板动态离层水技术为类似顶板条件下水害防治积累了治理经验，具有较可观的经济和社会效益。

由于离层动力突水现象在国内较为罕见，如何防治尚无成功的先例，因此采取何种布孔方式、孔组间距需要多大以及孔与孔之间如何排列等才能实现最经济合理地预疏放煤层顶板离层积水、截断离层积水水源，保证预疏放效果，均处于一种摸索状态。通过对745工作面顶板离层水的预疏放钻孔设计、实施，主要有以下几点经验：

（1）严格按规程要求，每50m布置一组钻孔，保证了预疏放水钻孔的覆盖面，确保砂岩水预疏放。

（2）钻孔布置在工作面下山方向和采动影响范围之外，保证钻孔在工作面采前、采中和采后持续有效放水。

（3）在钻孔结构上，改以往裸孔为两层套管结构，钻孔全程下入花管作为过滤器，有效地防治了碎矸堵孔，保证钻孔水流畅通。

（4）采取放水试验、压力对比和物探对比验证等方法对放水效果进行检验，使放水效果更直观明了，有效地促进了安全生产。

参考文献：

1、沈继方,于青春, 胡章喜. 矿床水文地质学[M]. 北京: 中国大学地质出版社 1992.10

2、庞渭舟,刘维周. 煤矿水文地质学[M] . 北京: 煤炭工业出版社   1986.9

3、柴登榜. 矿井地质工作手册[M]. 北京: 煤炭工业出版社   1984.10