山西經(jīng)坊煤礦3-807工作面頂板富水異常區(qū)驗(yàn)證及涌水量預(yù)算

李強(qiáng)強(qiáng)

(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西 長(zhǎng)治 046011)

煤礦的開(kāi)采總是伴隨著各種水害的威脅，頂板砂巖裂隙為重要的水害之一[1]。煤礦開(kāi)采過(guò)程中做好頂板水的探放，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[2]。經(jīng)坊煤礦3號(hào)煤層頂板砂巖富水性具有不均一性，工作面回采過(guò)程中涌水量變化較大，對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)的排水產(chǎn)生了影響[3-4]。通過(guò)分析煤礦3-807工作面地面電法解釋的頂板砂巖富水異常區(qū)、構(gòu)造及可能的富水砂巖層段，布設(shè)探放水鉆孔，對(duì)3-807頂板砂巖水進(jìn)行井下鉆探探放，對(duì)各探放水鉆孔出水深度、層位及水量進(jìn)行分析，找到合理布設(shè)井下探放水鉆孔的原則，并對(duì)探放水后工作面回采過(guò)程中的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 礦井地質(zhì)

1.1 地層

礦井位于沁水煤田東南部，地表大部為第四系黃土所覆蓋，僅有零星基巖露頭，地層由老至新為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組， 新近系上新統(tǒng)，第四系中上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。

1.2 含煤地層

礦井內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。含煤地層總厚158.46m，煤層平均總厚16.31m，可采煤層厚13.76m。

山西組厚度38.14～72.90m，平均56.58m，含可采煤層1層，為3號(hào)煤層。太原組厚度73.93～123.95m，平均102.74m，含煤10層，可采煤層4層，為8-2、9、14和15號(hào)煤層，含煤平均總厚10.03m。

經(jīng)坊煤礦目前只開(kāi)采3號(hào)煤層。該煤層位于山西組中下部，上距K8砂巖標(biāo)志層24.60～51.55m，平均37.13m，層位穩(wěn)定。煤層厚度3.27～7.95m，平均6.28m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-較簡(jiǎn)單，有時(shí)含有0～2層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸，夾矸厚度0～0.40m，下層夾矸一般距煤層底板0.55～1.10m。煤層偽頂一般為泥巖，時(shí)有炭質(zhì)泥巖，隨采隨落；直接頂板一般為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，放頂后隨之垮落；老頂為砂巖，膠結(jié)堅(jiān)硬，強(qiáng)度較大[5]。底板多為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)粒砂巖，多年生產(chǎn)中沒(méi)有出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。該煤層屬全礦井穩(wěn)定可采煤層

1.3 構(gòu)造

礦井位于晉(城)-獲(鹿)斷褶帶與武(鄉(xiāng))-陽(yáng)(城)凹褶帶之間，受區(qū)域構(gòu)造帶的控制。礦井總體上為一向NW傾伏的單斜構(gòu)造[6]。礦井發(fā)育有次一級(jí)低序次構(gòu)造，主要表現(xiàn)為走向NE的斷裂和寬緩褶曲，斷層總體傾角70°～75°。無(wú)巖漿活動(dòng)。3-807工作面中部為上村向斜軸部(軸向?yàn)镾30°W)，兩側(cè)為該向斜兩翼(地層傾角5°以下)。

2 工作面水文地質(zhì)

3-807工作面位于經(jīng)坊煤礦八采區(qū)，標(biāo)高460～560m。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1985m，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為110m，開(kāi)采煤層為二疊系山西組3號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存比較穩(wěn)定。工作面中部為一向斜軸部。工作面在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有淋水現(xiàn)象，充水水源為頂板砂巖裂隙水[7]。另?yè)?jù)工作面地面電法勘查工程報(bào)告，在3-807工作面上部發(fā)現(xiàn)富水異常區(qū)(圖1)。

