楊村煤礦16 上煤帶壓開(kāi)采水害防治技術(shù)研究

馬海濤，張振國(guó)，劉 亞，張 民

（兗州煤業(yè)股份有限公司楊村煤礦，山東 濟(jì)寧272118）

0 引 言

底板突水是我國(guó)煤礦開(kāi)采水害事故的主要類(lèi)型，并且這類(lèi)突水往往造成重大的災(zāi)害性損失，防治底板突水對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

楊村煤礦10602 工作面回采面臨底部的十四灰?guī)r水，特別是采動(dòng)影響下可能通過(guò)構(gòu)造導(dǎo)通深部的奧陶系灰?guī)r含水層，在構(gòu)造或隔水層薄弱位置仍存在潛在的奧灰突水威脅，符合帶壓開(kāi)采條件，屬于帶壓開(kāi)采。為此，通過(guò)對(duì)工作面地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析，對(duì)工作面開(kāi)采突水危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而提出科學(xué)、合理和有效的防治水措施，指導(dǎo)工作面水害防治，保障礦井安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

10602 工作面走向長(zhǎng)1256m，傾向長(zhǎng)127m，面積162813m2。工作面標(biāo)高-306.9～-371.5m，平均-339.2m，煤層平均厚1.28m，煤層傾角5～15°，平均9°。

2 工作面水文地質(zhì)條件分析

2.1 含水層特征

10602 工作面直接充水含水層為十下灰含水層，間接充水含水層為十四灰含水層和奧灰含水層。

十下灰含水層厚度5.41～5.65m，水質(zhì)類(lèi)型為HCO3-Na.Ca 型，富水性弱，補(bǔ)給條件較差，以靜儲(chǔ)量為主，受礦井長(zhǎng)期疏水影響，水位已大幅度下降；十四灰含水層厚度6.08 ～7.38m，水質(zhì)類(lèi)型為HCO3SO4-Ca 型，富水性弱，徑流補(bǔ)給差；奧灰含水層厚度450～750m，水質(zhì)類(lèi)型以SO4.HCO3-Ca.Mg 型為主，由多層厚層狀石灰?guī)r組成，距離頂界面50m 以下的半晶質(zhì)石灰?guī)r中, 發(fā)育較多的小溶洞及半閉合狀裂隙，含水較強(qiáng)，屬裂隙溶洞承壓水，采區(qū)內(nèi)奧灰上部50m 段富水性極弱，通常視為隔水層。

2.2 隔水層特征

16 上煤至第四系隔水層間距為207.03 ～214.81m，以鋁質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，對(duì)第四系底部含水層水下泄起良好的隔水作用；16 上煤層至十四灰隔水層厚度為32.54m～42.22m，巖性以鋁質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，對(duì)16 上煤層的開(kāi)采起良好的隔水作用；十四灰至奧灰隔水層厚度為10.38m～12.19 m，以鐵質(zhì)泥巖和鋁土巖為主，正常地段可以有效地阻隔奧灰與十四灰間的水力聯(lián)系。

2.3 充水通道分析

1）采動(dòng)頂?shù)装迤茐膸?。根?jù)楊村煤礦與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作的《楊村煤礦四采區(qū)16 上煤采動(dòng)底板變形破壞與阻水能力研究》項(xiàng)目，可知16 上煤開(kāi)采底板破壞深度不超過(guò)10m[1]。根據(jù)《“三下”開(kāi)采規(guī)范》導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式計(jì)算16 上煤頂板導(dǎo)水裂縫帶高度為27.5m，正常開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度不會(huì)波及到松散層底部含水層。

由此可見(jiàn)，正常情況下16 上煤頂板以上27.5m和底板以下10m 范圍內(nèi)的含水層將會(huì)對(duì)工作面開(kāi)采進(jìn)行直接充水。

2）其他情況。通過(guò)資料分析，工作面周?chē)鸁o(wú)封閉不良鉆孔和采空區(qū)；斷層經(jīng)實(shí)際揭露，均不富水、不導(dǎo)水。

2.4 涌水量預(yù)計(jì)

10602 工作面直接充水含水層為十下灰，間接充水含水層為十四灰、奧灰。工作面回采過(guò)程中奧灰水不具備突水條件，十下灰水已疏干，工作面預(yù)計(jì)涌水主要為十四灰涌水組成。

