寧武煤田焦家寨煤礦52108工作面突水危險(xiǎn)性分析

常 青

(同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司，山西 忻州 034114)

寧武煤田焦家寨煤礦52108工作面突水危險(xiǎn)性分析

常 青

(同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司，山西 忻州 034114)

焦家寨煤礦主采石炭系太原組2#、5#煤層，煤層底板奧灰承壓含水層是礦井防治的重點(diǎn)。本礦雖未發(fā)生過奧灰承壓水突水，但其相鄰礦井曾發(fā)生過奧灰突水事故。目前煤礦回采標(biāo)高最低的工作面為太原組下部的5#煤層52108工作面的突水系數(shù)值為0.056～0.063 MPa/m，在局部煤層底板構(gòu)造裂隙發(fā)育的區(qū)域存在突水風(fēng)險(xiǎn)。選擇音頻電穿透、直流電測深和無線電波透視三種物探方法，對工作面底板的富水性及隱伏構(gòu)造的發(fā)育情況進(jìn)行了探測，采用鉆探手段對物探異常區(qū)進(jìn)行了有針對性驗(yàn)證，結(jié)果表明，探查區(qū)域不存在導(dǎo)水構(gòu)造，工作面回風(fēng)巷1號、2號、3號出水點(diǎn)與奧灰承壓水無水力聯(lián)系；工作面底板隔水層比較完整，具有較好的隔水性能。該結(jié)論已被工作面回采所證實(shí)。

回采工作面；底板承壓水；物探探測，鉆探驗(yàn)證；危險(xiǎn)性分析

焦家寨煤礦位于山西寧武煤田東北部，井田面積17.0386 km2，批準(zhǔn)開采2#、3#和5#煤層。礦井采用立井、斜井混合開拓方式。采煤方法為走向長壁式，主要采用綜采放頂煤開采工藝，全垮落法管理頂板，有較完善的排水系統(tǒng)及強(qiáng)排系統(tǒng)。

焦家寨煤礦目前主采石炭系太原組2#、5#煤層?；夭蓸?biāo)高最低的52108工作面煤層底板標(biāo)高為+859～+900m，奧灰靜止水位1 144.32m，煤層底板隔水層承受的水頭壓力值為3.08～3.39 MPa，5#煤至奧灰頂面距離53m，突水系數(shù)值為0.056～0.063 MPa/m。奧灰承壓含水層為區(qū)域富水性強(qiáng)的承壓含水層，存在工作面回采期間或滯后底板承壓水突水的威脅，為此回采前必須對工作面進(jìn)行突水危險(xiǎn)性分析評價(jià)。

1 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

1.1 地層

礦區(qū)地層由老到新依次為下古生界奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界第四系。含煤地層為石炭系本溪組、太原組和二疊系山西組。全區(qū)可采和大部可采煤層共3層，自上而下編號為2#、3#和5#。主要可采煤層位于太原組，太原組平均厚度為96.11 m，其中，煤層總厚度為20.7 m，含煤系數(shù)為21.5%。

1.2 構(gòu)造

受區(qū)域構(gòu)造的控制，礦井內(nèi)地層走向NE、傾向NW，呈單斜構(gòu)造。地層傾角10°～15°，為緩傾斜地層。斷裂構(gòu)造較發(fā)育，落差3 m以上的大中型斷層有76條，落差20 m以上的斷層20條，落差小于3 m的小型斷層300余條。褶曲不發(fā)育，僅在西北部有一寬緩褶曲，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱，無巖漿侵入。

