侏羅系煤層工作面頂板涌水技術探析

摘 要：礦井涌水量的準確預測是礦井防治水工作的基礎和依據，針對躍進煤礦2-1煤開采時的頂板水害問題，利用水文地質比擬法和解析法預測頂板砂礫巖的正常涌水量和最大涌水量，為水害的防治提供了可借鑒的技術保障，同時為其他類似水文地質條件的采區(qū)工作面的涌水量預測提供科學依據。

關鍵詞：涌水量；比擬法；解析法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.060

0 引言

河南大有能源躍進煤礦目前主要在23采區(qū)和25采區(qū)生產，主采煤層為侏羅系2-1煤和2-3煤，最大開采深度大于900m，自2001年以來，頻繁發(fā)生了頂板砂巖的突水事故，隨著開采深度的增大，面臨著越來越嚴重的頂板砂巖裂隙水水害威脅問題，以躍進礦25110工作面為典型，利用地質和水文地質資料分析工作面頂板水的突水特征，估算涌水量[1-3]，為工作面排水方案的制定提供了有力的科學保證。

1 工作面概況

躍進煤礦25采區(qū)主采2-1煤層，其頂板發(fā)育有大面積巨厚的侏羅系上、中統砂礫巖孔隙裂隙含水層，盡管接受淺部含水層和大氣降水補給微弱，加之巖性結構致密整體上屬弱含水層，但在局部構造裂隙發(fā)育地帶存在富水條帶，并且由于含水層儲水空間較大，地下水靜儲量較豐富，生產過程中，當采動裂隙帶溝通富水條帶時，就會發(fā)生頂板滴淋水。

25110工作面位于躍進煤礦25采區(qū)東翼，采用綜放工藝，與之相鄰且地質和水文地質條件相似的25080、25090工作面，在回采過程中均發(fā)生頂板砂礫巖裂隙水（以下簡稱頂板水）突水現象，其中25080和25090工作面總涌水量分別為260萬m3和8.8萬m3，25080工作面曾因頂板突水而被迫停產，因此頂板水對礦井的安全生產威脅巨大。 25110工作面在地面瞬變電磁勘探時，已探測有4個富水異常區(qū)[4]，頂板水嚴重影響和威脅礦井的安全生產。

2 影響涌水量的主要因素分析

2.1 頂板冒裂帶高度估算

躍進礦井2-1煤層直接頂板為泥巖，但是上覆老頂巖層屬于細紗巖和砂礫巖，抗壓強度高，頂板采用全陷落法管理。因此選用煤層覆巖為堅硬巖層類型公式進行計算頂板冒裂帶高度：

25110工作面煤層厚度約11m，計算表明，采動冒裂帶高度為81.3m，回采后將影響到上覆中侏羅系砂礫巖段含水層，預計采動過程中煤層頂板85m范圍內的含水層中賦存水都將隨著工作面的開采而涌入礦井。

2.2 充水水源分析

排除了大氣降水、地表水和底板水后，經過系統分析認為其突水水源有兩種：一是周邊的老空水，主要是指東鄰常村礦老空水；另一是頂板含水層水。根據收集及專門檢測的水質資料并經系統分析，確定常村礦老空水的水質類型或為HCO3·SO4-Na·Mg型或為SO4·CL-Mg型，而躍進礦工作面突水的水質類型為HCO3-Na型，由此基本排除周邊老空水的影響，又根據水文地質鉆孔中所取的侏羅系中統砂礫巖含水層水樣的水質化驗資料，發(fā)現工作面涌水的水質類型與頂板含水層的相一致，所以可以確定頂板水害源自煤層老頂的砂礫巖層裂隙水。

