虎維岳，姬亞東，黃 歡

煤層頂板承壓含水層涌水模式與疏放水鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

虎維岳1,2，姬亞東1,2，黃 歡1,2

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

針對(duì)煤層頂板承壓含水層涌水模式不清的問題，從煤層回采過程中頂板含水層涌水的時(shí)空變化特征入手，提出頂板含水層涌水量由靜態(tài)儲(chǔ)存量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量構(gòu)成，認(rèn)為靜態(tài)儲(chǔ)存量主要受來壓步距、頂板垮落和導(dǎo)水裂隙(合稱冒裂)影響區(qū)含水層厚度、含水層給水度控制，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量主要受冒裂影響區(qū)外圍含水層厚度、滲透性流場中水力梯度和過水?dāng)嗝婷娣e控制；根據(jù)導(dǎo)水裂隙波及含水層情況，將頂板含水層涌水模式劃分為井底進(jìn)水的觸及井涌水、井壁及井底進(jìn)水的非完整井涌水和井壁進(jìn)水的完整井涌水3種模式，并基于地下水滲流理論給出不同涌水模式下動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量計(jì)算公式；針對(duì)以往疏放水鉆孔數(shù)量多及疏放水量大的問題，以實(shí)現(xiàn)工作面頂板含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量疏放后動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量可控為目的，提出冒裂區(qū)高度控制鉆孔深度、單孔水位影響半徑控制鉆孔布置間距、鉆孔疏放水量穩(wěn)定時(shí)間控制超前疏放時(shí)間的疏放水鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，對(duì)疏放水及疏放鉆孔布置進(jìn)行優(yōu)化，形成系統(tǒng)的頂板含水層水疏放體系。研究結(jié)果豐富了煤層頂板含水層涌水量計(jì)算和控制方法，對(duì)頂板水害防控具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

頂板含水層；靜態(tài)儲(chǔ)存量；動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量；涌水模式；疏放水鉆孔優(yōu)化

煤礦開采過程中，由于煤層采動(dòng)破壞了圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)，使得煤層頂板巖層發(fā)生變形乃至破壞，當(dāng)采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度延伸至上部含水層時(shí)，會(huì)導(dǎo)致含水層水涌入井下[1-3]。隨著初次來壓及周期來壓，頂板涌水量來自頂板垮落和導(dǎo)水裂隙(合稱冒裂)影響區(qū)的靜態(tài)儲(chǔ)存量周期性釋放和側(cè)向的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量[4-6]2部分。靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放與周期來壓步距、含水層給水度及冒裂帶進(jìn)入含水層的深度等有關(guān)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量則受含水層滲透系數(shù)、水力梯度等因素影響，各因素綜合影響著頂板含水層涌水量的大小。

頂板含水層涌水是我國西部主要礦井涌水量的重要構(gòu)成部分，現(xiàn)有的解析法預(yù)測礦井(工作面)涌水量時(shí)，根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，在一定邊界條件和初始條件下建立地下水運(yùn)動(dòng)定解問題的解析方程，進(jìn)而預(yù)測礦井涌水量[7-8]。但該方法過多地強(qiáng)調(diào)了滲流的基本規(guī)律，僅研究了在某種假設(shè)條件下含水層中出水量與水位變化之間的關(guān)系，并未從頂板含水層涌水組成要素、含水層水涌入礦井(工作面)通道及充水含水層與涌水通道的空間組合關(guān)系、含水層水流動(dòng)與釋放方式等方面綜合考慮其涌水量計(jì)算[9]，頂板含水層涌水模式及其相對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法依然不清。同時(shí)，當(dāng)前針對(duì)頂板水害防治主要采用超前預(yù)疏放的方法，以實(shí)現(xiàn)回采期間工作面涌水量在安全可控范圍內(nèi)。以往主要在工作面均勻布置疏放水鉆孔，疏放水持續(xù)時(shí)間不明確，對(duì)超前預(yù)疏放水的組成、疏放時(shí)間與疏放水量對(duì)應(yīng)關(guān)系、疏放鉆孔孔深、疏放鉆孔間距等因素研究不夠，引發(fā)疏放鉆孔數(shù)量、疏放鉆孔合理深度、疏放水超前時(shí)間等缺乏科學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)[10]，導(dǎo)致在實(shí)際疏放水工作中往往會(huì)出現(xiàn)成本高、效率低、水資源和生態(tài)損傷大的現(xiàn)象。

