超千米埋深巷道淋水水源及變形機(jī)理分析

錢增江，戚春前，朱 斌

(1.開灤趙各莊礦業(yè)有限公司，河北唐山 063101;2.神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏海 016000;3.桂林理工大學(xué)廣西地質(zhì)工程中心區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

超千米埋深巷道淋水水源及變形機(jī)理分析

錢增江1，戚春前2，朱 斌3

(1.開灤趙各莊礦業(yè)有限公司，河北唐山 063101;2.神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏海 016000;3.桂林理工大學(xué)廣西地質(zhì)工程中心區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

趙各莊礦在－1100m水平開采過程中，在150m范圍的巖巷內(nèi)出現(xiàn)了頂部淋水和底鼓嚴(yán)重變形的現(xiàn)象。論文從開采破壞機(jī)理、地質(zhì)條件、水壓、水質(zhì)4個(gè)方面對巷道淋水水源與變形機(jī)理進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，超千米巷道由于開采深度、應(yīng)力集中造成水文地質(zhì)條件的變化已不同于淺部，在導(dǎo)致煤層底板地應(yīng)力重新分布，巷道圍巖發(fā)生變形的同時(shí)，還會造成奧灰水對上部砂巖裂隙水的間接補(bǔ)給，一旦有大型構(gòu)造發(fā)育，將會造成與奧灰水的直接導(dǎo)通，引發(fā)重大災(zāi)害。

超千米;淋水;變形機(jī)理;應(yīng)力集中

Analysis of Water Dripping and Deformation Mechanism in 1000m Depth Roadway

開灤趙各莊礦已延伸至十四水平，埋深達(dá)1254m，是全國最深的礦井之一。水文地質(zhì)條件屬極復(fù)雜型，受煤層底板高壓奧灰水和多層煤系含水層威脅。隨著開采水平向深部轉(zhuǎn)移，開采遇到水壓高、礦壓大、構(gòu)造復(fù)雜等諸多威脅礦井安全的難題。開采煤層受底板高壓奧灰水威脅的程度日趨加大。在十三水平東翼一石門的開采過程中，石門以西巷道出現(xiàn)頂部淋水和底鼓嚴(yán)重變形現(xiàn)象，給礦井生產(chǎn)形成了極大壓力。對巷道淋水水源和變形機(jī)理進(jìn)行研究，對指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

趙各莊礦十三水平東翼一石門區(qū)域處于井田東翼傾斜區(qū)，地層傾向?yàn)?10～215°，傾角25～34°。巷道、風(fēng)道開拓施工層位均在趙各莊灰?guī)r (K6)～唐山灰?guī)r (K3)之間。各層位情況詳見表1。

十三水平的含水層主要為砂巖裂隙含水層、奧灰?guī)r溶含水層。巷道的充水因素主要包括地質(zhì)構(gòu)造和深部采掘活動等因素。砂巖裂隙含水層以煤系地層K6灰?guī)r薄夾層－12煤間淺灰色中、粗砂巖層為主，地下水賦存類型為裂隙型。其中以5，7煤頂板含水性較強(qiáng)，9，12煤底板較弱。隨著開采活動的進(jìn)行，煤系地層含水層涌水在礦井涌水量中所占得比重逐步增加。奧灰?guī)r溶裂隙含水層為煤系地層基底，距最下一個(gè)可采煤層 (122煤層)105～140m，巖溶裂隙發(fā)育，水力聯(lián)系好，水壓高，對煤層開采構(gòu)成很大威脅［2］。

表1 趙各莊礦十三水平東翼地層情況

本區(qū)發(fā)育有東Ⅶ、東Ⅷ兩條斷層?？傮w上表現(xiàn)為拉開正斷層，一般均表現(xiàn)為單一斷層面。十三水平東Ⅶ斷層已向西延展至井口煤柱區(qū)域內(nèi)，在井口中石門揭露時(shí)落差較小，在十三水平巷道、風(fēng)道通過斷層延長區(qū)域時(shí)未見，說明該斷層沒有往深部層位發(fā)展;東Ⅷ斷層進(jìn)入十三水平后，在風(fēng)道、巷道開拓工程及采掘工程中均未見，僅局部出現(xiàn)煤層產(chǎn)狀變化、裂隙發(fā)育。本次出水地點(diǎn)位于東Ⅷ斷層及其分支的影響帶內(nèi)，前期勘探結(jié)果顯示該斷層不含水也不導(dǎo)水。

