永定莊煤業(yè)公司山4#層8115工作面防治水評價與措施研究

朱 玲

（大同煤礦集團永定莊煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037024）

我國煤礦數(shù)量眾多，煤炭資源賦存多樣化，地質(zhì)情況復雜化，不同地區(qū)礦井水文地質(zhì)類型迥然不同[1-4]。礦井水害是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，其中斷層突水極其嚴重，約80%的煤礦突水事故均為斷層突水。國內(nèi)外針對煤礦水害的研究歷史悠久，針對底板突水主要有突水系數(shù)法、“下三帶”理論、原位張裂與零位破壞理論、板模型理論、關鍵層理論、巖體工程地質(zhì)力學理論和脆弱性指數(shù)法等多種方法準確地對底板突水進行評價[5]。本文以永定莊煤業(yè)公司山4#層8115工作面為研究對象，在對礦井水文地質(zhì)特征研究的基礎上，對其頂板水害危險性進行了評價，提出了防治水措施。

1 礦區(qū)地質(zhì)

永定莊煤業(yè)公司現(xiàn)開采山4#煤層。8115工作面位于301采區(qū)，礦井東部出現(xiàn)煤層露頭，南部為8105工作面，西部為山4#煤層盤區(qū)大巷。煤層厚度0～2.8m，平均厚度2.12m，傾角1～10°，可采系數(shù)97%，煤的結構主要以原生結構為主，煤層穩(wěn)定性較差。煤層頂?shù)装鍘r性見圖1。

8115工作面是一個以2115距切巷315m、5115距切巷341m位置連線為軸部的向斜構造。左翼煤層傾角較小，約為2°～5°，走向為NW16°～9°；右翼煤層傾角較大，為5°～10.5°，走向為NW9°～NE39°。預計回采至距切巷272～360m范圍時，工作面正處于該向斜的核部。揭露的斷層為68斷層，走向134°，為一逆斷層，斷層落差為1.5m，該斷層在相鄰巷道并未揭露，分析其延伸范圍不大，對工作面回采工作影響不大。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 地表水體

永定莊煤業(yè)公司范圍內(nèi)，地表為丘陵地貌，雨季大氣降水沿著溝壑流出，水源由口泉河排泄，因此，地表水不會對該工作面造成較大的影響。

2.2 主要含水層

該工作面含水層有奧陶系灰?guī)r含水層、太原組砂巖含水層、山西組砂巖含水層。

（1）奧陶系灰?guī)r含水層，總厚度約為120～180m，以灰色厚層狀灰?guī)r為主。

（2）太原組砂巖裂隙含水層內(nèi)裂隙發(fā)育相對較少，地下水補給條件較差，富水性弱。

（3）山西組砂巖裂隙含水層裂隙不發(fā)育，埋藏較深，富水性較弱，補給條件差。

（4）侏羅系采空水，在8115工作面上覆侏羅系采空區(qū)內(nèi)，探明積水量大，水量約為29682m3。

2.3 主要隔水層

隔水層由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，厚度約30m，巖性致密，隔水性能良好，在近地表處裂隙發(fā)育，隔水性能變差。

2.4 充水通道

充水通道是礦井水害的重要影響因素。在8115工作面范圍內(nèi)，山4#煤層的直接頂為粉砂巖、高嶺巖、泥巖，性脆易碎，尤其在回采至切巷320～390m范圍內(nèi)時，工作面處于向斜的核部，頂板可能受應力影響較為破碎，因此礦井的主要充水通道為頂板巖石破碎形成的裂隙和破碎裂隙帶。

圖1 8115工作面地層綜合柱狀圖

3 防治水評價與措施

3.1 超前探測工程量及其成果

8115掘進工作面總進尺為1460m，在2115和5115巷分別設計2個超前探放水孔，其中2115巷道正前方1個，巷道右手幫1個，5115巷道正前方1個，巷道左手幫1個。5115輔助巷和切巷設計3個超前探放水孔，分別在正前方、左手幫、右手幫各1個。按照超前探測50m，保留安全煤柱30m，整個工作面共施工了162個超前探放水孔，合計進尺8184m，所有超前鉆孔均未探測到異常。

3.2 頂板突水危險性評價

3.2.1 導水裂隙帶厚度

8115工作面煤層厚度為0～2.8m，由于煤層開采后上覆巖層呈現(xiàn)垮落帶、斷裂或彎曲，通常形成導水裂隙帶。依據(jù)經(jīng)驗公式可以計算得出，該工作面導水裂隙帶的最大高度為40.2m，主要水源來自采空區(qū)水。