因此，為實(shí)現(xiàn)頂板含水層疏放后涌水量可控，需研究頂板含水層涌水量的組成特征并挖掘其控制要素，分析各要素對(duì)靜態(tài)儲(chǔ)存量及動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的影響；在此基礎(chǔ)上提出頂板含水層涌水模式及其概化后的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量計(jì)算公式；以疏放后動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量可控和提高疏水效率為原則，提出針對(duì)性的頂板含水層水疏放鉆孔時(shí)空優(yōu)化布置方法，以期為頂板水害防治提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 煤層頂板含水層涌水量控制要素分析

當(dāng)煤層開采擾動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶溝通頂板含水層后，含水層水涌入工作面，構(gòu)成礦井涌水量的重要組成部分。根據(jù)煤層回采過程中頂板含水層水涌入的時(shí)空特征，可將頂板含水層涌水量劃分為靜態(tài)儲(chǔ)存量與動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量2部分，涌水量由涌水初期到相對(duì)穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。首先是冒裂影響區(qū)含水層中靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放，隨著直接冒裂區(qū)含水層靜態(tài)存儲(chǔ)水量釋放和水位下降，冒裂區(qū)外圍含水層側(cè)向動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量逐漸補(bǔ)給因靜儲(chǔ)量釋放后形成的含水層空間，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為礦井(工作面)涌水。當(dāng)頂板含水層涌水達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，涌水量主要為含水層側(cè)向的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量[10-12]。靜儲(chǔ)量計(jì)算公式如下：

j=(1)

式中：j為工作面回采過程中從頂板冒裂帶范圍內(nèi)釋放的含水層靜態(tài)儲(chǔ)存水量，m3；為工作面平面開采面積，m2；為采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入工作面頂板充水含水層厚度，m；為冒裂帶影響范圍內(nèi)含水層的平均給水度，無量綱。

從靜態(tài)儲(chǔ)存量的計(jì)算公式及頂板含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量周期性釋放(圖1)可知，其大小與開采面積、采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入充水含水層厚度及重力給水度成正相關(guān)，其中開采面積、采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入充水含水層厚度又與頂板周期性冒裂直接影響區(qū)空間體積有關(guān)。工作面回采上覆巖層初次垮落時(shí)，初次冒裂區(qū)范圍相對(duì)周期性冒裂區(qū)要大，且含水層承受的水壓也大，此時(shí)，初次冒裂區(qū)靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放量相對(duì)較大，周期性來壓垮落時(shí)靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放量相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 頂板含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量周期性釋放

隨著工作面回采過程中回采面積的增大，頂板含水層水流向冒裂區(qū)的過水?dāng)嗝孀兇?圖2)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量會(huì)逐步增加。在回采初期，可近似于無限延展含水層補(bǔ)給條件下，隨回采面積不斷增大，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量將有一定程度的增加。在回采后期，當(dāng)回采面積進(jìn)一步增加，影響半徑不斷向外發(fā)展至隔水邊界時(shí)，原本可近似假定為無限延展含水層補(bǔ)給條件也不復(fù)存在，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量將不再增加，逐步趨于穩(wěn)定。另外，含水層滲透性越強(qiáng)、水力梯度越大、導(dǎo)水裂隙波及含水層范圍越大，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量增幅也越大。動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的大小可依據(jù)導(dǎo)水裂隙波及含水層情況分別進(jìn)行計(jì)算。

圖2 頂板含水層動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量過水?dāng)嗝?/p>

經(jīng)過對(duì)靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放模式和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的補(bǔ)給來源分析可知，靜態(tài)儲(chǔ)水釋放量控制要素主要為來壓步距、冒裂影響區(qū)含水層厚度、含水層給水度，可按式(1)計(jì)算；動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量控制要素主要為冒裂影響區(qū)含水層厚度、含水層滲透性、冒裂區(qū)過水?dāng)嗝婷娣e，可按照導(dǎo)水裂隙溝通含水層情況的不同涌水模式進(jìn)行計(jì)算。

2 煤層頂板含水層涌水模式及動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量計(jì)算

2.1 頂板含水層涌水模式

地下水動(dòng)力學(xué)中，按取水井貫穿含水層的程度及進(jìn)水條件可分為完整井、非完整井。完整井為貫穿整個(gè)含水層，在全部含水層厚度上全斷面進(jìn)水的井；非完整井則未揭穿整個(gè)含水層、只有井底和含水層的部分厚度上能進(jìn)水的井。煤層采動(dòng)圍巖發(fā)生變形乃至破壞，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育進(jìn)入頂板含水層時(shí)，導(dǎo)致含水層水沿導(dǎo)水裂隙涌入井下。根據(jù)煤層開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，導(dǎo)水裂隙波及含水層的程度不同，可將導(dǎo)水裂隙類比為一個(gè)“大井”，按其貫穿含水層的程度及進(jìn)水條件分為完整井、非完整井和觸及井[13]。