1.3 主要充水含水層及隔水層

焦家寨礦區(qū)處于下馬圈泉域水文地質(zhì)單元西南部徑流區(qū)。奧灰?guī)r溶水從井田西南部邊界流入，向東北方向流經(jīng)本井田，流入劉家梁井田。根據(jù)區(qū)內(nèi)含水層巖性特征及其地下水的賦存條件等因素，將井田含水層劃分為松散巖類孔隙含水層組、碎屑巖類裂隙含水層組、碎屑巖類夾碳酸鹽巖含水層組和碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層組。目前影響礦井安全生產(chǎn)的主要充水含水層為碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層組。該含水層組由寒武系和奧陶系中厚層角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r等巖石組成，夾泥質(zhì)灰?guī)r，以網(wǎng)狀溶蝕裂隙為主，溶洞次之，富水性強(qiáng)。補(bǔ)給來源主要為大氣降水和河水滲漏，徑流條件好，水量充沛，水壓大。單位涌水量0.78～18.52L/(s·m)，滲透系數(shù)1.86m/d，水位標(biāo)高+1 144.32m，水質(zhì)類型一般為HCO3·SO4-Ca·Mg型。

焦家寨煤礦5#煤層底板隔水層厚度為16.66～70.48 m，在煤層隔水層厚度或者底板中存在構(gòu)造帶的區(qū)域，底板奧灰水可能通過底板采動破壞帶涌入工作面。

2 工作面掘進(jìn)及探放水情況

2.1 掘進(jìn)情況

52108工作面位于521采區(qū)東翼，其西為521采區(qū)三條下山巷道，東以玉林河保護(hù)煤柱為界，南為52106已采工作面，北為原始煤層。

該工作面地面相對位置在玉林河西北方向，地面為山地地貌，無重要建筑物。工作面地面標(biāo)高+1 341～+1 427m。走向長度630m，傾向長度120m，面積75 600m2。5#煤層位于石炭系太原組下部，煤層厚度在10.5～13.5m，平均11.0m，結(jié)構(gòu)簡單，傾角7°～12°，平均傾角9°。掘進(jìn)編錄中未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂構(gòu)造、構(gòu)造裂隙帶及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，只在回風(fēng)巷開口向里500～530m處發(fā)現(xiàn)一個(gè)小型褶曲。

工作面直接頂為泥巖，平均厚度6.6m，黑色，堅(jiān)硬，性脆，最下部為碳質(zhì)泥巖，質(zhì)軟。偽頂為泥巖。老頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度1.7m，灰黑色，鈣質(zhì)膠結(jié)，夾薄層砂質(zhì)泥巖。工作面直接底為泥巖，平均厚度1.9m，黑色，破碎，含植物化石，中夾0.06m砂巖。老底為石灰?guī)r，平均厚度0.3m，黑色，有方解石脈，下部夾碎煤塊。

2.2 探放水情況

52108工作面是521采區(qū)埋深最大的工作面，工作面附近沒有小窯破壞積水區(qū)，主要充水含水層為煤層頂板弱砂巖裂隙含水層及同層52106采空區(qū)少量積水、頂部22106采空區(qū)積水和煤層底板奧灰承壓含水層。其中22106采空區(qū)積水及52106采空區(qū)積水在掘進(jìn)期間已經(jīng)編制了專門探放水設(shè)計(jì)，施工放水孔進(jìn)行過探放，不存在采空區(qū)積水威脅，頂板砂巖裂隙水為弱含水層，不會對回采造成安全威脅，目前主要水害威脅為奧灰承壓水。

工作面掘進(jìn)過程中，沒有揭露斷層及陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造。只發(fā)現(xiàn)一小型褶皺，但在掘進(jìn)期間出現(xiàn)過三處底板涌水，涌水量最大點(diǎn)為3m3/h。經(jīng)過掘進(jìn)期間疏排，各出水點(diǎn)涌水量明顯減少，對工作面生產(chǎn)沒有造成太大危害。

2016年9月將工作面涌水水樣及中央水倉清水井奧灰水樣送至山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心同時(shí)進(jìn)行水質(zhì)全分析(表1)。通過對比看出，工作面涌水與奧灰水主要區(qū)別在于Na+離子和總礦化度較高，說明工作面涌水的徑流條件不好，體現(xiàn)出一定砂巖水的特征。初步分析工作面涌水不完全是奧灰水。