圖1 工作面富水異常區(qū)分布及探放水鉆孔布置Figure 1 Face water yield abnormal places distribution and exploration, drainage boreholes layout

3-807工作面3號(hào)煤層回采時(shí)，對(duì)礦井充水有影響的含水層主要有以下4層：

1)二疊系上統(tǒng)上石盒子組K10砂巖含水層。區(qū)內(nèi)K10砂巖呈厚層狀，中、細(xì)粒砂巖，以中粒砂巖為主，局部發(fā)育細(xì)粒砂巖，分選差，為裂隙含水層，平均厚度為7.35m，局部富水性較強(qiáng)，距3號(hào)煤層頂板平均108.30m。

2)二疊系下統(tǒng)下石盒子組上部K9砂巖含水層。區(qū)內(nèi)K9砂巖為中厚層狀，中、粗粒砂巖，分選中等，磨圓度差，多為鈣質(zhì)膠結(jié)，局部松散結(jié)構(gòu)，屬裂隙含水層，厚度為6.75m，下距3號(hào)煤層頂板平均48.20m。

3)二疊系下統(tǒng)下石盒子組K8砂巖含水層。區(qū)內(nèi)K8砂巖為下石盒組與山西組的分界，中-厚層狀，中、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，節(jié)理發(fā)育。富水性總體弱，但局部較強(qiáng)。平均厚度15.35m，距3號(hào)煤層頂板平均18.20m。

4)二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層頂板砂巖含水層。該砂巖位于山西組中上部，是3號(hào)煤直接頂板，為3號(hào)煤層直接充水含水層，中-厚層狀，中、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，多被方解石充填，鈣質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)。富水性總體弱，但局部較強(qiáng)。平均厚度3.85m，距3號(hào)煤層平均8.75m。

3 探放水鉆孔布設(shè)與施工

3.1 鉆孔布設(shè)

考慮到3-807工作面內(nèi)有一處頂板富水異常區(qū)，存在向斜軸部以及回采后頂板初次來(lái)壓等因素的影響，將探放水鉆孔主要布設(shè)在3個(gè)鉆場(chǎng)，1#、2#鉆場(chǎng)布設(shè)在頂板富水異常區(qū)及向斜軸部，3#鉆場(chǎng)布設(shè)在頂板初次來(lái)壓區(qū)域(圖1)。

3.2 施工情況

2016年11月24日—12月30日，山西省煤炭地質(zhì)114勘查院在經(jīng)坊煤礦井下3個(gè)鉆場(chǎng)共計(jì)施工7個(gè)探放水鉆孔，4個(gè)為頂板富水異常區(qū)探放孔，1個(gè)為向斜軸部探放孔，2個(gè)為頂板初次來(lái)壓探放孔。其中，頂板富水異常區(qū)探放及向斜軸部探放的鉆孔均出現(xiàn)了涌水且水量較為穩(wěn)定(一直有水)，頂板初次來(lái)壓區(qū)探放水鉆孔在7～9d后均停止出水(表1)。

表1 鉆孔探放水情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of borehole exploration and drainage situations

通過(guò)對(duì)表1進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1)3-807工作面地面電法勘探的成果較為可靠。在向斜軸部雖未發(fā)現(xiàn)有頂部富水異常區(qū)，但富水性較強(qiáng)；在非物探異常區(qū)及向斜兩翼，巖層富水性明顯變?nèi)酢?/p>

2)鉆探出水的層位較為固定，初次出水層位均在K9砂巖，水量較小，水量明顯變大層位在K10砂巖，水量較大且較為穩(wěn)定。

4 回采時(shí)工作面涌水量預(yù)測(cè)

開(kāi)采面積和水位降深是礦井涌水量變化的兩個(gè)主要影響因素[8]。

由于3-803工作面與3-807工作面處在同一采區(qū)，且距離較近，在回采前亦進(jìn)行頂板探放水作業(yè)，故其回采時(shí)涌水量數(shù)據(jù)可作為3-807工作面回采時(shí)涌水量的預(yù)測(cè)依據(jù)。可采用比擬法對(duì)3-807工作面回采時(shí)的涌水量進(jìn)行預(yù)算[9-10]。比擬法公式如下：