在“大井”破壞頂板含水層情況下，導(dǎo)水裂隙波及區(qū)域含水層滲透系數(shù)增大，形成“水井”效應(yīng)對(duì)含水層水進(jìn)行疏放，同時(shí)在導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)外圍會(huì)有地下水垂向和側(cè)向入滲，即整體表現(xiàn)為井壁及井底進(jìn)水，從而使含水層水涌入井下。當(dāng)導(dǎo)水裂隙剛破壞頂板含水層時(shí)，含水層水主要從井底進(jìn)水，為井底進(jìn)水的觸及井(圖3a)。當(dāng)導(dǎo)水裂隙波及部分含水層，此時(shí)，含水層水則呈井壁及井口進(jìn)水模式，為井壁及井底進(jìn)水的非完整井(圖3b)。當(dāng)導(dǎo)水裂隙貫穿整個(gè)含水層，此時(shí)含水層厚度全斷面進(jìn)水，為井壁進(jìn)水的完整井(圖3c)。因此，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入頂板含水層的方式，將頂板含水層涌水分為3種模式，即井底進(jìn)水的觸及井涌水模式、井壁及井底進(jìn)水的非完整井涌水模式、井壁進(jìn)水的完整井涌水模式。

圖3 頂板含水層涌水模式

2.2 頂板含水層不同涌水模式下動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量計(jì)算

頂板含水層水涌入工作面模式不同，對(duì)應(yīng)的地下水徑流模式也不相同。利用“大井法”計(jì)算頂板含水層水進(jìn)入導(dǎo)水裂隙的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量時(shí)[14-15]，當(dāng)導(dǎo)水裂隙未波及含水層段時(shí)，符合Darcy定律基本假設(shè)，此時(shí)“大井”上方出現(xiàn)垂向?qū)严稘B透，呈現(xiàn)井底進(jìn)水的徑向半球狀面流，以1表示；對(duì)于導(dǎo)水裂隙波及含水層段，由于巖體垂向滲透系數(shù)大，將其概化為井壁進(jìn)水的徑向二維流，以2表示，則動(dòng)態(tài)補(bǔ)給總水量為d=1+2。

2.2.1 井底進(jìn)水的徑向半球狀觸及井流

當(dāng)導(dǎo)水裂隙剛好揭穿煤層頂板隔水層觸及承壓含水層底板時(shí)，則構(gòu)成了井底進(jìn)水的徑向半球狀非完整井面流(圖4)。如含水層厚度很大，則含水層隔水頂板對(duì)井流的影響較小，可以忽略不計(jì)。此時(shí)，“大井”井底形狀呈現(xiàn)為半球形，流線為徑向直線，等水頭面為半同心球面，這種非完整井流可利用空間匯點(diǎn)原理來求解。

圖4 井底進(jìn)水的徑向半球狀觸及井流

設(shè)“大井”半徑為w，導(dǎo)水裂隙溝通含水層后含水層降深為w，則“大井”井底進(jìn)水的承壓水非完整“大井”井流公式為：

式中：為含水層滲透系數(shù)；w0w，0為頂板含水層涌水前初始水頭；h為頂板含水層涌水后“大井”中水頭。

另外，當(dāng)頂板含水層厚度相對(duì)較小，頂板對(duì)地下水流場具有較明顯影響時(shí)，可根據(jù)鏡像法原理以隔水頂板面為對(duì)稱面映射，將有界隔水頂板化為無界井流問題，形成均效流場，對(duì)涌水量1進(jìn)行折減計(jì)算。導(dǎo)水裂隙溝通含水層涌水引起“大井”降深w由虛擬后的涌水疊加計(jì)算。

2.2.2 井底及井壁進(jìn)水的徑向二維–半球狀非完整井流

當(dāng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育至頂板含水層一定深度，此時(shí),含水層水向“大井”呈2種方式徑流，即“大井”井底和井壁同時(shí)進(jìn)水。

假設(shè)含水層厚度遠(yuǎn)大于導(dǎo)水裂隙進(jìn)入含水層的深度，含水層中水流態(tài)并不符合空間球狀匯點(diǎn)的規(guī)律，但通過水流砂槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“大井”下段近似符合平面二維承壓水流運(yùn)動(dòng)，可將“大井”井壁進(jìn)水視為徑向二維流；“大井”上段可近似假設(shè)為空間徑向匯點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，井底進(jìn)水視為半球狀面流。上段與下段之間分界面可以看似一條流線(圖5)，穿過該流線不存在水流，1為導(dǎo)水裂隙進(jìn)入含水層的厚度。為此，該類“大井”匯水可視為井底進(jìn)水半球面徑向匯水流量1和井壁進(jìn)水二維平面水流量2兩部分之和Σ。

