永陇矿区煤层顶板离层水形成及其防治研究

郭 云， 杨 磊， 黄 阳

(1.陕西省一八六煤田地质有限公司,西安 710075；

2.陕西永陇能源开发建设有限责任公司，陕西宝鸡 721599)

永陇矿区地处鄂尔多斯盆地南部，区内生产矿井主要集中在东部，即郭家河煤矿、崔木煤矿、招贤煤矿和园子沟煤矿，多数煤矿近年来都发生过工作面离层积水涌突事故，造成巨大经济损失,严重危害矿井安全生产[1]。离层水研究是我国目前矿井水文地质领域研究的难点和热点之一，孙占国对离层的形成机制和发育规律等做了相关研究，认为离层的萌生、发展、扩大、闭合是覆岩运动的结果[2]。许家林等认为离层主要出现在各关键层下[3]。杨国栋结合郭家河煤矿地质及水文地质特征，认为在进一步查清水文地质条件的基础上，预先在工作面可能出现离层涌(突)水位置施工地面泄水孔，并在回采期间反复透孔使钻孔和采空区处于连通状态，破坏离层空间的密闭性，防止离层空间大范围积水的防治水技术方案[4]。吕广罗等结合崔木煤矿地质及水文地质特征，建立了以地面监测孔水位、覆岩破断矩、工作面来压、支架异常状态、围岩异常变化、瓦斯涌出异常等指标的离层水涌水预警系统，并提出了地面直通式泄水钻孔与井下探放水钻孔相结合的离层水疏放关键技术[5]。招贤煤矿还提出了“超前疏排、工程试验、科研攻关、综合治理”的水害防治思路和“抽、排、截”疏放水源等关键技术，经武强院士专家组论证后，在该矿1304工作面成功实施了首例离层水地面抽排水害防治工程。通过对本区涌突水特征综合分析认为，受煤层采动影响，在上覆软硬岩层结合部因变形程度不同步，形成离层水聚集，在覆岩破断冲击力和静水压力共同作用下，穿过导水裂隙下泄至工作面形成矿井水害。

前人通过对煤层顶板离层水形成机理的研究，提出了以施工地面直通式导流泄水孔和地面大孔径抽排孔为主的离层水综合防治体系[6-10]。多年来运用实践表明，采用泄水孔和抽排孔技术，通过疏放和抽排可以有效破坏离层积水的形成条件，达到水害防治目的。但随着煤矿开采的进一步深入，采空区范围的不断扩大，新的问题相继出现，诸如基础勘查和综合研究不足，施工技术创新性不够等。本文结合永陇矿区地质及水文地质特征，通过对离层水害形成要素分析，并对防治方法及实施效果进行了客观评价，对泄水孔和抽排孔在应用与发展过程中遇到的问题进行了分析总结，并提出了相关建议，为区内外相似地质及水文地质条件下离层水害防治工作提供借鉴。

永陇矿区地处鄂尔多斯盆地南部，东起陕西省永寿县，西至陇县，南至凤翔，北至陕甘省界，面积3 160km2。矿区位于泾河水系的补给区，煤系为侏罗系中统延安组，煤层埋深小于800m。与地面钻孔施工相关性较高的主要含(隔)水层包括：下白垩统洛河组砂岩孔隙-裂隙含水层、宜君组砾岩裂隙含水层，中侏罗统安定组泥岩隔水层、直罗组砂岩裂隙含水层、延安组砂岩裂隙含水层。其中白垩系洛河组砂岩孔隙-裂隙含水层是区内主要含水层，厚度在35～686m，单位涌水量0.008 99～0.449 7L/(s·m)，渗透系数0.002 446～0.224 8m/d。主采煤层顶面至洛河组底面之间的覆岩厚度125～482m，平均厚度大于200m。区内生产矿井主要集中东部，各煤矿主要水文地质特征存在较大差异。