3 工作面突水危險(xiǎn)性分析

3.1 物探分析

在分析礦井整體水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，結(jié)合工作面水文地質(zhì)特征和底板承壓水的充水機(jī)理、突水通道等因素，選擇音頻電穿透、直流電測深和無線電波透視技術(shù)三種方法，分別探查工作面底板下60m深度范圍內(nèi)的含、富水異常區(qū)分布特征及工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造的發(fā)育情況，同時(shí)再采用鉆探方法對物探結(jié)論及異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，以期達(dá)到查清工作面水文地質(zhì)條件，對其突水危險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)分析的目的。

表1 52108工作面涌水及中央水倉奧灰水水質(zhì)分析對比

3.1.1 工程布置

施工范圍為52108回風(fēng)巷620m，進(jìn)風(fēng)巷620m，總計(jì)1 240m。物探測點(diǎn)在52108工作面回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷布置，以10m為點(diǎn)距編號。兩巷與切眼的拐點(diǎn)均為0#點(diǎn)，沿巷道向工作面軌道下山方向均至62#點(diǎn)。

(1)音頻電穿透和無線電透視均在52108工作面回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)施工，設(shè)計(jì)兩順槽發(fā)射點(diǎn)的間距為50m，接收點(diǎn)距10m，共計(jì)26個(gè)發(fā)射點(diǎn)、124個(gè)坐標(biāo)接收點(diǎn)。針對每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在另一巷道與之對稱點(diǎn)附近一定區(qū)段進(jìn)行扇形掃描接收，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)一般對應(yīng)1 020個(gè)接收點(diǎn)。施工時(shí)采用F=15Hz、F=120Hz雙頻點(diǎn)進(jìn)行測量。

(2)直流電測深在52108工作面回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)施工，設(shè)計(jì)點(diǎn)距20m，共布置62個(gè)測點(diǎn)。

3.1.2 探查成果

探查結(jié)果如圖1～圖4所示。

3.1.2.1 斷面異常特征

從圖1看出，進(jìn)風(fēng)巷底板下共存在3處低阻異常區(qū)，命名為1、2、3號異常。1號異常位于0#點(diǎn)向東0～40、80～100、100～160m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強(qiáng)；其中80～100m異常主要集中在底板下50～60m。2號異常位于0#點(diǎn)向東220～240m，異常范圍相對較小，異常幅值相對較弱；異常主要集中在底板下40～60m。3號異常位于0#點(diǎn)向東430～480、500～540m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強(qiáng)。

從圖1還可以看出，回風(fēng)巷底板下共存在3處低阻異常區(qū)，命名為1、2、3號異常，其中1、2號異常連為一體，位于0#點(diǎn)向東40～60、80～200m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強(qiáng)；其中40～60m異常主要集中在底板下40～60、80～200m異常貫穿整個(gè)探測深度范圍。3號異常位于0#點(diǎn)向東350～450、460～490、520～620m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強(qiáng)。

3.1.2.2 平面異常特征

①音頻電穿透。圖2為主要反映5#煤底板下40m范圍內(nèi)砂泥巖的富水異常情況。從圖2可以看出：工作面底板下0～40m層段地層綜合電導(dǎo)率值為1.49～8.50(S/m)，平均值為3.66(S/m)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.54(S/m)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，選定異常閥值為4.0(S/m)，即綜合電導(dǎo)率值大于閥值的為異常區(qū)。據(jù)此可知，52108工作面0～40m層段范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3處異常區(qū)段，命名為1、2、3號異常。1號異常主要位于該工作面停采線附近，2號異常主要位于該工作面中部，3號異常主要位于該工作面里端。

圖3為主要反映5#煤底板下奧陶系灰?guī)r頂界面附近的富水異常情況。從圖3可以看出，工作面底板下40～60m層段地層綜合電導(dǎo)率值為1.16～7.99(S/m)，平均值為3.38(S/m)，標(biāo)準(zhǔn)偏差1.48(S/m)。同樣選定異常閥值為4.0(S/m)，據(jù)此發(fā)現(xiàn)，52108工作面40～60m層段共發(fā)現(xiàn)3處異常區(qū)段，命名為1、2、3號異常。1號異常主要位于該工作面停采線附近，2號異常主要位于該工作面中部，3號異常主要位于該工作面里端。