1.2 區(qū)域開采情況

本區(qū)為趙各莊礦十三水平東翼首采區(qū)，工作面位于十三水平東一石門上方60m。主要開采煤層為121及下伏122煤層。121煤層 (3122工作面)于2003年12月回采完畢，122煤層從2003年7月9日開始掘進(jìn)，2004年5月進(jìn)入回采。8月8日開始，巷道變形底鼓加劇，同時(shí)巷道淋水增大。8月18日停止了采掘活動。當(dāng)時(shí)3132西1面、西2面已收尾，西3面殘余長度50m，3132東1面、東2面已經(jīng)回采完畢，東3面已經(jīng)開始回采，殘余長度220m。具體采掘布置見圖1和圖2。

圖1 區(qū)域采掘工程布置

圖2 A－A 剖面

2 淋水區(qū)域水量、水壓變化情況

2.1 淋水區(qū)域水量變化情況

2006年7月27 日最初巷道淋水區(qū)域水量為0.02m3/min，之后淋水逐漸增大，范圍逐漸擴(kuò)展，到8月21日淋水范圍擴(kuò)展到1石門至石門以西150m處，總水量為1.2m3/min，之后淋水區(qū)總水量一般在1.1～1.6m3/min之間，水量基本穩(wěn)定(見圖3)，并且淋水范圍沒有變化。從2006年9月以后淋水區(qū)總水量開始減小，目前總水量穩(wěn)定在1.0m3/min左右。水量較大的鉆孔都集中在3132西面采動影響范圍內(nèi)，并且終孔位置都在13東巷道側(cè)向或側(cè)下，而周邊區(qū)域無論鉆孔層位深淺其水量均較小。

2.2 鉆孔水壓變化情況

圖3 淋水區(qū)域總涌水水量變化曲線

在十三水平東1石門以西巷道發(fā)生頂部淋水增大以后，先后對相鄰區(qū)域的十三水平西原2石門配電室 (孔深130.2m，終孔層位K1底)、十三水平西3道半 (孔深178.28m，終孔層位進(jìn)入奧灰0.6m)、十三水平東1～2石門之間3個(gè) (其中2個(gè)無水，1個(gè)孔深196.00m，終孔層位K1板)奧灰孔，十三水平東1石門以里下探孔進(jìn)行水壓觀測，其結(jié)果在0～0.2 MPa之間。十三水平東1石門以東30m處平探奧灰孔水壓從2006年8月15日進(jìn)行觀測，為2.9MPa，到8月24日最大為3.89 MPa，之后逐漸下降，到8月26日至9月3日期間穩(wěn)定為3.58～3.70 MPa之間。對十三水平東1石門以東70m處下探孔水壓從8月12日進(jìn)行觀測，為2.6MPa，到8月18日最大為3.70 MPa，之后逐漸下降，到8月26日至9月3日期間穩(wěn)定為3.2～2.9 MPa之間。從總的情況看，兩鉆孔水壓到達(dá)一個(gè)最高值后開始逐漸下降，并趨于穩(wěn)定。具體變化情況見圖4、圖5。

圖4 十三水平東1石門以東30m孔水壓變化曲線

圖5 十三水平東1石門以東70m孔水壓變化曲線

3 巷道變形情況

2003年，在煤層開采過程中，十三水平東1石門附近巷道已變形，曾多次進(jìn)行臥底，該段巷道自開拓移交以來，底鼓量達(dá)700mm。2004年5月，隨著采面由西向東推進(jìn)，巷道底鼓加劇，石門以西15～150m范圍，底鼓量達(dá)260mm，并伴隨巷道變形破壞、淋水加大，尤其90m左右巷道底鼓、變形最為嚴(yán)重。2004年8月13日開始對該區(qū)域進(jìn)行變形監(jiān)測。布設(shè)8組觀測點(diǎn)對巷道的底鼓、巷寬、巷高和巷頂以及巷道兩幫所設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的高程變化進(jìn)行觀測。觀測數(shù)據(jù)顯示，13日至20日十三水平東1石門以東50～100m變形比較嚴(yán)重。在117m位置所設(shè)的觀測點(diǎn)觀測結(jié)果底鼓最嚴(yán)重，底鼓值為73mm，巷道寬度縮小了20mm。從8月21日至9月19日變形觀測數(shù)據(jù)顯示，此范圍內(nèi)的巷道變形趨于緩慢，底鼓值最大為29mm，巷道寬度縮小了4mm。從9月20日至10月23日變形觀測數(shù)據(jù)顯示，1石門以西92m處底鼓最為嚴(yán)重，累計(jì)底鼓28mm，其他區(qū)域巷道變形緩慢。