采用大井法計(jì)算工作面十四灰突水涌水量，用裘布依承壓井流公式計(jì)算最大涌水量為41.96m3/h；根據(jù)計(jì)算結(jié)果及結(jié)合工作面實(shí)際涌水情況，預(yù)計(jì)工作面正常涌水量為10.0m3/h，最大涌水量為80.0m3/h。

3 開(kāi)采突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)

10602 工作面16 上煤底板至十四灰頂界面間距32.54m～42.22m，至奧灰頂界面間距54.81～63.3 m，采用突水系數(shù)法進(jìn)行十四灰和奧灰這兩個(gè)含水層的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

3.1 十四灰水害分析

10602 工作面附近穿過(guò)十四灰鉆孔3 個(gè)，為L(zhǎng)14-11、Y-8、Y-7 鉆孔，鉆孔突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 10602 工作面十四灰突水系數(shù)表

經(jīng)內(nèi)插計(jì)算，十四灰突水系數(shù)為0.014 ～0.016MPa/m, 符合《煤礦防治水細(xì)則》中底板受構(gòu)造破壞的地段突水系統(tǒng)一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m 的要求。

3.2 奧灰水害分析

10602 工作面附近施工至奧灰鉆孔有3 個(gè)，為L(zhǎng)14-11、Y-8、井下O-3 鉆孔，鉆孔突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

經(jīng)內(nèi)插計(jì)算，奧灰突水系數(shù)為0.0617 ～0.0689MPa/m。根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與楊村煤礦在附近10605 工作面開(kāi)展的《弱滲斷層裂隙帶阻滲性及其滲透破壞臨界條件研究》成果可知，斷層破碎帶原始狀態(tài)具有很強(qiáng)的阻滲能力，即便導(dǎo)通狀態(tài)的滲透阻力也大都超過(guò)0.1MPa/m，在考慮斷層破碎帶結(jié)構(gòu)影響效應(yīng)基礎(chǔ)上將斷層破碎帶安全帶壓狀態(tài)的阻滲能力考慮為0.08MPa/m[2]。另根據(jù)兗州礦區(qū)奧灰鉆孔揭露的情況，區(qū)內(nèi)奧灰頂部風(fēng)化殼可作為相對(duì)隔水層考慮，可有效減緩?qiáng)W灰水對(duì)構(gòu)造破碎帶的高壓滲流破壞作用，是下組煤底板帶壓開(kāi)采的有利條件因素。在此基礎(chǔ)上10605 工作面已實(shí)現(xiàn)安全回采，回采過(guò)程中揭露3 條斷層（落差0.5～1.4m），工作面底板無(wú)涌水現(xiàn)象。

綜上考慮，10602 工作面回采過(guò)程中奧灰不會(huì)發(fā)生突水，可實(shí)現(xiàn)安全回采。

表2 10602 工作面奧灰突水系數(shù)表

4 水害防治技術(shù)與措施

4.1 十四灰含水層探放水

工作面回采前在10602 運(yùn)輸巷累計(jì)施工4 個(gè)十四灰放水孔，1-4 號(hào)孔水量分別為12m3/h、1m3/h、8m3/h、7m3/h， 水 壓 分 別 為 1.44MPa、1.45MPa、0.8MPa、1.4MPa。對(duì)10602-2#.3#.4# 放水孔取水樣分析，水質(zhì)類(lèi)型為HCO3SO4-Na 型。目前4 個(gè)放水孔均已封閉，4 孔累計(jì)疏放十四灰水量22.438 萬(wàn)m3;有效降低了底板十四灰水害威脅。

工作面回采至十四灰放水孔前30m 時(shí)，對(duì)放水孔進(jìn)行全段注漿封堵。封堵采用泥漿泵，用水泥漿、水玻璃混合液進(jìn)行封堵，注漿壓力達(dá)到5MPa，穩(wěn)定30min 后停止注漿，確保不漏水、不滲水。

4.2 水文物探與鉆探

1）坑透探測(cè)。利用無(wú)線電磁波透視成像技術(shù)查清工作面是否存在地質(zhì)異常體和工作面內(nèi)斷層的延伸方向及尖滅點(diǎn)位置及面內(nèi)斷層的組合情況。通過(guò)本次CT 探測(cè)工作，結(jié)合掘進(jìn)階段10602 工作面內(nèi)揭露的斷點(diǎn)情況，共組合解釋斷層12 條，經(jīng)實(shí)際揭露證實(shí)，均不富水、不導(dǎo)水。