據頂板冒裂帶發(fā)育高度的預測及充水水源分析[5]，工作面頂板涌水水源應為頂板砂礫巖含水層，因此頂板涌水量僅為頂板砂礫巖含水層的涌水。

3 工作面涌水量預測過程

3.1 水文地質比擬法

根據25090工作面水文地質參數的礦井涌水量，通過相似比擬關系，近似地推算20110的涌水量。 25090工作面煤層頂板砂礫巖含水層存在富水條帶，且發(fā)生了較大的突水，因此可以依據砂礫巖富水區(qū)的面積預測工作面的涌水量。水文地質比擬法預測工作面正常涌水量的公式為：

Q0——已知的工作面正常涌水量，m3/h；F——工作面富水區(qū)面積，m2；F0——已知的工作面富水區(qū)面積，m2。25090工作面富水區(qū)面積約為32040m2、正常涌水量60m3/h，25110工作面富水區(qū)面積約為73870m2，將有關參數代入計算公式，可得25110工作面的正常涌水量為138.33m3/h。

3.2 解析法

（1）數學模型的建立。根據水文地質勘探資料，將原含水層概化為理想的均質、等厚含水層。同時將礦井工作面概化為一個理想的“圓形大井”。據鄰區(qū)3402鉆孔抽水試驗資料：q=0.0056L/s·m，K=0.0312m/d，水位標高+439.69m，屬弱富水含水層。

當頂板砂礫巖裂隙承壓水疏水時，水位將降至含水層底板以下，含水層內承壓水變?yōu)闊o壓水，因此采用承壓轉無壓的“大井法”公式計算頂板涌水量：

K——滲透系數，m/d；H——疏降水頭高度，根據水位標高和工作面標高計算，m；M——含水層厚度，m；h——工作面內水位標高，0m；——預測區(qū)折算半徑折算系數，1.075；a——工作面設計走向長度，1200m；b——工作面設計傾向長度，150m。r0——工作面的折算半徑，362.8m；R——影響半徑，m；R0——引用半徑，m。

（2）礦井涌水量計算。將有關參數代入所建立的數學模型，可以預測25110工作面的正常涌水量為126.4m3/h。見表1

3.3 預測結果評價

以上用兩種方法對25110工作面頂板砂礫巖含水層的正常涌水量進行了預測，可以看出：兩種方法預測的工作面頂板正常涌水量差別不大，可以用來指導生產實際，取最大值為138.33m3/h。

根據河南省其他礦區(qū)的經驗數據，最大涌水量一般為正常涌水量的1.2～1.4倍。鑒于頂板砂礫巖含水層涌水量的難以預測性，故躍進礦井25110工作面的最大涌水量為193.66m3/h。

4 結束語

煤層頂板砂巖水是采（掘） 工作面直接充水水源，由于頂板砂巖裂隙含水層富水性弱且不均勻，具有出水時間短，水量迅速增大，儲量以靜儲量為主等特點，雖然不會造成淹井事故，但常給采煤工作面的正常生產帶來危害，選擇合理的水文地質參數和數學模型預測工作面頂板水正常涌水量和最大涌水量，可為防治水措施的制定提供科學的理論依據，為水害的防治提供了可靠的技術保障。

參考文獻：

[1]郭武松，楊帆.巴愣礦井水文地質特征及礦井涌水量預測 [J]. 山西焦煤科技，2013（07）：17-20.

[2]郭天輝，樊雪蓮.寧夏紅柳煤礦水文地質特征及首采工作面涌水分析[J].中國煤炭地質，2012，24（05）：30-34.

[3]杜敏銘，鄧英爾，許模.礦井涌水量預測方法綜述[J].四川地質學報，2009，29（01）：70-74.

[4]張良，王心義，賈宏昭等.瞬變電磁技術在頂板砂礫巖富水區(qū)探測中的應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38（01）：27-30.

[5]楊海軍，王廣才.煤礦突水水源判別與水量預測方法綜述[J].煤田地質與勘探，2012，40（03）：48-54.

作者簡介：陳廣強（1972-），漢族，山西芮城人，本科，助理工程師，研究方向：礦山地測防治水技術。