礦井奧灰水帶壓開采技術(shù)分析及防治水措施

何志遠(yuǎn)，索濤濤

(中煤科工山西華泰礦業(yè)管理有限公司 河曲分公司，山西 忻州 036504)

隨著煤礦采掘活動進(jìn)行，奧灰水已經(jīng)給礦井帶來了嚴(yán)重危害，在奧灰?guī)簠^(qū)，應(yīng)進(jìn)行以掘進(jìn)工作面鉆探為主的構(gòu)造超前探測，特別是隱伏導(dǎo)水構(gòu)造的探測。開拓掘進(jìn)前，應(yīng)使用鉆探、井下物探等手段探測煤層中是否有隱伏的導(dǎo)水陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬拥?，根?jù)探測結(jié)果及時采取相應(yīng)的防治水措施。應(yīng)加強(qiáng)礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)工作，配備專職或兼職的水文地質(zhì)技術(shù)人員，在開采過程中認(rèn)真貫徹《煤礦防治水細(xì)則》中堅持“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原則，采取探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)的綜合治理措施，嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》進(jìn)行生產(chǎn)，確保安全生產(chǎn)[1-3]。

1 井田水文地質(zhì)條件

1.1 井田主要含水層

(1)奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。根據(jù)井田內(nèi)施工的YZK-1水文鉆孔，孔徑為110 mm，抽水試驗結(jié)果表明奧灰溶裂隙含水層靜止水位標(biāo)高為+831.881 m，涌水量為1.04 L/s，單位涌水量為0.128 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.011 m/d，水質(zhì)類型為HCO3-Ca、Mg型，礦化度小于0.5 g/L，總硬度14.0，水溫18 ℃。

為獲得準(zhǔn)確可靠的奧陶系巖溶水文地質(zhì)資料，公司收集了與本井田南部相鄰的上榆泉煤礦和磁窯溝煤業(yè)有限公司水井資料。相關(guān)資料如下：①上榆泉煤礦白家焉水井。水井在揭露奧灰+147 m，即深440.3 m為上馬家溝組下段時，水井才開始有漏水現(xiàn)象，裂隙及溶洞開始發(fā)育，終孔450.66 m。出水量達(dá)1 440 m3/d，靜水位標(biāo)高為+839 m。②磁窯溝煤業(yè)吃水井。取水層為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組地層，孔深505.84 m，揭露奧灰深度194.50 m，揭穿奧灰上馬家溝組厚度311.34 m，靜止水位埋深151.20 m，奧灰水位標(biāo)高+856.10 m，進(jìn)行了一次最大降深抽水，降深2.39 m，出水量為90.75 m3/h，單位涌水量為10.55 L/(s·m)，富水性極強(qiáng)。結(jié)合區(qū)域資料，由此推測井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高在+825～+865 m，奧灰水流向由東向西(圖1)。

圖1 井田奧灰水等水位線示意

(2)石炭系太原組層間灰?guī)r裂隙巖溶含水層組。根據(jù)鉆孔揭露，井田內(nèi)太原組的灰?guī)r位于13號煤層以下，巖溶裂隙亦不發(fā)育，10號煤層以上含水層以中細(xì)粒砂巖為主，厚度6.88～19.72 m，全區(qū)平均厚度10.74 m。YZK-1水文鉆孔抽水試驗結(jié)果表明，太原組碎屑巖裂隙含水層靜止水位標(biāo)高+840.641 m，涌水量0.32～0.67 L/s，單位涌水量0.014～0.019 L/(s·m)。滲透系數(shù)0.002 99～0.003 60 m/d，水質(zhì)類型為HCO3、SO4-Ca、Mg型，礦化度1.38g/L，總硬度30～40，pH值為7.7，水溫14～26 ℃，屬弱富水性含水層。