式中：為大井影響半徑。

圖5 井底及井壁進(jìn)水的徑向二維–半球狀非完整井流

2.2.3 井壁進(jìn)水的徑向二維完整井流

當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶完全穿透上覆頂板含水層時(shí)，整個(gè)含水層厚度(2)上過水?dāng)嗝孢M(jìn)水，此時(shí)僅為“大井”井壁進(jìn)水(圖6)，含水層水呈二維水平徑向流流向“大井”，等水頭面是以“大井”為共軸的圓柱面，當(dāng)水流穩(wěn)定時(shí)通過各過水?dāng)嗝娴牧髁烤扔凇按缶钡牧髁?，即?/p>

圖6 井壁進(jìn)水的徑向二維完整井流

Fig.6 Fully penetrating well of radial two-dimensional with shaft wall intake

2.2.4 大面積開采地下水流場與涌水量效應(yīng)

隨著煤層不斷開采，采空區(qū)面積隨之增加，“大井”井徑不斷增大，頂板含水層水涌入井的徑流方式隨之改變。在礦井開采初期，開采面積相對(duì)較小，頂板含水層水主要呈半球狀徑向流流向“大井”(圖7a)。隨著礦井進(jìn)一步生產(chǎn)，開采面積逐步增大，此時(shí)頂板含水層水主要以半球狀徑向流流向“大井”，同時(shí)井底出現(xiàn)垂向二維流(圖7b)。當(dāng)?shù)V井開采面積進(jìn)一步增加，此時(shí)頂板含水層水主要以井底部的垂向二維流進(jìn)水為主，同時(shí)伴隨著半球狀徑向流(圖7c)。因此，隨著開采面積的增加，頂板含水層水涌入“大井”的方式整體上由半球狀徑流向半球狀徑流–垂向二維流、垂向二維流–半球狀徑流轉(zhuǎn)化。

當(dāng)“大井”井徑較大，即采空區(qū)出水面積較大，范圍為1×2時(shí)，井底進(jìn)水量1與前面的計(jì)算方法相同，過水?dāng)嗝婷娣e變?yōu)?×2(1、2為采空區(qū)邊長)，此時(shí)井底進(jìn)水量1為：

圖7 隨采空區(qū)面積的增加頂板含水層流場變化

在穩(wěn)定流狀態(tài)下，“大井”井壁進(jìn)水量2相對(duì)于采空區(qū)上方垂向二維流而言，其流量增幅較小。由此可知，隨采區(qū)范圍的增加，涌水量增大主要為井底進(jìn)水量1的增加。

3 煤層頂板含水層疏放水鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)工作面回采過程中按照上述公式計(jì)算出的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量可控，常需提前對(duì)煤層開采導(dǎo)水裂隙影響范圍內(nèi)的靜態(tài)存儲(chǔ)量進(jìn)行預(yù)疏放，通過施工疏放水鉆孔將頂板含水層水位提前疏降至一定水頭。

3.1 常見疏放水鉆孔布置情況

目前，煤層頂板水疏放主要采用在井下均勻布置鉆孔、提前半年以上時(shí)間進(jìn)行疏放的方式，且疏放水量穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間長，往往存在過度疏放的問題。

陜北某礦主采煤層上方沉積分布有富水性中等的侏羅系中統(tǒng)直羅組風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層，成為礦井的普遍充水含水層。各工作面針對(duì)風(fēng)化基巖含水層累計(jì)疏放水時(shí)間為7～25個(gè)月，平均15個(gè)月，持續(xù)時(shí)間長；工作面基本按每50 m間距布置鉆孔，平均疏放水鉆孔60個(gè)，最多達(dá)到140個(gè)鉆孔；單個(gè)工作面累計(jì)疏放水量最大為1 978.5萬m3，疏放水量大。