4 淋水水源分析

4.1 地質(zhì)情況分析

本區(qū)域地層產(chǎn)狀、層位正常，無突變現(xiàn)象，122煤層至奧灰 (O2)頂界面間距為132.9m，屬正常間距。根據(jù)已有地質(zhì)資料，作為本區(qū)域的2條主要斷層?xùn)|Ⅶ、東Ⅷ，其主干斷層面在十三水平均未延伸至122煤層以下的層位，因此，可以認(rèn)為這2條斷層對122煤層底板隔水層完整性的影響較弱，但會造成深部區(qū)域局部裂隙比較發(fā)育。采掘工作面內(nèi)揭露的斷層，落差普遍較小，不會對煤層底板完整性構(gòu)成較大破壞。但由于十三水平大巷處于14煤－唐山灰?guī)r (K3)弱含水層之中，受采動逐漸影響，特別是122煤層的放頂煤影響，使122煤層以下至K3之間層位的原有裂隙連通性加強(qiáng)。

4.2 水壓分析

從水壓觀測結(jié)果來看，水壓大于2.0MPa的鉆孔都集中在十三水平東1石門附近，在區(qū)域開采過程中水壓逐漸加大，最大水壓為4.7MPa，并且終孔層位都在K2灰?guī)r附近。砂巖裂隙水壓一般小于1.0MPa，而周邊區(qū)域無論鉆孔層位深淺其水壓都在0～0.2MPa之間，說明十三水平東1石門附近鉆孔水壓大與同層位水壓關(guān)系不大，在縱向上與底部奧灰含水層產(chǎn)生了聯(lián)系。另外，十二水平東1石門西回風(fēng)巷90m和30m處鉆孔施工后，十三水平東翼以東30m處平探奧灰孔、70m處下探孔水壓都有所減小，說明該兩孔在水壓方面與十三水平東1石門淋水區(qū)有較大聯(lián)系。

4.3 水質(zhì)分析

十三水平巷道水量增大后，相繼取水樣150次進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)。將巷道淋滴水、附近鉆孔水分別與上水平奧灰水水質(zhì)進(jìn)行了比較。上水平奧灰水水質(zhì):鈣離子含量在60.85%～68.40%之間，鎂離子含量在24.18%～30.27%之間，硝酸根離子含量在8.14%～12.45%之間。水質(zhì)類型為重碳酸鈣鎂或重碳酸鈣型，鈣離子含量較高，硝酸根離子(NO3－)大于 8% 。

十三水平巷道淋水水質(zhì):在2005年7月27日剛出現(xiàn)淋水時(shí)，鈣離子含量為38.16%，鎂離子含量為42.44%，硝酸根離子含量為0%;從8月17日以后，鈣離子含量在37% ～52.3%之間，含量有所增加;鎂離子含量在42.08%～50.82%之間，硝酸根離子含量增加到1.03%～4.01%之間。通過分析對比發(fā)現(xiàn)，淋水不屬于真正的奧灰水，基本可以排除出水水源直接奧灰水補(bǔ)給。但其硝酸根離子含量又明顯高于砂巖裂隙水中的含量 (正常為0.02%左右)，說明淋水區(qū)水源有奧灰水間接滲透、參與。

另外，從十三水平1石門東30m水平、十三水平1石門配電室、十二水平1石門西回風(fēng)巷90m處、30m處新施工的探測孔水質(zhì)分析，其水質(zhì)變化趨勢與十三水平東巷道1石門以西淋水基本一致，說明上述各孔出水也有奧灰水間接滲透、參與。其他鉆孔水質(zhì)基本無變化，屬砂巖裂隙水。

4.4 綜合物探結(jié)果分析

采用高分辨礦井電法及瞬變電磁技術(shù)，對趙各莊礦十三水平東1石門附近巷道變形淋水段進(jìn)行了綜合物探。

(1)高分辨電法測深資料顯示，測量巷段內(nèi)存在4處低阻異常。其中，1號、2號異常在淋水巷段內(nèi)，低阻富水區(qū)域主要分布在巷道底板以下60m以淺，對應(yīng)地段深部奧灰?guī)r層富水性較弱。因此，異常區(qū)與奧灰含水層無直接水力聯(lián)系。