(3)二疊系山西組砂巖裂隙含水層組。據(jù)井田南部相鄰的上榆泉煤礦SZK5-4水文孔抽水試驗資料，單位涌水量0.005 L/(s·m)，水位埋深79.28 m。

(4)二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖裂隙含水層。該地層主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。井田內(nèi)最大殘留厚度為126.40 m。井田北部磁窯溝煤礦補(bǔ)3號孔未對該含水層進(jìn)行抽水試驗。涌水量0.374～0.610 L/s，單位涌水量0.000 9～0.187 0 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.0023～2.0160m/d，水位標(biāo)高為+968.69～+972.69 m，礦化度0.35 g/L，總硬度11.16，pH值為6.8，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Na型，富水性弱—中等。

(5)新生界松散巖類孔隙含水層。含水層由第四系中上更新統(tǒng)和第三系上新統(tǒng)組成，分布在全井田山頂，主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給。

1.2 井田主要隔水層

井田主要隔水層：①二疊系下統(tǒng)下石盒子組泥巖隔水層；②13號煤層下部砂泥巖及本溪組泥巖隔水層。

1.3 礦井充水通道

井田開采煤層的充水通道主要為廢棄井筒、封閉不良的鉆孔、斷層、開采煤層的導(dǎo)水裂縫帶等。

(1)構(gòu)造對礦井充水的影響。井田位于河?xùn)|煤田的北部，井田構(gòu)造形態(tài)總體呈向北西傾伏的緩傾斜單斜構(gòu)造，地層傾角3°～10°，一般8°，礦井生產(chǎn)建設(shè)中10號煤層南翼大巷揭露8條正斷層，落差均小于5 m，斷層對煤礦開采影響較小。

(2)封閉不良的鉆孔。井田內(nèi)有鉆孔8個，其中YZK-1號為水文孔，其余5個鉆孔為地質(zhì)孔。鉆孔突水的特點(diǎn)是水量不大，但水壓高，來勢兇猛，造成的危害不可小視。在無法確定其是否有威脅時，應(yīng)設(shè)置防水煤柱或進(jìn)行超前探放。

(3)廢棄井筒。井筒也是井下各含水層水力聯(lián)系的通道之一。井田及周邊開采歷史較長，關(guān)閉報廢的井筒(包括老窯、小窯、生產(chǎn)礦井等)數(shù)量較多，地表水有可能通過未封堵或封堵不嚴(yán)的井口灌入井下。開采前應(yīng)進(jìn)行徹查，及時封堵井口并登記存檔，按規(guī)定留設(shè)保安煤柱，確保礦井安全生產(chǎn)。

(4)煤層采動后的導(dǎo)水裂縫帶。井田煤層傾角為3°～10°，各煤層基本頂為砂巖，上覆巖體主要為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，以中硬巖石為主。依據(jù)煤層頂板垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式進(jìn)行計算，10號煤層?xùn)|部露頭附近，地表水會沿著導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入井下，對煤層開采造成影響。

1.4 礦井水文地質(zhì)類型

根據(jù)山西地寶能源有限公司編制的《山西華鹿陽坡泉煤礦有限公司礦井水文地質(zhì)劃分報告》結(jié)果，確定10、11、13號煤層礦井水文地質(zhì)類型為中等。

1.5 礦井涌水量狀況

據(jù)調(diào)查，該礦未發(fā)生過水害事故，尚未發(fā)現(xiàn)涌水突變情況，礦井水來源均為頂板水，形成原因主要是巷道和工作面回采后破壞了附近圍巖的完整性、溝通含水層造成的。井下出水點(diǎn)情況見表1。

表1 井下出水點(diǎn)位置、水量統(tǒng)計

該礦從2010年停產(chǎn)至今，未記錄礦井涌水量與掘開采煤量、降水量關(guān)系，但根據(jù)該礦以前開采經(jīng)驗鄰礦開采經(jīng)驗，得出礦井涌水量受產(chǎn)量和降水量影響明顯，其次還在一定程度上受開采面積和掘進(jìn)量的影響。