从表1可以看出：各煤矿煤层埋深、含水层厚度以及洛河组底板标高变化均较大，加之洛河组底板至煤层顶板之间的安定组和直罗组岩性泥质含量较高，易破碎、糜化，更增加了煤层顶板离层水防治难度。

表1 永陇矿区煤矿地质特征对比Table 1 Comparison of geological characteristics of coal mines in the Yonglong Mining area

近年来，区内煤矿相继发生过工作面水害事故，给煤矿安全生产带来诸多困绕，其水害主要来自顶板离层水。顶板离层水随着工作面开采而形成，主要源头为上白垩统洛河组。本区洛河组属富水性不均一的弱—中等含水层，地层富水性与本区所处泾河水系补给区的区域位置相符。富水性虽然不强，但当离层水聚集足够多时，会在覆岩破断冲击力和静水压力共同作用下，穿过导水裂隙下泄溃入工作面形成矿井水害。可见，离层空间、离层水、导水通道是离层水害形成的三要素。

2.1 离层空间

离层的萌生、发展、扩大、闭合是覆岩运动的结果[2]，所形成的空间为离层水的聚集、运移和储存提供了必要的通道和场所。离层空间主要出现在各关键层下，其最大发育高度止于覆岩主关键层[3]。根据区内地层特征，洛河组属坚硬岩层，为覆岩主关键层，下部与其接触的安定组为软弱岩层，受煤层采动影响，由于上覆岩层软硬存在差异，当岩层变形弯曲出现不同步时，洛河组底部软硬岩层的结合部易发育离层空间。

通过对离层空间发育层位、离层持续时间的力学性质以及离层水涌突通道形成的动力学分析得知，离层空间的发育和闭合与工作面推进有关，在工作面自切眼推进150m之后离层空间开始发育；
工作面自切眼推进300～350m出现覆岩离层初次闭合，之后的周期闭合距在150～170m[4]。可见，离层空间随着工作面的推进在不同位置依次形成、扩大进而闭合，是一种隐伏的动态过程，这一认识从后来矿区防治水实践中不断得到证实。

2.2 离层水

根据邻区地面水文地质精细化勘查成果可知，洛河组分为上、中、下三个层段，上段为中粒砂岩含泥质夹层，中段为中粗砂岩，下段为含砾中砂岩，分层抽水结果显示：含水层段主要为洛河组中段。

洛河组底板低位与离层水聚集相关。资料显示：崔木煤矿22303工作面切眼至停采线洛河组底板高程呈下降趋势，落差约36m，当该工作面推采至中后期时，井下涌水量成倍增加[4]。郭家河煤矿1308工作面处于盘区内洛河组底板高程最低位，与同一盘区其他工作面相比，该工作面地面抽排孔水量大，在120m3/h以上。招贤煤矿1304CP-1抽排孔洛河组底板高程也处于低位，落差30m，其前期抽排量不大，后期抽排量在50～60m3/h。综上所述，洛河组底板低位是离层水聚集的有利区。

2.3 导水通道

目前，关于导水裂隙带发育高度已开展了大量研究[11-12]。根据邻区大佛寺煤矿地下水对煤矿安全开采影响的研究与分析，导水裂隙带发育高度与工作面推进距离关系见图1。

图1 工作面推进距离与导水裂隙带发育高度关系曲线Figure 1 The relationship between the advanced distance of the working face and the development height of the water-conducting fracture zone

由图1可知，导水裂隙带发育高度大于200m，而本区煤层顶面至洛河组底界之间的覆岩厚度平均186.80m，可以导通至洛河组。上述结论，从崔木煤矿两带观测孔G1号孔拍摄的孔内采后裂隙(深度345m，)清晰可见，裂隙深度位于洛河组下段[13]。

