煤層頂板導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及探放水技術

申 龍

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046102)

隨著我國采煤機械化程度的不斷提高，高產(chǎn)高效綜采技術得到全面推廣，同時由于礦井開采不斷向深部延伸，礦井水害問題愈加頻發(fā)，極大影響了礦井的安全高效生產(chǎn)[1-2]。許多學者對其進行了相關研究[3-5]。本文基于常村礦2305工作面水文地質資料，對頂板砂巖水控水規(guī)律進行研究，分析了礦井充水因素，確定了2305工作面導水裂隙帶高度，由此進行了頂板富水性探查和探放水技術，為礦井頂板水害的防治奠定了基礎。

1 地質概況

常村井田以褶曲為主，地層傾角3～6°，其中東部以單斜為主，伴有近東西向波狀起伏，西部為近南北向褶曲，北部和東南部有大斷層和陷落柱發(fā)育。礦井可劃分為15個含水層，即中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r巖溶含水層，太原組K2、K3、K4、K5灰?guī)r巖溶裂隙含水層，山西組K7砂巖裂隙含水層，3號煤層頂板砂巖裂隙含水層(S4)，下石盒子組K8砂巖裂隙含水層，上石盒子組基巖風化帶裂隙含水層，基巖風化帶含水層，第四系下更新統(tǒng)孔隙含水層和中更新統(tǒng)孔隙潛水含水層等。井田內主要隔水層自上而下主要有：本溪組鋁土質泥巖隔水層，3號煤層底板隔水層等。

據(jù)統(tǒng)計,常村煤礦自建井以來大小涌水點共計36個，其中頂板涌水點合計34個，占總涌水點的94.4%；底板K2灰?guī)r涌水1次；陷落柱涌水1次；斷層帶無涌水情況。涌水點最大涌水量250 m3/h，頂板砂巖涌水量50 m3/h以下的涌水點25個，占總涌水點的69.4%。

2305工作面布置于3號煤層內，煤厚平均6.3 m，工作面掘巷期間未發(fā)現(xiàn)3號煤頂板富水異常區(qū)，但回采期間揭露有aXn8陷落柱，該陷落柱有潛在導水因素，依據(jù)礦井地質資料和物探等技術確定，導水水源為K8、K10頂板砂巖水，同時該工作面屬于承壓開采區(qū)域，3號煤底板標高為+408.0～+430.0 m，礦井奧灰水水位標高為+639 m，帶壓高度為209.0～231.0 m水柱，隔水層厚度為73.33 m，突水系數(shù)為0.026 MPa/m，因此須重視水患防治。

2 礦井充水因素分析

基于礦井地質資料和已有突水點監(jiān)測分析，確定礦井充水通道如表1所示。

表1 礦井充水通道分析

基于表1可知，3號煤層突水主要受到褶曲構造尤其是向斜構造以及采動的影響，基于3號煤層相關工作面的統(tǒng)計調查，工作面發(fā)生較大突水水源來源于K8和K10砂巖水。

3 導水裂縫帶高度分析

基于2305工作面實際地質條件，通過采用回歸分析方法進行頂板覆巖導水裂隙發(fā)展分析，獲得6.3 m采高下頂板導水裂隙發(fā)育規(guī)律，如圖1所示。

分析圖1可知，在6.3 m采高條件下，工作面導水裂隙高度與工作面推進距離呈現(xiàn)非線性關系，因此基于數(shù)值計算軟件獲得4階多項式擬合公式，如式(1)所示，具體擬合示意如圖2所示。

y=3e-7x4-2e-4x3+3.92e-2x2-2.223 8x+41.83

(1)

圖1 頂板導水裂隙發(fā)育規(guī)律

圖2 頂板導水裂隙發(fā)育規(guī)律數(shù)據(jù)擬合示意

分析圖2可知，在工作面回采初期，導水裂隙發(fā)育緩慢，當工作面推進至100 m時，導水裂隙高度開始急劇上升，并在回采至160 m之后，覆巖導水裂隙發(fā)展趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定值約為95 m。由此得出，2305工作面覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度基本處于95 m左右，已超過隔水層厚度，因此在工作面回采前必須進行覆巖頂板砂巖水的探放作業(yè)。

4 探放水技術方案

4.1 頂板探放水設計原則

為保證探放水工作的安全高效，基于工作面實際地質狀況，制定以下探放水設計原則：

1) 設計采取多打孔、多穿含水層、打鉆方向盡可能垂直水位等高線以便在各含水層增加穿越距離，盡量在構造發(fā)育地段及工作面向斜軸部打孔的方法進行。

2) 探放水位置應為地質、水文地質分析和地球物理勘探確定的富水區(qū)域，即褶曲(向斜和背斜)構造軸部尤其是向斜軸部位置、斷裂構造發(fā)育地帶和陷落柱發(fā)育位置以及瞬變電磁勘探確定的富水異常區(qū)。

3) 目前礦井煤層頂板K10含水層的鉆孔單位涌水量為0.58，頂板鉆孔的影響半徑約60 m，即正常情況下頂板探放水鉆孔間距約120 m，同時頂板探放水垂直高度約為95 m，即頂板探放水含水層應為煤層頂板S4、K8和K10砂巖含水層。

4.2 頂板探放水工藝

根據(jù)探放水設計原則，首先進行2305工作面瞬變電磁勘探，確定工作面的富水異常區(qū)，圖3所示為3號煤層N3采區(qū)K8、K10、S4砂巖水富集區(qū)域，其中2305工作面位置已用圓圈圈出。

圖3 N3采區(qū)K8、K10、S4砂巖水富集區(qū)域示意

分析圖3可知，N3采區(qū)富水區(qū)域主要集中于測區(qū)的北部及西南部，在中部砂巖裂隙發(fā)育相對較弱，其中2305工作面主要受到K8和K10砂巖富水區(qū)域影響。

基于上述富水區(qū)域分布情況，對2305工作面進行了鉆孔設計和探放水，如圖4所示為向斜軸部、富水異常區(qū)的復合等部位設計的23個鉆孔布置示意。

圖4 鉆孔布置示意

通過對現(xiàn)場鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在排除水患因素的同時確定：①位于褶曲構造軸部尤其是向斜軸部的鉆孔，其探放水量較大；②地面瞬變電磁勘探確定的富水異常區(qū)中，除有一處富水異常區(qū)正好位于向斜軸部外，其它富水異常區(qū)施工的鉆孔，其探放水量均較小或基本無水；③2305工作面頂板探放水量為241.91 m3/h，大于估算的頂板正常涌水量188.70 m3/h，實際探放的水量與估算的正常涌水量不太吻合是由于2305位于礦區(qū)的底部；④所有探放水鉆孔中期涌水量較大，但過數(shù)天后涌水量明顯減少，表明頂板砂巖裂隙水以靜儲量為主，補給量不大，變化形式基本呈初期少中期大后期少的趨勢。

5 結 語

1) 在6.3 m采高條件下，確定了工作面導水裂隙高度與工作面推進距離擬合關系式，并基于擬合關系式確定在回采至160 m后，覆巖導水裂隙穩(wěn)定在95 m左右。

2) 基于瞬變電磁勘探確定N3采區(qū)富水區(qū)域主要集中于測區(qū)的北部及西南部，中部砂巖裂隙發(fā)育相對較弱，其中2305工作面主要受到K8和K10砂巖富水區(qū)域影響。

3) 通過布置鉆孔探放水，確定工作面集水形式主要以靜儲量為主，且褶曲構造軸部尤其是向斜軸部區(qū)域水量大，涌水量變化呈現(xiàn)初期少中期大后期少的趨勢。