安陽煤礦水文地質(zhì)條件評價及防治水技術(shù)研究*

孫潔

（中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054）

安陽煤礦水文地質(zhì)條件評價及防治水技術(shù)研究*

孫潔

（中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054）

摘要：針對安陽煤礦深部5號煤層開采可能受到的水害威脅，利用“三圖-雙預(yù)測”評價體系和“突水系數(shù)”評價方法，分析首采面5號煤開采所面臨的主要水害問題，并有針對性地提出超前綜合物探探查、鉆探驗證，頂板水疏放，底板注漿加固及排水系統(tǒng)建設(shè)等綜合防治水技術(shù)與對策，以確保礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)條件評價；奧陶系灰?guī)r；帶壓開采；底板注漿加固

安陽礦位于陜西省澄合礦區(qū)東南部，是礦區(qū)范圍內(nèi)進行資源整合的新礦井，主采煤層為山西組5號煤。在煤層開采過程中，礦井受到頂板砂巖水和底板灰?guī)r水雙重水害威脅。其中，底板奧陶系灰?guī)r含水層作為對礦井威脅最大的含水層，嚴重制約了整合后礦井的發(fā)展。因此，需要盡快查清礦井水文地質(zhì)條件，明確水害防治對象，并提出可行的防治水技術(shù)手段，從頂?shù)装逅C合防治出發(fā)，保證礦井安全生產(chǎn)。

1　礦井及首采面概況

安陽煤礦是澄合礦務(wù)局礦區(qū)東部資源整合礦井，處于渭南合陽縣境內(nèi)。井田南北寬約3.3 km，東西長約8.0 km，面積約為24.57 km2。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1.20 Mt/a，礦井服務(wù)年限為38.4 a，主采5號煤，厚度為0.32 m～10.27 m，一般厚4.50 m左右，采用長壁式采煤法，垮落式管理頂板，采用綜合機械化放頂煤采煤工藝。

井田共分三個采區(qū)，首采區(qū)位于井田中部，首采工作面為1505工作面。工作面位于井田首采區(qū)西部，走向長1 600m，傾斜長150 cm，開采山西組5號煤，煤層底板標高+317 m～+365 m，平均約+345.01m，煤層傾角1°～12°，平均約5°。

2　地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1礦井地質(zhì)條件

礦井整體構(gòu)造形態(tài)為一箕狀向斜，內(nèi)部尚發(fā)育一些次一級的小型背向斜，幅度在幾十米左右，傾角也都小于10°。同時，區(qū)域內(nèi)部發(fā)育少量斷層，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，井田首采區(qū)內(nèi)共揭露斷層8條，如圖1所示。

圖1　井田內(nèi)首采區(qū)斷層分布圖

2.2礦井水文地質(zhì)條件

礦井范圍內(nèi)煤層開采有影響的含水層可劃分為孔隙含水層、基巖裂隙含水層及巖溶裂隙含水層三種類型。由上至下依次為：①孔隙水（松散沉積層孔隙水及孔隙裂隙水），第四系孔隙潛水；②基巖裂隙水，上石盒子組底部K5砂巖含水層、下石盒子組底部KD砂巖含水層、山西組底部K4砂巖含水層、太原組砂巖含水層K3；③巖溶裂隙水，太原組K2灰?guī)r含水層、奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

井田內(nèi)沒有穩(wěn)定的隔水層存在，根據(jù)其巖性特征可劃分為相對隔水層的地層有：二疊系山西組地層，組成隔水層的巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層及粉砂巖。含、隔水層位置關(guān)系如圖2所示。

圖2　安陽井田含、隔水層位置關(guān)系圖

3　工作面水文地質(zhì)條件

3.1充水水源分析

安陽礦1505首采工作面回采過程中，可能的充水水源包括地表水、煤層頂板水、煤層底板水、老空水等。

由于其煤層埋深大，頂板導(dǎo)水裂隙帶高度均小于5號頂板基巖厚度，因此地表水基本不會影響工作面開采；對于煤層頂板，主要影響含水層為上石盒子組K5砂巖含水層、下石盒子組底部KD砂巖含水層、山西組底部K4砂巖含水層；煤層底板主要影響含水層為太原組K2灰?guī)r含水層，奧陶系灰?guī)r含水層是對礦井威脅最大的含水層。

3.2工作面頂板水害分析

煤層回采形成的頂板擾動破壞帶是頂板水進入工作面的主要通道。通過對首采面5號煤開采形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行計算，分析其可能波及的上覆含水層。