2 奧灰含水層富水特征及隔水層分析

2.1 奧灰含水層富水特征

(1)奧灰含水層富水特征。奧陶系在井田內(nèi)地表未有出露，巖性為灰色厚層狀灰?guī)r及泥灰?guī)r，裂隙、溶洞較發(fā)育。2006年5月，在井田內(nèi)施工了YZK-1號水文孔，鉆進(jìn)奧灰灰?guī)r166.2 m。抽水試驗結(jié)果表明，奧灰溶裂隙含水層靜止水位標(biāo)高為+831.881 m，涌水量為1.04 L/s，單位涌水量為0.128 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.011 m/d，水質(zhì)類型為HCO3-Ca、Mg型，礦化度小于0.5 g/L，總硬度14.0，水溫18 ℃。井田北部磁窯溝煤業(yè)水源井資料，孔深505.84 m，揭露奧灰深度194.50 m，揭穿奧灰上馬家溝組厚311.34 m，靜止水位埋深151.20 m，奧灰水位標(biāo)高+856.10 m，進(jìn)行了一次最大降深抽水，降深2.39 m，出水量90.75 m3/h，單位涌水量10.55 L/(s·m)，富水性極強(qiáng)，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度小于0.5 g/L。根據(jù)上述水井及水文孔資料，推測井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高在+825～+865 m。

(2)奧灰水突水量估算。根據(jù)預(yù)測涌水量計算公式[4-6]，預(yù)測奧灰?guī)r溶水突水量采用數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 奧灰?guī)r溶水突水量計算

根據(jù)奧灰?guī)r溶水突水量預(yù)測結(jié)果，采掘10號煤層1個橫截斷面半徑為2.05 m導(dǎo)水通道奧灰含水層的突水量為0.4 m3/h，1個橫截斷面半徑為2.83 m導(dǎo)水通道奧灰含水層的突水量為0.44 m3/h；采掘11號煤層1個橫截斷面半徑為2.05 m導(dǎo)水通道奧灰含水層的突水量為0.42 m3/h，1個橫截斷面半徑為2.83 m導(dǎo)水通道奧灰含水層的突水量為0.46 m3/h；采掘13號煤層1個橫截斷面半徑為2.05 m導(dǎo)水通道奧灰含水層的突水量為0.72 m3/h，1個橫截斷面半徑為2.83 m導(dǎo)水通道奧灰含水層的突水量為0.78 m3/h。

2.2 煤層底板隔水層特征

(1)巖性特征。10號煤層底板為泥巖時，抗壓強(qiáng)度為12.9～49.1 MPa；11號煤層底板為泥巖時，抗壓強(qiáng)度為98.7 MPa，13號煤層底板為泥巖、泥灰?guī)r時，抗壓強(qiáng)度為36.9～81.5 MPa。

(2)隔水層厚度特征。井田內(nèi)以往施工鉆中ZK51-1、YZK-2、YZK-3施工至峰峰組，YZK-1、HZK10-3終孔施工至上馬家溝組，ZK5、ZK6、HZK13-1施工至太原組。利用井田內(nèi)ZK51-1、YZK-2、YZK-3、YZK-1、HZK10-3號鉆孔對各煤層底板隔水層厚度和奧灰頂面標(biāo)高進(jìn)行了統(tǒng)計，ZK5、ZK6、HZK13-1號鉆孔為推測值，統(tǒng)計結(jié)果詳見表3。

表3 10號、11號、13號煤層與奧灰頂面間隔水層厚度及奧灰頂面標(biāo)高

2.3 構(gòu)造導(dǎo)水性分析

井田總體為走向南北、向西傾伏的緩傾斜單斜構(gòu)造，井田內(nèi)斷層不發(fā)育，共發(fā)育有8條斷層。在今后生產(chǎn)中應(yīng)適時補(bǔ)充物探和水文地質(zhì)勘查工作，查明陷落柱及斷層的導(dǎo)水和富水條件，提供切實(shí)可行的防治水措施。