從某工作面1—3鉆窩疏放水量變化趨勢可以看出(圖8)，在疏放約120 d時(shí)，疏放水量已相對(duì)穩(wěn)定，后期繼續(xù)疏放100 d，僅衰減10%～15%。從前文中分析的涌水量構(gòu)成分析可知，在疏放情況下疏放水量由疏放初期到相對(duì)穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，首先是冒裂影響區(qū)含水層中靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放，含水層側(cè)向動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量逐漸補(bǔ)給因靜儲(chǔ)量釋放后形成的含水層空間，并逐步達(dá)到穩(wěn)定。因此，該工作面1—3鉆窩在疏放120 d時(shí)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量已接近穩(wěn)定，此后的100 d疏放為無效疏放，并沒有引起疏放區(qū)水位的進(jìn)一步下降或其靜態(tài)存儲(chǔ)水量的減少，未考慮穩(wěn)定疏放水量與動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量之間的關(guān)系；且統(tǒng)一鉆窩間距為50 m，未考慮疏放鉆孔的影響半徑，很可能造成疏放鉆孔數(shù)量不合理、疏放時(shí)間過長、疏放水量過大。

圖8 疏放水量隨時(shí)間變化

3.2 疏放水鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)煤層頂板含水層涌水量的構(gòu)成、含水層涌水模式分析，未疏放時(shí)含水層周期性冒裂釋放的靜態(tài)儲(chǔ)存量與冒裂區(qū)側(cè)向動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量組成頂板含水層涌水量，頂板水疏放主要為針對(duì)含水層冒裂區(qū)靜態(tài)儲(chǔ)存量的疏放，隨著對(duì)頂板冒裂范圍內(nèi)含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量的疏放，導(dǎo)水裂隙“大井”范圍的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量成為工作面涌水量的主要組成部分(圖9)。為實(shí)現(xiàn)頂板含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量的有效疏放，需對(duì)疏放時(shí)間、疏放鉆孔深度及其間距進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

圖9 工作面有無預(yù)疏放涌水量對(duì)比

3.2.1 疏放時(shí)間及水量

隨著疏放水鉆孔的持續(xù)疏放，鉆孔影響范圍內(nèi)靜態(tài)儲(chǔ)存量逐步釋放，呈衰減趨勢，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量逐漸增大。主要是由于疏放區(qū)域形成含水層水位降落漏斗，隨著含水層水位下降，漏斗越來越大，漏斗區(qū)域范圍的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量也隨之增大，當(dāng)疏放水到達(dá)一定程度時(shí)，可認(rèn)為由疏放水形成的降落漏斗已穩(wěn)定，降落漏斗范圍內(nèi)的靜態(tài)儲(chǔ)存量已釋放完畢，疏放范圍已擴(kuò)大至疏放水鉆孔影響半徑，由0疏放至1時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量趨于穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量與疏放水量達(dá)到平衡狀態(tài)，疏放水量為動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量(圖10)，此時(shí)含水層水位已穩(wěn)定不再變化。當(dāng)疏放Δ時(shí)間后，冒裂范圍內(nèi)含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量疏放完畢，此時(shí)疏放水量≈d，若繼續(xù)疏放動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量就成為無效疏放水量[16-17]。因此，合理的超前疏放水時(shí)間為Δ。

圖10 疏放水量主要構(gòu)成隨時(shí)間變化

3.2.2 鉆孔深度

煤層開采形成導(dǎo)水裂隙，導(dǎo)水裂隙范圍內(nèi)含水層水可形成重力水流進(jìn)入井下，當(dāng)開采冒裂形成時(shí)，疏放水量正好等于冒裂區(qū)外圍邊界向冒裂區(qū)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量。因此，頂板水疏放主要是對(duì)頂板冒裂范圍內(nèi)含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量的疏放。疏放水鉆孔僅需揭露冒裂區(qū)范圍內(nèi)含水層，冒裂區(qū)以外部分為無效疏放(圖11)。

圖11 疏放水鉆孔揭露含水層深度

3.2.3 鉆孔間距

由于含水層滲透性在空間分布的極不均勻性，當(dāng)疏放水鉆孔按照均勻布置時(shí)，往往造成鉆孔數(shù)量不合理。疏放初期降落漏斗越來越大，并逐步趨于穩(wěn)定，此時(shí)已達(dá)到疏放鉆孔影響半徑，繼續(xù)疏放降落漏斗已無法進(jìn)一步向外擴(kuò)展，疏放水鉆孔的放水影響半徑可以從其附近的壓力觀測孔的響應(yīng)結(jié)果分析得出。

根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，各疏放水鉆孔的作用是獨(dú)立的，含水層產(chǎn)生的水位降深等于各鉆孔單獨(dú)產(chǎn)生降深的疊加。因此，工作面疏放水鉆孔布置間距可考慮相鄰鉆孔的影響半徑的疊加，即以′+″作為終孔間距進(jìn)行布置(圖12)。此外，含水層滲透性影響著疏放水鉆孔間距，當(dāng)含水層滲透性強(qiáng)時(shí)，疏放水鉆孔影響半徑大，鉆孔間距可適當(dāng)增大。