②無線電波透視。從圖4可以看出，在層析成像結(jié)果中主要存在：1、2、3號三個(gè)主要透視異常區(qū)。

1號透視異常區(qū)位于工作面靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，距進(jìn)風(fēng)巷0#點(diǎn)向東25～45m的隱伏區(qū)，該異常區(qū)對電磁波吸收衰減較強(qiáng)。推斷為受周邊開拓巷道的影響造成電磁波反射、衰減變大的反映。2號透視異常區(qū)位于工作面靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，距進(jìn)風(fēng)巷0#點(diǎn)向東110～140m的隱伏區(qū)，該異常區(qū)對電磁波吸收衰減較強(qiáng)。推斷為煤層底板鼓起使煤層裂隙發(fā)育或煤層厚度局部變薄的反映。3號透視異常區(qū)位于工作面靠近回風(fēng)巷一側(cè)，距回風(fēng)巷0#點(diǎn)向東500～530m，該異常區(qū)對電磁波吸收衰減較強(qiáng)。該異常區(qū)實(shí)際地層存在小構(gòu)造，褶皺發(fā)育。

3.1.3 三種方法異常對比分析

直流電測深和音頻電穿透對工作面底板下的含富水分布情況進(jìn)行了探測，兩種方法在各自平面異常圖或斷面異常圖中均發(fā)現(xiàn)3處低阻異常區(qū)域，異常區(qū)域位置和形態(tài)基本一致，兩種方法起到了相互印證的作用。直流電測深回風(fēng)巷3號異常中心位于深部并向淺部延伸，在垂向上異常有上下貫通，說明底板下巖層和奧陶系灰?guī)r之間具有一定的水力聯(lián)系。

工作面在掘進(jìn)過程中未揭露斷層，僅在回風(fēng)巷開口向里500～530m附近地層褶皺，該區(qū)域?qū)?yīng)3號透視異常區(qū)。

3.2 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)井下電法探查成果分析，52108工作面底板共存在3個(gè)異常區(qū)。鉆探驗(yàn)證主要探查異常區(qū)內(nèi)煤層底板垂深20m內(nèi)巖層的富水性、導(dǎo)水性及隱伏構(gòu)造發(fā)育程度。

圖1 52108工作面底板直流電法測深視電阻率斷面異常Figure 1 DC electric sounding apparent resistivity section anomalies in face No.52108 floor

圖2 52108工作面底板下0～40m音頻電穿透成果Figure 2 Audiofrequency electric perspective result from face No.52108 floor 0～40m below

圖3 52108工作面底板下40～60m音頻電穿透成果Figure 3 Audiofrequency electric perspective result from face No.52108 floor 40～60m below

圖4 52108工作面無線電波透視成果Figure 4 Radiowave penetration result from face No.52108

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，焦家寨井田5#煤層底板破壞深度約為14m。52108工作面煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂板隔水層厚度約為53m。為防止因鉆探發(fā)生奧灰水突水事故，同時(shí)降低因鉆孔封閉不良而后期開采時(shí)發(fā)生突水事故，本次鉆探鉆孔垂深定位20m。

3.2.1 鉆孔布置

根據(jù)圖7工作面共布置9個(gè)鉆孔，分別位于三個(gè)物探異常區(qū)內(nèi)。3#、4#鉆孔位于2號出水點(diǎn)附近，6#鉆孔位于1號出水點(diǎn)附近。鉆孔平面布置圖如圖5所示。各鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見附表2。

圖5 52108工作面底板鉆孔平面布置Figure 5 Face No.52108 floor boreholes layout

表2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.2 鉆探成果

根據(jù)9個(gè)鉆孔施工結(jié)果來看，均未出現(xiàn)鉆孔出水情況，整個(gè)鉆進(jìn)過程中不存在鉆井液消耗異常情況，煤層底板以下20m范圍內(nèi)的巖層相對完整，不存在嚴(yán)重破碎情況。