對于綜放開采條件下煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計算公式尚未有統(tǒng)一的定論，考慮到相鄰?fù)醮宓V有頂板導(dǎo)水裂縫帶高度實測資料，本次研究采用該實測成果裂采比為21.11倍進行比擬分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3　首采面及附近區(qū)域5號煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度等值線圖

由圖3可以看出，首采工作面范圍及周邊頂板導(dǎo)水裂縫帶高度為94.78 m～135.10 m，平均約113.99m?？傮w呈現(xiàn)出由東到西逐漸變厚的趨勢。

圖4　首采面及附近區(qū)域5號煤層頂板至K5含水層底板等厚線圖

利用地質(zhì)勘探成果分析可知，K4和KD砂巖含水層由于距離煤層頂板較近，均在頂板導(dǎo)水裂縫帶波及范圍之內(nèi)。然而，K5砂巖含水層離煤層距離相對較遠，采用“三圖-雙預(yù)測”理論煤層頂板含水層涌（突）水評價方法進行分析。煤層頂板到含水層距離分析如圖4所示，利用圖4和圖3綜合分析得出頂板K5含水層受波及范圍及涌（突）水危險性評價，如圖5所示。

圖5　首采面及附近區(qū)域5號煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通K5厚度等值線圖

由圖5可知，1505工作面中部受K5含水層影響較為嚴重，兩端基本不受含水層影響。

綜合分析可知，安陽礦煤層頂板主要導(dǎo)水通道為頂板導(dǎo)水裂縫帶。受此影響，煤層開采后，工作面全部范圍內(nèi)受到頂板K4和KD砂巖含水層影響，部分范圍受K5含水層影響。

3.3工作面底板水害分析

5號煤底板水包括太原組K2灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r水。根據(jù)首采面5號煤層底板等高線及區(qū)域含水層水文地質(zhì)條件分析可知，首采1505工作面全區(qū)均為帶壓開采。根據(jù)區(qū)域底板破壞深度測試分析，煤層底板破壞深度為10.75m～13.87 m，首采區(qū)內(nèi)K2含水層與5號煤層間距約為12 m～20 m，工作面5號煤層開采引起的底板擾動可能會影響到K2含水層，該含水層成為底板主要充水含水層。但是，由于K2含水層厚度相對較小，富水性較弱，在不溝通奧灰含水層前提下對礦井威脅不大。

奧陶系灰?guī)r含水層是對華北型煤田下組煤開采威脅最大的含水層。通過首采1505工作面范圍內(nèi)底板突水系數(shù)，見圖6，可知在工作面范圍內(nèi)突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，工作面區(qū)域內(nèi)均為相對安全區(qū)。

圖6　首采面及附近區(qū)域5號煤層底板奧灰突水系數(shù)等值線圖

由此可知，安陽礦首采工作面范圍內(nèi)底板主要充水水源為K2灰?guī)r含水層。同時，潛在導(dǎo)水通道是溝通奧灰含水層與K2的主要途徑，使得奧灰含水層成為工作面生產(chǎn)潛在威脅含水層。

4　工作面防治水工程

針對前期水文地質(zhì)條件及水害分析，制定出相應(yīng)的防治水措施：利用頂板疏放水鉆孔對頂板受波及含水層富水區(qū)域進行疏放，同時采用底板注漿改造工程對底板K2含水層富水異常進行注漿改造，封堵底板潛在導(dǎo)水通道并改造K2含水層。設(shè)計工程主要有物探工程、鉆探及含水層疏放工程、注漿工程及排水系統(tǒng)工程4個部分，其中探查工程包括針對首采區(qū)地面三維地震、地面瞬變電磁及針對工作面的井下直流電法。

4.1物探工程

通過實施相應(yīng)的地球物理勘探工程，對工作面構(gòu)造及各含水層富水情況進行了探查。地面三維地震勘探解釋了首采面構(gòu)造發(fā)育情況及煤層底板起伏形態(tài)及厚度。地面瞬變電磁勘探解釋了頂板各含水層的主要富水區(qū)域、富水異常區(qū)在垂向上（如K5砂巖含水層、K4砂巖含水層、以及5號煤頂板砂巖含水層）變化程度；底板K3含水層、5號煤底板下25 m范圍的主要富水區(qū)及奧灰頂面下25 m范圍的富水異常區(qū)范圍。礦井直流電法探測煤層頂板和底板不同深度的低阻異常區(qū)。