圖12 疏放水鉆孔影響半徑疊加

3.3 頂板含水層水疏放體系

針對(duì)以往工作面頂板含水層水疏放過程中存在的鉆孔數(shù)量、鉆孔孔深、疏放時(shí)間等問題，分析頂板含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放模式和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的補(bǔ)給來源，確定頂板含水層涌水量控制要素。結(jié)合煤層開采導(dǎo)水裂隙帶波及含水層的程度及含水層水進(jìn)入導(dǎo)水裂隙的完整井、非完整井和觸及井模式，得出不同涌水模式下的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量計(jì)算公式。通過疏放水鉆孔疏放時(shí)間及水量、鉆孔深度、鉆孔間距等優(yōu)化設(shè)計(jì)，超前疏放導(dǎo)水裂隙影響范圍內(nèi)的靜態(tài)儲(chǔ)存量，實(shí)現(xiàn)工作面回采過程中動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量可控，形成系統(tǒng)的頂板含水層水疏放體系(圖13)。

圖13 頂板含水層水疏放體系

4 煤層頂板含水層水疏放優(yōu)化實(shí)例分析

4.1 以往頂板含水層水疏放情況

陜北某礦位于陜北黃土高原北端、毛烏素沙漠東南緣，隸屬于侏羅系煤田。主采煤層3–1煤上方沉積有第四系薩拉烏蘇組松散沙層潛水含水層和侏羅系中統(tǒng)直羅組風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層，富水性中等。針對(duì)3–1煤層回采面臨的頂板含水層水害威脅，以往工作面采用均勻布孔的方式超前疏放頂板水，以降低回采期間的涌水量。

礦井一盤區(qū)、二盤區(qū)、四盤區(qū)頂板含水層疏放時(shí)未考慮導(dǎo)水裂隙波及風(fēng)化基巖含水層程度，均勻布孔對(duì)整個(gè)工作面上覆風(fēng)化基巖含水層進(jìn)行疏放，單個(gè)工作面采前頂板水預(yù)疏放鉆孔55～146個(gè)，平均99個(gè)鉆孔；累計(jì)疏放時(shí)間15.3～25.5個(gè)月，平均20個(gè)月，具體表現(xiàn)為工作面鉆孔數(shù)量多，疏放水時(shí)間長，疏放水量過大，見表1。

表1 陜北某礦工作面頂板水疏放情況統(tǒng)計(jì)

4.2 頂板含水層水優(yōu)化疏放實(shí)例

通過對(duì)頂板含水層涌水模式及動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的計(jì)算分析，確定了頂板含水層涌水量控制要素。結(jié)合煤層開采導(dǎo)水裂隙帶波及含水層的程度及含水層水涌入模式，對(duì)頂板含水層疏放水鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照上述頂板含水層水疏放體系，指導(dǎo)陜北某礦四盤區(qū)某工作面頂板含水層水優(yōu)化疏放。

礦井四盤區(qū)某工作面長4 706 m，寬322 m。工作面周邊鉆孔揭露3–1煤層上覆正?；鶐r厚度30.3～32.4 m，正常基巖上覆風(fēng)化基巖厚度8.2～49.1 m。3–1煤層開采導(dǎo)水裂隙為40.8 m，導(dǎo)水裂隙將部分波及風(fēng)化基巖，可按照井底及井壁進(jìn)水的徑向二維–半球狀非完整井流公式(7)計(jì)算工作面疏放后動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量。

按照上述頂板含水層水疏放體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，改變以往工作面2巷道均勻布孔方式，根據(jù)含水層滲透性及疏放水鉆孔影響半徑在工作面兩巷道布置58個(gè)鉆孔，鉆孔均施工至導(dǎo)水裂隙范圍內(nèi)風(fēng)化基巖含水層終孔，工作面疏放水過程中對(duì)疏放水量及含水層水位進(jìn)行監(jiān)測。