通過鉆探結(jié)果分析說明，探查區(qū)域不存在導(dǎo)水構(gòu)造，與奧灰水沒有水力聯(lián)系。出水點(diǎn)附近鉆孔鉆探過程中沒有發(fā)生出水情況，同時(shí)證明52108工作面回風(fēng)巷1號、2號、3號出水點(diǎn)與奧灰承壓水無水力聯(lián)系。鉆探結(jié)果還說明52108工作面底板隔水層比較完整，具有較好的隔水性能。

鉆探成果與物探結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

截止到2017年6月，52108工作面已經(jīng)回采半年，回采走向長度230多米，在回采過程中未出現(xiàn)底板承壓水涌水或滯后突水的危險(xiǎn)，說明工作面評價(jià)結(jié)論符合實(shí)際水文地質(zhì)條件，工作面突水危險(xiǎn)性評價(jià)方法選擇科學(xué)、合理，技術(shù)途徑正確，在實(shí)際中具有指導(dǎo)意義。

[1]武強(qiáng)，解淑寒，裴振江，等.煤層底板突水評價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅲ-基于GIS的ANN型脆性指數(shù)法應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007,32(12):1301-1306.

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[3]Bieniawski Z T,et al.MINING ENGINEERING HANDBOOK.New York;WILEY,1994.

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[7]中國煤炭地質(zhì)總局華盛水文地質(zhì)勘查工程公司第三分公司.軒崗煤電公司劉家梁煤礦513運(yùn)輸石門、運(yùn)輸上山水文地質(zhì)探查報(bào)告[R].山西忻州：同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司，2009.

[8]煤炭科學(xué)研究總院西安研究院.軒崗煤電公司劉家梁煤礦5124工作面水文地質(zhì)條件初步評價(jià)報(bào)告》.山西忻州：同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司.2010.

[9]煤炭科學(xué)研究總院西安研究院.軒崗煤電公司劉家梁煤礦開采破壞深度監(jiān)測報(bào)告[R].山西忻州：同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司.2010.

[10]煤炭科學(xué)研究總院西安研究院.軒崗煤電公司劉家梁煤礦開采破壞深度試驗(yàn)監(jiān)測報(bào)告[R].山西忻州：同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司，2010.

[11]煤炭科學(xué)研究總院西安研究院.軒崗煤電公司劉家梁煤礦512采區(qū)煤層底板隔水層主應(yīng)力測試報(bào)告[R].山西忻州：同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司，2010.

[12]中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司.軒崗煤電有限責(zé)任公司焦家寨煤礦帶壓開采條件分析評價(jià)報(bào)告[R].山西忻州：同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司，2014.

[13]中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司.軒崗煤電有限責(zé)任公司焦家寨煤礦水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告[R].山西忻州：同煤集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司，2014.

FaceNo.52108WaterBurstingHazardAnalysisinJiaojiazhaiCoalmine,NingwuCoalfield

Chang Qing

(Xuangang Coal & Power Co. Ltd., Datong Coal Mine Group, Xinzhou, Shanxi 034114)

The Jiaojiazhai coalmine is mainly exploiting coal Nos.2 and 5 in the Taiyuan Formation. The coal floor Ordovician confined aquifer is the focused point in coalmine water control. Although the coalmine has never had an Ordovician limestone confined water bursting, but neighboring coalmines have had. At present, the water bursting coefficient is 0.056～0.063MPa/m in face No.52108 of coal No.5 with the lowest winning level of the coalmine; water bursting hazard is existed in coal floor fissure well developed areas locally. To use three geological prospecting methods of audiofrequency electric perspective, DC electric sounding and radiowave penetration carried out prospecting for working face floor water yield property and buried structures development; then targeted drilling verified geophysical abnormal places. The result has shown that in prospecting area have no water conducted structures existed; without hydraulic connection between water exit points of working face air-return way Nos.1, 2, 3 and Ordovician confined water; face floor aquifuge relatively integrated with better water-resisting property. The conclusions have been affirmed by working face extraction.

production face; floor confined water; geophysical prospecting; drilling verification; hazard analysis

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.08

1674-1803(2017)10-0046-05

A

(1966—)，男，工程師，一直從事煤礦地質(zhì)和防治水技術(shù)工作。

2017-01-05

責(zé)任編輯：樊小舟