2）瞬變電磁探測(cè)。采用瞬變電磁技術(shù)探明工作面底板含水層富水性，對(duì)探測(cè)區(qū)域地層、斷層異常區(qū)的電性特征進(jìn)行總體控制，重點(diǎn)對(duì)底板十四灰含水層、奧灰含水層等富水異常區(qū)巖層的電性特征、參數(shù)進(jìn)行查明，總結(jié)本礦井不同條件下電性特征規(guī)律。探測(cè)結(jié)果表明，十四灰含水層所在層位（垂直底板下方40m）存在1 個(gè)低阻異常區(qū)A，異常區(qū)面積最大為42500m2，視電阻率最小值相對(duì)較低，推測(cè)為相對(duì)較強(qiáng)富水異常區(qū)。

3）鉆探驗(yàn)證。物探前10602 運(yùn)輸巷施工的4 個(gè)十四灰疏放水孔均在物探圈定的十四灰含水層富水異常區(qū)A 位置（具體見(jiàn)圖1），且1-4 號(hào)孔水量分別 為 12m3/h、1m3/h、8m3/h、7m3/h， 水 壓 分 別 為1.44MPa、1.45MPa、0.8MPa、1.4MPa，對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖1 十四灰疏放水孔位置與物探成果對(duì)比圖

4.3 建立健全工作面排水系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)排水能力按最大涌水量1.5 倍配備，滿足120 m3/h。10602 運(yùn)輸巷為主要排水點(diǎn)，選取BQW60-100-37 型水泵2 臺(tái)使用，1 臺(tái)備用，安裝2路 Φ108mm 排 水 管；10602 軌 道 巷 選 取BQW60-100-37 型水泵1 臺(tái)使用，1 臺(tái)備用，安裝1路Φ108mm 排水管。工作面水泵實(shí)行雙回路供電。

4.4 建立地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

10602 工作面附近有O-6（奧灰）、L14-9（十四灰） 地面水文觀測(cè)孔，其中O-6 孔距離工作面1400m，L14-9 距離工作面900m。工作面回采期間每天對(duì)奧灰、十四灰含水層水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)水位變化異常時(shí)，要及時(shí)分析原因并采取措施。

4.5 加強(qiáng)過(guò)斷層管理

過(guò)斷層期間合理確定推采方向和角度，盡可能減輕或避免開(kāi)采對(duì)斷層的擾動(dòng)作用，在開(kāi)采過(guò)程中密切監(jiān)測(cè)斷層導(dǎo)水性變化，以防斷層活化和滯后突水發(fā)生，必要時(shí)對(duì)斷層超前預(yù)注漿，技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，修訂過(guò)斷層安全技術(shù)措施并監(jiān)督各項(xiàng)措施的落實(shí)情況。

4.6 加強(qiáng)工作面涌水監(jiān)測(cè)

加強(qiáng)回采過(guò)程中涌水量監(jiān)測(cè)，對(duì)于涌水量發(fā)生異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)分析，掌握工作面出水地點(diǎn)的水質(zhì)特征情況，以便確定突水水源和采取安全可行的防治措施。

加強(qiáng)工作面涌水量實(shí)時(shí)觀測(cè)，對(duì)出現(xiàn)的底板異常底鼓或產(chǎn)生裂隙、底板涌水等煤層底板突水征兆要引起高度重視，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)匯報(bào)，以便查明原因、及時(shí)處理，必要時(shí)采取停產(chǎn)撤人的緊急措施。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)工作面地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，采用突水系數(shù)法科學(xué)的對(duì)工作面底板十四灰、奧灰含水層突水危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而采取水文物探與鉆探、疏放十四灰含水層水、健全工作面排水系統(tǒng)、建立地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、加強(qiáng)過(guò)斷層管理及涌水量監(jiān)測(cè)等有效的防治水措施，實(shí)現(xiàn)了工作面安全回采。該面的底板水害防治經(jīng)驗(yàn)可進(jìn)一步推廣到類(lèi)似地質(zhì)條件受承壓含水層影響的工作面中。