從工作面疏放水量及含水層水位變化曲線(圖14)可知，工作面疏放7～8個(gè)月后，疏放水量及風(fēng)化基巖含水層水位衰減變化開始變小，逐漸緩慢至相對(duì)穩(wěn)定。疏放12個(gè)月后可認(rèn)為由疏放水形成的降落漏斗已穩(wěn)定，疏放水量穩(wěn)定至188 m3/h，含水層水位穩(wěn)定在+1 198 m。冒裂范圍內(nèi)風(fēng)化基巖含水層靜態(tài)儲(chǔ)存量疏放完畢，利用式(7)計(jì)算的工作面疏放后動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量約為200 m3/h，此時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量與疏放水量達(dá)到平衡狀態(tài)，認(rèn)為該工作面合理的超前疏放水時(shí)間為12個(gè)月。此時(shí)結(jié)束疏放水，避免了以往疏放水穩(wěn)定后繼續(xù)疏放的無效疏放水量，從疏放時(shí)間、疏放水量、疏放水鉆孔數(shù)量上實(shí)現(xiàn)了工作面煤層頂板含水層水的優(yōu)化疏放。

圖14 工作面疏放水量及含水層水位變化曲線

5 結(jié)論

a.分析了煤層頂板含水層受采礦擾動(dòng)形成涌水中靜態(tài)儲(chǔ)存量的釋放模式和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的補(bǔ)給來源，提出煤層頂板含水層涌水量的控制要素；靜態(tài)儲(chǔ)存量主要受來壓步距、冒裂影響區(qū)含水層厚度、給水度影響，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量主要受冒裂影響區(qū)外圍含水層厚度、滲透性流場中水力梯度和過水?dāng)嗝婷娣e控制。

b.依據(jù)煤層開采導(dǎo)水裂隙波及含水層程度，提出了煤層頂板含水層涌水的井底進(jìn)水的觸及井、井壁及井底進(jìn)水的非完整井和井壁進(jìn)水的完整井3種涌水模式，并給出了不同涌水模式下導(dǎo)水裂隙范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的計(jì)算公式。

c.提出了頂板含水層超前預(yù)疏放水量主要為冒裂區(qū)靜態(tài)儲(chǔ)存量，冒裂區(qū)高度控制鉆孔深度、單孔水位影響半徑控制鉆孔布置間距、鉆孔疏放水量穩(wěn)定時(shí)間控制超前疏放時(shí)間的疏放水鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，形成系統(tǒng)的頂板含水層水疏放體系。

[1] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林. 巖層控制的關(guān)鍵層理論[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

QIAN Minggao，MIU Xiexing，XU Jialin. The theory of key strata in ground control[M]. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2003.

[2] 梁世偉.薄基巖淺埋煤層頂板突水機(jī)理的研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(3)：21–24.

LIANG Shiwei. Research on roof water inrush mechanics of shallow coal seam with thin base rock[J]. Mining Safety & Environmental Protection，2013，40(3)：21–24.

[3] 劉東. 淺埋煤層頂板突水機(jī)理研究[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2017.

LIU Dong. Research on roof water inrush mechanics of shallow seam[D]. Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2017.

[4] 李超峰，虎維岳. 回采工作面頂板復(fù)合含水層涌水量時(shí)空組成及過程預(yù)測方法[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2018，45(3)：1–13.

LI Chaofeng，HU Weiyue. Prediction method of mine water inflow regime from a layered extra-thick aquifer[J]. Hydrogeology & Engineering Geology，2018，45(3)：1–13.

[5] 虎維岳. 淺埋煤層回采中頂板含水層涌水量的時(shí)空動(dòng)態(tài)預(yù)測技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(5)：91–96.

HU Weiyue. Water inflows prediction technique of water inflow from roof aquifer during extraction of shallow seam[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(5)：91–96.

[6] 劉洋，張幼振. 淺埋煤層工作面涌水量預(yù)測方法研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(1)：116–120.

LIU Yang，ZHANG Youzhen. Forecast method for water inflow from working face in shallowly buried coal seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2010，27(1)：116–120.

[7] 陳酩知，劉樹才，楊國勇. 礦井涌水量預(yù)測方法的發(fā)展[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào)，2009，6(1)：68–72.

CHEN Mingzhi，LIU Shucai，YANG Guoyong. The development of mining water inflow predict method[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics，2009，6(1)：68–72.

[8] 管恩太，武強(qiáng). 礦井涌水量預(yù)測評(píng)述[J]. 中州煤炭，2005(1)：7–8.

GUAN Entai，WU Qiang. The review on predicting mine discharge[J]. Zhongzhou Coal，2005(1)：7–8.

[9] 虎維岳，閆麗. 對(duì)礦井涌水量預(yù)測問題的分析與思考[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(1)：13–18.

HU Weiyue，YAN Li. Analysis and consideration on prediction problems of mine water inflow volume[J]. Coal Science & Technology，2016，44(1)：13–18.

[10] 黃歡. 錦界煤礦頂板水疏放技術(shù)優(yōu)化研究[D]. 北京：煤炭科學(xué)研究總院，2017.