3 礦井奧灰水帶壓開采技術(shù)條件評價

3.1 煤層奧灰?guī)悍謪^(qū)劃分

根據(jù)奧灰水能否進(jìn)入采掘工作面發(fā)生突水、發(fā)生突水的危險性的大小，按《煤礦防治水細(xì)則》突水系數(shù)計算公式對開采區(qū)域進(jìn)行計算分區(qū)[7-8]。井田10、11、13號煤層的奧灰?guī)洪_采分區(qū)情況如圖2—圖4所示。

圖2 10號煤層突水系數(shù)等值線及奧灰?guī)悍謪^(qū)

圖3 11號煤層突水系數(shù)等值線及奧灰?guī)悍謪^(qū)

圖4 13號煤層突水系數(shù)等值線及奧灰?guī)悍謪^(qū)

3.2 掘進(jìn)巷道奧灰?guī)涸u價

(1)公式的選取。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，掘進(jìn)工作面底板安全隔水層厚度的計算公式：

(1)

式中，P為底板隔水層承受的水頭壓力；Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度；γ為底板隔水層的平均容重；L為巷道底板寬度；t為安全隔水層厚度。

(2)參數(shù)的選取。①L為巷道寬度，取設(shè)計巷道寬度4.4 m，松動圈為2 m，則L=6.4 m；②Kp為隔水巖柱巖體抗拉強(qiáng)度，根據(jù)井田南部上榆泉煤礦底板抗拉強(qiáng)度測試資料，10、11、13號煤層底板至奧灰頂界為軟弱—堅硬—軟弱—堅硬相間復(fù)合結(jié)構(gòu)的巖層，巖體平均抗拉強(qiáng)度分別為1.98、0.49、0.23 MPa；③γ為隔水巖柱平均容重，取24 kN/m3；④煤層承受最大水壓：10、11、13號煤層最大水頭壓力分別為1.601 6、1.475 1、1.622 8 MPa。

(3)計算分析。將以上參數(shù)代入式(1)中，得到10、11、13號煤層的掘進(jìn)工作面的安全隔水層厚度分別為3.83、7.15、10.69 m。

由10、11、13號煤層隔水層厚度等值線可知，10號煤層最小隔水層厚度為75 m，11號煤層最小隔水層厚度為67 m，13號煤層最小隔水層厚度為46 m，均大于公式計算出的10、11、13號煤層巷道掘進(jìn)安全隔水層厚度。

3.3 回采工作面奧灰?guī)涸u價

3.3.1 突水系數(shù)法

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》突水系數(shù)計算公式如下：

T=P/M，P=(H0-H1+M)×0.009 8

第二天，我早早起了床，來到舞蹈班見了老師，然后老師便把我?guī)нM(jìn)了教室。在那里，我看到了許多和我一樣大的孩子，她們體態(tài)優(yōu)美，用友好的眼光望著我。老師開口講話了：“前幾天的學(xué)習(xí)內(nèi)容非常簡單，我們先嘗試著練習(xí)一些基本動作，但后面的內(nèi)容難度大一些，希望大家能夠堅持下去?！钡谌?，果然像老師說的那樣，又是壓腿，又是劈叉，身體柔韌度不太好的我，已經(jīng)被折磨得痛不欲生。

(2)

式中，T為突水系數(shù)；P為底板隔水層承受的水頭壓力；M為底板隔水層厚度；H1為煤層底板最低標(biāo)高；H0為奧灰?guī)r溶水水位標(biāo)高。

根據(jù)公式計算出10、11、13號煤層底板奧灰突水系數(shù)，其中井田西北角突水系數(shù)值最大，10、11、13號煤層最大突水系數(shù)值分別為0.014、0.015、0.027 MPa/m。井田內(nèi)奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水位標(biāo)高為+825～+865 m，井田內(nèi)10、11、13號煤層均為局部帶壓開采煤層，煤層突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m。因此，工作面回采是相對安全的。