(2)瞬變電磁在十三東1石門巷道北幫共進(jìn)行了側(cè)方、斜下、斜上3個(gè)方向的探測。探測資料顯示，在包括出水巷段在內(nèi)的總計(jì)540m巷段內(nèi)，視電阻率曲線層狀反映明顯，整個(gè)測段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)奧灰水集中過水通道存在。此外，巷道斜上和斜下對比測量資料顯示，側(cè)上方巖層視電阻率明顯高于側(cè)下方，分析認(rèn)為是經(jīng)過一段時(shí)間淋水頂、底板巖層差異性疏水造成的。

綜合以上對淋水段地質(zhì)條件、鉆孔水壓、水質(zhì)以及異常區(qū)探測分析，由于十三水平東翼首采區(qū)較為特殊開采條件，導(dǎo)致122煤層底板至巷道之間地應(yīng)力重新分布，巷道圍巖發(fā)生變化，裂隙發(fā)育，奧灰水間接微弱滲入，從而引起巷道所處層位的水量、水壓加大，導(dǎo)致巷道淋水，淋水水源不屬于真正的奧灰水，但有奧灰水間接滲透、參與。

5 巷道變形機(jī)理分析

一般而言，煤礦開采過程中，巷道圍巖中引起的采動應(yīng)力達(dá)到原巖應(yīng)力的2～6倍時(shí)，容易造成巷道嚴(yán)重底鼓［4－5］。從生產(chǎn)布局來看，除回采工作面的采動對下伏巷道有一定影響外 (周期來壓步距26.30～32.30m)，原有巷道施工后也會造成巷道圍巖壓力重新分布。同時(shí)，趙各莊礦十三水平區(qū)域西邊界為井口煤柱、采區(qū)上山煤柱 (上山煤柱留設(shè)為40～66m)、采區(qū)西二面內(nèi)因構(gòu)造影響跳采，所留下的煤柱等各類煤柱的存在、造成了本區(qū)域應(yīng)力集中。而且，十三東1石門西翼采用放頂煤開采，開采強(qiáng)度大，造成采動壓力增加，也是導(dǎo)致巷道出現(xiàn)底鼓和變形的因素。本次巷道底鼓現(xiàn)象，具備了大采深、高應(yīng)力、采動及地下水滲流等諸多不利因素，是各種影響因素的綜合體現(xiàn)，其中采動條件下導(dǎo)致的地下滲流的影響應(yīng)是本次巷道變形的主要因素。目前巷道變形量不明顯，主要原因是巷道變形區(qū)域的采掘活動已結(jié)束，采動壓力逐漸減小。

6 結(jié)論

(1)因十三水平東翼首采區(qū)較為特殊開采條件，導(dǎo)致122煤層底板至巷道之間地應(yīng)力重新分布，巷道圍巖發(fā)生變化，裂隙發(fā)育，奧灰水間接微弱滲入，從而引起巷道所處層位的水量、水壓加大，導(dǎo)致巷道淋水。

(2)通過對開采破壞機(jī)理、地質(zhì)條件、水壓、水質(zhì)等多方面分析，經(jīng)過高分辨礦井電法及瞬變電磁技術(shù)驗(yàn)證，可以排除出水水源直接由奧灰水補(bǔ)給，但有間接滲透、參與。

(3)超千米巷道由于開采深度、應(yīng)力集中造成水文地質(zhì)條件的變化已不同于淺部。而大采深、高應(yīng)力、采動影響及地下水滲流影響是本次巷道變形的主要誘發(fā)因素。

［1］中國礦業(yè)大學(xué) (北京).唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司礦井地質(zhì)報(bào)告 (1999—2008)［R］.2009.

［2］李建民，等.趙各莊礦深部帶壓開采評價(jià)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005(10).

［3］河北煤炭科學(xué)研究所.趙各莊礦十三水平東一石門附近巷道綜合物探成果報(bào)告［R］.2005.

［4］姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等.深部開采中巷道底鼓問題的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(14):2396－2401.

［5］李學(xué)華，黃志增，楊宏敏，等.高應(yīng)力硐室底鼓控制的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35(3):296－300.

TD214

B

1006-6225(2012)03-0066-04

2012－04－25

錢增江 (1966－)，男，河北無極人，碩士，高級工程師，現(xiàn)任唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司副總工程師，主要從事礦井防治水工作。

［責(zé)任編輯張玉軍］

礦山壓力與災(zāi)害控制