HUANG Huan. Optimization research on dewatering technology of roof water in Jinjie mine[D]. Beijing：China Coal Research Institute，2017.

[11] 周振方，靳德武，虎維岳，等. 煤礦工作面推采采空區(qū)涌水雙指數(shù)動(dòng)態(tài)衰減動(dòng)力學(xué)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(9)：2587–2594.

ZHOU Zhenfang，JIN Dewu，HU Weiyue，et al. Double-exponential variation law of water-inflow from roof aquifer in goaf of working face with mining process[J]. Journal of China Coal Society， 2018，43(9)：2587–2594.

[12] 趙寶峰. 煤層頂板砂巖含水層疏放水效果評(píng)價(jià)[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(6)：36–38.

ZHAO Baofeng. Evaluation of drainage effect of roof sandstone aquifer of coal seam[J]. Mining Safety & Environmental Protection，2013，40(6)：36–38.

[13] 劉英鋒，郭小銘. 導(dǎo)水裂縫帶部分波及頂板含水層條件下涌水量預(yù)測[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(5)：97–101.

LIU Yingfeng，GUO Xiaoming. Prediction of water inflow in roof aquifer affected by water-flowing fracture zone[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(5)：97–101.

[14] 薛禹群. 地下水動(dòng)力學(xué)原理[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1986.

XUE Yuqun. Groundwater dynamics[M]. Beijing：Geological Publishing House，1986.

[15] 吳吉春，薛禹群. 地下水動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：中國水利水電出版社，2009.

WU Jichun，XUE Yuqun. Groundwater dynamics[M]. Beijing：China Water & Power Press，2009.

[16] 覃意新. 門克慶煤礦頂板疏放水設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[J]. 建井技術(shù)，2019，40(5)：11–15.

QIN Yixin. Optimized study on design of mine roof water drainage in Menkeqing mine[J]. Mine Construction Technology，2019，40(5)：11–15.

[17] 趙春虎，董書寧，王皓，等. 采煤工作面頂板含水層井下疏水鉆孔涌水規(guī)律數(shù)值分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(增刊1)：405–414.

ZHAO Chunhu，DONG Shuning，WANG Hao，et al. Analysis of water inrush from boreholes for drainage of confined aquifer by upward boreholes in underground coal mining face[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(Sup.1)：405–414.

Mine water inflow modes and scientific design of drainage boreholes in roof confined aquifer of coal seam

HU Weiyue1,2, JI Yadong1,2, HUANG Huan1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

Aiming at the uncertainty of mine water inflow mode, this paper analyzes the spatiotemporal variation characteristics of mine water inflow at first, and get a conclusion that the mine water is composed of static storage and dynamic recharge. And the static storage is mainly affected by weighting interval, the aquifer thickness of caving and fracture zone height and specific yield; the dynamic recharge is mainly affected by caving and fracture zone height and specific yield, hydraulic gradient in permeable flow field and discharge section area. According to the spatial relationships between water conducted fissure and roof aquifer of coal seam, the mine water inflow mode is classified into 3 types: partially penetrating well with water entering from well bottom, partially penetrating well with water entering from well bottom and wall, and completely penetrating well with water entering from well wall. And then the different calculation formulas of dynamic recharge for three mine water inflow modes are given based on groundwater seepage theory. For the large quantity drainage boreholes and excess quantity drainage, the optimal design concept of drainage borehole is proposed, which consists of caving and fracture zone height controlling boreholes depth, influence radius of single hole controlling borehole layout, and stable time of drainage controlling advanced drainage time, so as to optimize the layout of drainage water and drainage borehole, and establish the system of drainage of roof aquifers. The results offer an alternative for the scientific connotation of calculus formula and control methods for mine roof water inflow, which has practical guiding significance for prevention and control of mine roof water disaster.

roof aquifer of coal seam; static storage; dynamic recharge; mine water inflow mode; drainage boreholes optimization

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語音講解

TD742；TD745

A

1001-1986(2021)05-0139-08

2021-05-13；

2021-07-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0804100)

虎維岳，1963年生，男，甘肅鎮(zhèn)原人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，從事礦井水害防治技術(shù)研究與應(yīng)用工作. E-mail：huweiyue@ cctegxian.com

虎維岳，姬亞東，黃歡. 煤層頂板承壓含水層涌水模式與疏放水鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：139–146. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.015

HU Weiyue，JI Yadong，HUANG Huan. Mine water inflow modes and scientific design of drainage boreholes in roof confined aquifer of coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：139–146. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.05.015

(責(zé)任編輯 周建軍)