离层水害的防治，要着眼于上述三要素，即通过提高工作面推进速度干预离层空间的形成[4]，通过离层注浆技术或地面抽排技术减少离层水的聚集，通过地面泄水技术改变导水通道[14-15]。本区主要通过施工地面直通式导流泄水孔、井下探放水孔以及地面大孔径抽排孔实现水害防治目的，本文主要对地面直通式泄水孔和地面大孔径抽排孔的施工工艺、实际效果及存在问题进行探讨。

据文献资料，工作面(自切眼)推进约150m时，地层裂隙开始发育、离层空间随之发育[4]。通过对区内两带观测孔(G1)和泄水孔资料分析，并与工作面推进距离对比可知，工作面推进至距观测位置约100m时，地层裂隙开始发育，离层空间发育相对滞后；
工作面推进至观测位置附近时，地层裂隙和离层空间进一步发育；
工作面采过观测位置150～200m时，地层裂隙和离层空间开始闭合，之后离层空间就进入周期性闭合阶段。综上，离层空间初始形成位置距切眼约150m，目前，地面钻孔布设多以此为参考。

据邻区矿井相同开采要素的工作面推进和地面沉降观测的对比可知，工作面推进过观测位置30～50m时，地面出现沉降；
工作面采过观测位置150m后，沉降幅度增大；
工作面采过观测点300m以后，沉降减小，直至工作面停采后，地面才趋于稳定。可见，地面沉降时间明显滞后于离层空间闭合时间，这是由于覆岩地层岩性的差异导致各地层沉降不同步所致。

图2是崔木煤矿2019-10—2020-09期间长观D1孔观测成果与相应工作面涌水量实测记录对比图。由图2可知，水位变化可引起工作面涌水量的变化，而且涌水量变化具有一定的滞后性，这就为工作面水害预测提供了一个较为可靠的方法。

图2 长观钻孔水位与工作面涌水量变化对比Figure 2 Comparison of water level in long-view borehole and change of water inflow in working face

分析认为：工作面开采初期水位下降是由于地层水进入裂隙或离层空间，此时并未导致工作面涌水量的增加，而到了中后期水位下降会导致工作面涌水量明显增加，也就是说，工作面推进至中后期的水位变化，对水害预测作用更为明显。

根据水位变化与涌水量的关系，区内成功预测了多起工作面涌(突)水事故，预测时间比实际涌突水时间提前了数小时至3天(表2)。

表2 矿井涌突水预测预报与实际涌突水情况比较Table 2 Comparison between prediction and forecast of mine water inrush and actual water inrush

然而，区内煤矿还存在长观孔数量不足，孔位距回采工作面较远，对水文长观工作的研究缺乏系统性等问题，影响了水害预测效果。

5.1 地面直通式导流泄水孔

施工地面泄水孔是在离层水尚未大量聚集、地层裂隙尚未导通时将离层水缓慢泄入工作面。区内泄水孔工艺的发展经历两个阶段，第一阶段为裸眼泄水工艺，始于2015年，该工艺要求工作面推进距钻孔100m前(裂隙未发育时)，钻孔需施工至目的层位，而后钻机需原地等待且反复透孔，以减缓地层扰动影响泄水效果。在工作面采过该孔位350～400m才可终孔，加上钻机等待时间，单个钻孔施工周期在三个半月左右。随着煤矿开采的深入，采空区范围的扩大，施工难度不断增加，泄水效果受到较大影响。

第二阶段为下套管工艺，套管能缓解孔内变形，以维持泄水效果。这种工艺一般需下筛管并填砾，以减缓地层变形对泄水效果的影响，其泄水效果不错。施工至目的层位后钻机无需反复透孔。而一些煤矿还尝试下入玻璃钢套管，利用玻璃钢的柔性和韧性，一旦地层变形影响泄水效果时，可以在原孔位扫孔透孔，理论上讲透孔难度不大，但实践中，这种工艺在地层变形不大时泄水效果不错，一旦地层变形较大需要扫孔扫孔时，扫孔进度缓慢，与工作面推进不匹配。