Q—預(yù)計(jì)的礦井涌水量，m3/h；

Q0—生產(chǎn)礦井涌水量，根據(jù)原3-803工作面涌水量，正常70m3/h,最大80 m3/h；

F—新礦設(shè)計(jì)開(kāi)采面積，3-807工作面面積358 808m2；

F0—生產(chǎn)礦設(shè)計(jì)開(kāi)采面積，原3-803工作面面積233 156m2，

S—新礦設(shè)計(jì)水位降低,401.34 m；

S0—生產(chǎn)礦井水位降低，341.34 m。

經(jīng)預(yù)算，未來(lái)回采3-807工作面時(shí)，正常涌水量為127 m3/h,最大涌水量145m m3/h。3-807工作面內(nèi)排水設(shè)備的配置可參照此次涌水量預(yù)算的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)觀測(cè)，后期3-807工作面在回采時(shí)礦井正常涌水量115 m3/h，最大涌水量130m3/h。由此可以看出，比擬法可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)回采工作面的涌水量，為煤礦下一步防治水工作提供依據(jù)。

5 結(jié)論

1)經(jīng)坊煤礦礦井內(nèi)地面電法勘探的成果可靠性較高，可做為一種長(zhǎng)期的勘探手段解釋3號(hào)煤層頂板富水性[11]。對(duì)電法解釋的富水異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證時(shí)，必須考慮礦井內(nèi)構(gòu)造的發(fā)育情況，對(duì)可能的儲(chǔ)水構(gòu)造，即使未解釋出富水異常區(qū)也要進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

2)目前，對(duì)經(jīng)坊煤礦3號(hào)煤層開(kāi)采有影響的上覆含水層主要為K10砂巖，其次為K9砂巖，K8砂巖與3號(hào)煤層直接頂砂巖富水性較弱。

3)經(jīng)坊煤礦內(nèi)3號(hào)煤層工作面涌水量的預(yù)測(cè)采用比擬法較為準(zhǔn)確，可以為后期排水設(shè)備的布設(shè)提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]景劍峰 ,馮寧.長(zhǎng)治經(jīng)坊煤礦礦井水源水害影響因素及防治技術(shù)[J].中國(guó)煤炭工業(yè), 2014.

[2]李正昌 ,林來(lái)彬 ,王祥龍 ,等. 綜放工作面頂板砂巖水的探放[J].《煤礦開(kāi)采》,2003,8 (1):69-70.

[3]劉德民.潘謝礦區(qū)煤層頂板富水性評(píng)價(jià)研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2009,6 (4):27-29.

[4]王麗欣,梅花井煤礦首采區(qū)水文地質(zhì)特征研究及富水性分區(qū)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017.

[5]劉兵昌,程喬,楊華澤.蘆嶺煤礦10～#煤層頂板特征[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,23(4):390-393.

[6]劉超.山西沁水盆地東緣太行大斷裂構(gòu)造變形特征及成因探討[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào),2011.

[7]張育恒.長(zhǎng)平礦井充水條件分析及水害防治[J].中州煤炭, 2012 (9):102-104.

[8]楊本欽,鐘明洋,尚紅光,等. 重慶磨心坡礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析[J].中州煤炭,2010,(11),:30-32.

[9]武強(qiáng),趙蘇啟,董書(shū)寧,等.煤礦防治水手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社.

[10]杜敏銘 ,鄧英爾 ,許模 .礦井涌水量預(yù)測(cè)方法綜述[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào) ,2009 ,29 (1) :70-73.

[11]江求. 礦井瞬變電磁法在煤層頂板富水異常區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭工程 ,2012 ,1 (12) :41-44.