3.3.2 安全水頭壓力值計算法

安全水頭壓力值計算公式：P=TsM

(3)

式中，P為安全水頭壓力；M為底板隔水層厚度；Ts為臨界突水系數(shù)。

根據(jù)公式計算出10、11、13號煤層底板水頭壓力及安全水頭壓力，見表4。

由表4可知，井田內(nèi)10號煤層底板隔水層承受的水頭壓力最大為1.493 8 MPa，小于安全水頭壓力6.51 MPa；11號煤層底板隔水層承受的水頭壓力最大為1.367 3 MPa，小于安全水頭壓力5.55 MPa；13號煤層底板隔水層承受的水頭壓力最大為1.505 0 MPa，小于安全水頭壓力3.29 MPa。因此，在正常塊段的水頭壓力小于安全水頭壓力的區(qū)域工作面回采是相對安全的，在構(gòu)造破壞地段及水頭壓力大于安全水頭壓力的區(qū)域工作面回采是相對危險的，有可能發(fā)生突水。

4 防治水措施

4.1 導(dǎo)水構(gòu)造防治水措施

構(gòu)造破壞了巖層的完整性，常常成為含水層間的水力通道。構(gòu)造的某一區(qū)段是否導(dǎo)水、導(dǎo)水性強(qiáng)弱、是沿破碎帶上下連通還是僅水平接觸導(dǎo)水，取決于斷層的力學(xué)性質(zhì)、斷層帶的成分結(jié)構(gòu)、斷層的后期改造、斷層兩側(cè)巖層對接關(guān)系、含水層的水壓以及采礦活動引起的圍巖壓力對斷層的重新破壞作用。因此，在掌握構(gòu)造的導(dǎo)水性之前，應(yīng)該把斷層作為導(dǎo)水?dāng)鄬訉Υ?，把陷落柱作為?dǎo)水陷落柱對待。所以，在巷道掘進(jìn)前應(yīng)根據(jù)巷道的布置情況，對可能揭露的構(gòu)造進(jìn)行分析、評價，分析其對巷道掘進(jìn)的威脅程度，按照《煤礦防治水細(xì)則》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，留設(shè)防隔水煤巖柱[9-12]。

當(dāng)巷道掘進(jìn)至構(gòu)造附近時，首先采用物探超前探測技術(shù)對該構(gòu)造進(jìn)行探測，初步確定構(gòu)造位置，再采用鉆探進(jìn)行驗證，精確探查其水文地質(zhì)性質(zhì)。此后根據(jù)探查結(jié)果，依據(jù)相關(guān)規(guī)程的要求留設(shè)合理的防水煤(巖)柱或采取其他防治水措施。

4.2 巷道掘進(jìn)防治水措施

(1)在工作面巷道和大巷等巖巷掘進(jìn)過程中，要嚴(yán)格按照“有掘必探、先探后掘”的原則進(jìn)行掘進(jìn)面超前探查，對巷道掘進(jìn)面前方的導(dǎo)水陷落柱、斷層、褶曲構(gòu)造、封閉不良鉆孔等進(jìn)行探測[13-15]。

(2)巷道掘進(jìn)面超前物探推薦采用井下直流電法。利用井下直流電法對掘進(jìn)面前方巷道頂?shù)装寮皞?cè)幫進(jìn)行探測。

(3)超前探測的有效距離為掘進(jìn)面前方80 m。若經(jīng)探測分析認(rèn)為無異常，則應(yīng)保留30 m的超前距繼續(xù)掘進(jìn)；若探測認(rèn)為有異常，要及時分析產(chǎn)生異常的原因，判別異?？赡軐?yīng)的地質(zhì)構(gòu)造形式，并超前打探水孔確定地質(zhì)構(gòu)造的含、導(dǎo)水性及其危害程度。