崔木煤矿22311工作面有2个泄水孔(22311-1、22311-2)采用裸眼工艺，终孔层位是3煤层顶板以上20m，松散层下入Φ311mm套管并固井，其余层段为裸眼，这2个孔实测吸风量0～5m/s(注：吸风量是衡量泄水孔导通效果亦即泄水效果的重要指标，通常在孔口测量)，泄水效果不理想，施工周期均超过三个月。该工作面另有3个泄水孔(22311-4、22311-5、22311-7)采用下套管工艺，终孔层位是3煤层顶板以上20m，松散层下入Φ311mm套管并固井，其余层段为Φ190mm套管，洛河组底面至孔底为Φ190mm筛管，筛管内填砾，砾径为10mm。这3个孔的吸风量15～25m/s，泄水效果明显。园子沟煤矿2007工作面11个泄水孔全部采用玻璃钢套管工艺，终孔层位是3煤层顶板以上20m，松散层为Φ377mm套管，洛河组下入Φ244.5mm套管并固井，洛河组底面至孔底为Φ108mm玻璃钢筛管。实测吸风量在10～30m/s，泄水效果明显，但因玻璃钢套管费用高，增加了施工成本。上述下套管工艺在工作面采过钻孔位置后钻机可以搬离，钻孔施工周期在40～60d(玻璃钢套管工艺施工周期较长)，与裸眼工艺相比，提高了施工效率。

5.2 抽排孔

抽排孔分为采前抽排和采后抽排两种，采前孔主要抽排裂隙水(离层未形成)，采后主要抽排离层水。区内第一口抽排孔始于2020年，为招贤煤矿1304CP-1孔，属采前抽排孔，通过在地面施工大孔径抽排孔，将离层水抽排至地面，以减轻工作面突水压力。1304-CP1终孔深度420m，终孔层位安定组(进入安定组42m)，松散层下入Φ478mm套管并固井，洛河组宜君组下入Φ339.7mm套管，其余为裸眼。抽排历时30d，抽排量50～60m3/h，抽排总量10800m3，抽排效果较好。该工作面推进期间井下水量很小。

2021-2022年4月，郭家河煤矿在1308工作面(已采空)施工两口抽排孔，属采后抽排孔，目的是缓解与该工作面相邻的1310工作面突水压力。1308和1310工作面均处于盘区低位，是离层水聚集有利区。这两个孔均于宜君组底部终孔，松散层下入Φ478mm套管并固井，洛河组下入Φ325mm套管，其余为裸眼，实测抽排量保持在120～160m3/h，抽排效果很好，地面抽排与1310工作面推进同步进行，该工作面推进过程水量很小。但因钻孔施工位于采空区，施工难度较大。

从防治水效果看，采后抽排优于采前抽排；
从施工难度看，采后抽排大于采前抽排。钻孔施工中，特别是在采空区的施工，极易出现孔内掉块、坍塌，这就对施工工艺提出了更高要求。

抽排孔的技术难点在于孔位选择，一般选择离层水聚集的有利区，以洛河组砂岩含水层厚度较大、洛河组底板低位以及物探含水异常区综合选定。

1)洛河砂岩含水层水位变化是矿井水害预测的重要手段，应加强水文地质监测，做到长远布局、系统研究，不仅要做好单孔、群孔监测，也要结合地表水文地质条件进行动态分析，进一步发挥水文监测作用。

2)洛河组底板低位是离层水聚集的有利区，也是选择地面抽排孔位置的重要依据，要在洛河组底板相对低位，同时参考洛河砂岩含水层厚度以及物探含水异常区综合选定。

3)就泄水效果而言，下套管泄水工艺优于裸眼泄水工艺；
就抽排效果而言，采前抽排孔优于采后抽排孔。

4)加强基础勘查和综合研究。采取矿方牵头、校企联合、多方协作的形式，深入研究含水层厚度与离层水的关系以及受采动影响覆岩不同地层岩移变化规律等问题，不断提高煤矿水害防治的科学性和针对性。