4.2鉆探及含水層疏放工程

1505工作面頂板水疏放工程布置綜合考慮工作面直流電法勘探頂板低異常區(qū)、工作面初次來壓步距及地下水流場特征，共施工兩個疏放水鉆場，鉆孔布置如圖7所示。

圖7　首采工作面頂板疏放水鉆孔布置平面圖

通過長期疏放，一號鉆場累計放水量143 063 m3，之后鉆孔水量基本穩(wěn)定在23m3/h。二號鉆場位于回風(fēng)順槽距切眼約60 m處，累計放水量40 556 m3，累計放水395天之后水量基本穩(wěn)定至2.5m3/h。頂板含水層疏放基本達到安全回采要求，疏放效果較為明顯。

4.3底板注漿工程

參考工作面井下直流電法探測結(jié)果，對1505工作面開展5號煤層底板K2含水層探查及注漿加固改造工程。共設(shè)計14個底板注漿硐室，注漿鉆孔36個，各孔終孔層位為底板下垂深25 m處。在施工過程中，工作面南部部分區(qū)域涌水量較大，吃漿量較大，漿液為粘土-水泥漿液，比重1.2～1.3，水泥占粘土的20%～30%，填充骨料為海帶鋸末。

所有鉆孔注漿完畢，對工作面注漿工程進行效果檢驗。對注漿后依然富水異常的區(qū)域進行加密鉆孔或透孔重新注漿，漿液與第一次注漿漿液相同。通過底板二次注漿改造，徹底改造底板K2含水層富水異常區(qū)，同時對潛在奧灰與K2含水層通道進行了治理。

4.4排水系統(tǒng)建設(shè)工程

1505工作面的排水系統(tǒng)分別在進風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽各鋪設(shè)2趟φ150mm排水管路，工作面進風(fēng)順槽設(shè)立一個水倉及三個臨時中轉(zhuǎn)水倉，工作面回風(fēng)順槽設(shè)立1個臨時水倉及5個臨時中轉(zhuǎn)水倉，共配備19臺水泵，排水能力共計690m3/h。

通過實施上述防治水措施，礦井工作面目前回采230 m，工作面涌水量僅10 m3/h，實現(xiàn)礦井首采工作面安全高效開采。

5　結(jié)束語

1）通過分析區(qū)域及礦井水文地質(zhì)條件，利用“三圖-雙預(yù)測”評價體系和“突水系數(shù)”評價方法，確定影響安陽煤礦1505首采工作面5號煤層開采的含水層主要為頂板K4、KD、K5砂巖裂隙含水層和底板K2灰?guī)r含水層。底板奧陶系灰?guī)r含水層是對工作面開采威脅最大的含水層。

2）對工作面水害威脅評價成果進行分析，制定出頂?shù)装寰C合防治水體系。在工作面回采前對5號煤層采動影響波及到的頂板含水層進行預(yù)疏放，同時對底板K2含水層進行注漿加固，增加有效隔水層厚度，實現(xiàn)5號煤層的奧灰?guī)洪_采。

3）首采工作面的順利回采證明了綜合利用物探探查、鉆探驗證工程，頂板含水層預(yù)疏放工程、底板注漿加固工程及排水系統(tǒng)建設(shè)等手段進行頂?shù)装逅C合防治是可行的，可在國內(nèi)外相似條件的華北型煤田進行推廣應(yīng)用。

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（編輯：楊鵬）

中圖分類號：TD 741

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-001-05

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.001

收稿日期：2016-01-13

基金項目：國家自然科學(xué)基金（煤礦區(qū)地下水中天然有機質(zhì)的量化表征及遷徙轉(zhuǎn)化機理41302214）

作者簡介：孫潔（1986-），女，陜西韓城人，碩士，助理工程師，從事礦井防治水工作。

Hydrogeological Condition Evaluation and W ater Control Technology in Anyang M ine

SUN Jie
（Xi'an Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Xi'an 710054，China）

Abstract：No.5 coal seam mining in Anyang Mine could be threatened bywater hazards.With the evaluation system，three-graph-double-prediction，and the evaluation method on water burst coefficient，major water hazards faced by the initial mining face were studied.A comprehensive water control technology was proposed，including in-advance geophysical detection，drilling verification，roof water draining，floor grouting reinforcement，and water drainage system construction，to guarantee the safe production in themine.

Keywords：hydrogeological condition evaluation；Ordovician limestone；aquifer mining；floor grouting reinforcement