式中：

Hli-導水裂縫帶高度，m；

ΣM-累計采厚，m。

3.2.2 富水性指數(shù)法評價

采用了富水性指數(shù)法對含水層富水性進行評價。首先，建立層次結構分析模型，將其劃分為A、B、C三個層次，分別對應含水層富水性評價為A級別，含水層、滲流場和巖性場為B級，單位涌水量、物探工程、滲透系數(shù)等C級。其次，依據(jù)1-9的標度方法，對各影響因素進行評價，建立評價判斷矩陣，并計算出相應的權值和一致性檢驗，計算得出的隨機一致性比率小于0.1，一致性較好，由此得出含水層富水性評價中疊加權重值（表1）。

表1 富水性分析中的權重

采用GIS軟件的空間分析工程，生成各個參數(shù)信息等值線，計算疊加后富水性指數(shù)大小，依據(jù)其大小，將研究區(qū)劃分為富水性差區(qū)、富水性較差區(qū)、富水性中等區(qū)、富水性相對較好區(qū)和富水性較好區(qū)共5種區(qū)域（圖2）。

3.2.3 頂板冒裂安全性評價

由于導水裂隙帶高度距離上部含水層距離較遠，并未導通上部含水層，因此，在該工作面內(nèi)劃分為相對安全區(qū)。

由上述分析可知，該工作面內(nèi)頂板突水的危險性分區(qū)與含水層富水性分區(qū)相一致，對該工作面威脅較大的區(qū)域主要為中西部和東部相對富水的區(qū)域。

圖2 含水層富水性評價分區(qū)

3.3 防治水措施

3.3.1 排水系統(tǒng)

根據(jù)《大同煤礦集團永定莊井田灰?guī)r承壓水突水危險性評價報告》，山4#煤層奧灰水最大突水系數(shù)為0.018（MPa/m），小于受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)值0.06MPa/m，對開采煤層的開采影響小。最大涌水量為0.012m3/min，正常涌水量為0.006m3/min，故突水危險性評價為突水安全區(qū)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及《煤礦防治水細則》必須建立完善獨立的排水系統(tǒng)，即兩巷必須鋪設4寸排水管路各一趟及各配備2臺45kW以上水泵備用，并在工作面配備1臺45kW以上泥砂泵一臺，以備排水。

3.3.2 礦井探放水

在掘進過程中，需執(zhí)行“有掘必探、先探后掘”的方針，在該工作面施工探放水孔，對存在采空水隱患進行排查。其次，在2115巷施工1個井下探放水孔，在5115巷施工2個井下探放水孔，終孔均到14#層，均見空無積水。因此預計8115工作面上覆層無大面積采空積水，但不排除局部低洼處存有少量積水。在5115巷向同層8105工作面施工了1個探放水孔，已累計排水1500m3，現(xiàn)在每日排水3m3。對工作面進行物探工作，超前物探結果顯示無異常。針對400～450m異常區(qū)，設計了一組100m的驗證鉆孔，實際施工92m，未顯示異常。

3.3.3 制定防治水方案

對礦井防治水工作需要從預報、合理的措施和方法、礦井涌水量監(jiān)測、避災路線以及組織管理等方面進行設置，降低突水事故發(fā)生的概率，避免不必要的損失。

在對同層采掘范圍內(nèi)采空區(qū)積水防治時，在回采工作面兩順槽掘進過程中，采用全方位瞬變電磁儀YCS512在工作面迎頭每隔80m循環(huán)進行一次井下物探工作，對存在的低阻異常區(qū)通過超前鉆探及時驗證，在局部有異常區(qū)域加直流電法超前物探，最后采用鉆探進行驗證。

3.3.4 加強超前探測

工作面位于向斜核部，頂板受構造應力影響較大，可能出現(xiàn)裂隙發(fā)育情況，在回采工作中需要超前探測，就可能存在的斷層和其他構造進行準確判斷。如上覆 14#層 8214、8216、8218、8220、8101、8103采空區(qū)，留有煤柱，在回采過程中應經(jīng)常觀察頂板，并加強頂板的支護及管理。本工作面2115巷回采至261～312m，5115巷回采至179～196m將遇到煤層變薄區(qū)，煤層厚度1.4～1.7m，采至該區(qū)域時，需要做好相應措施。

4 結論

在對永定莊煤礦地質(zhì)特征研究的基礎上，對山4#層水文地質(zhì)特征進行了分析，分析了8115工作面突水的危險性因素，包括含水層、隔水層和充水通道等水害發(fā)生的條件，該工作面可能的突水水源來自于頂板侏羅系采空積水，主要導水通道則為頂板裂隙和破碎裂隙，需要加強對頂板的支護，建立合適的排水系統(tǒng)，并進行合理的探放水工作。