(4)探放水鉆進(jìn)時，發(fā)現(xiàn)煤巖松軟、片幫、來壓或鉆孔中水壓、水量突然增大，頂鉆等異常時，必須停止鉆進(jìn)，但不得拔出鉆桿。要立即向礦調(diào)度室報告，并派人監(jiān)測水情，如果發(fā)現(xiàn)情況危急，必須立即撤出所有受水威脅地區(qū)的人員。

(5)對利用物探手段確定的導(dǎo)水構(gòu)造、導(dǎo)水陷落柱和采空區(qū)等異常區(qū)，通過鉆探打探水孔進(jìn)行探測和驗證。探水孔必須安裝與探水段水壓相適應(yīng)的孔口控水裝置。若探放水量較大(大于10 m3/h)，可利用該孔進(jìn)行簡易放水試驗，并注漿封堵，然后再繼續(xù)掘進(jìn)；若探放水量較小(小于10 m3/h)，可繼續(xù)掘進(jìn)，并利用該孔作為水壓、水量監(jiān)測孔；如果水壓水量逐漸增大，應(yīng)停止掘進(jìn)，立刻進(jìn)行注漿，其效果經(jīng)探查驗證合格后，再繼續(xù)掘進(jìn)。

4.3 工作面防治水措施

(1)在工作面回采前6個月，建議利用音頻電透視儀或其他物探手段對工作面頂?shù)装暹M(jìn)行探測，確定頂?shù)装鍘r層的構(gòu)造及其富水性，圈定出可能發(fā)生的突水危險區(qū)。

(2)在工作面回采前，凡探測和分析認(rèn)為存在富水區(qū)與工作面內(nèi)部斷層、陷落柱，必須打鉆驗證。確認(rèn)為是富水區(qū)(包括斷層、裂隙帶)后，為防止采動過程中破壞加劇，對鉆探水量大的鉆孔應(yīng)盡快進(jìn)行堵水處理。

(3)回采工作面中的突水點(diǎn)如不影響工作面回采，可只采取排水措施；如影響工作面回采，需針對突水點(diǎn)分析其原因和通道進(jìn)行封堵，減少突水，保障安全回采。

4.4 底板注漿加固及改造

底板薄弱帶探查與局部注漿加固是奧灰水水害防治的重要內(nèi)容，貫穿于煤層整個生產(chǎn)活動中，其目的是充分利用隔水層阻水能力實(shí)現(xiàn)奧灰水帶壓安全開采。探查工作須在生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)實(shí)施，實(shí)施階段及方法如下。

(1)在采區(qū)開拓前，須開展地面物探或井下探查工作，確定斷層、陷落柱平面位置，對其富水性進(jìn)行解釋，為井下富水異常區(qū)探查提供依據(jù)。

(2)在主要巷道開拓及工作面掘進(jìn)時，堅持“有掘必探”原則，采用井下物探、鉆探相結(jié)合探查方法，尤其是在地面物探揭示存在富水異常構(gòu)造帶附近采掘時，要給予高度重視。

(3)在工作面回采前，采用井下音頻透視方法，探查工作面內(nèi)部及頂?shù)装鍢?gòu)造發(fā)育情況、富水異常帶分布情況，采用鉆探手段進(jìn)行底板奧灰水文地質(zhì)條件探查、疏放與底板破碎帶注漿治理。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)井田內(nèi)YZK-1號水文鉆孔資料及周邊煤礦水井資料，井田奧灰含水層富水性中等。推測該井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為+825～+850 m，地下水流向西南。

(2)巷道掘進(jìn)奧灰水帶壓評價：依據(jù)井田鉆孔資料，計算可知煤層開采隔水層厚度大于10、11、13號煤層巷道掘進(jìn)安全隔水層厚度，在正常塊段工作面掘進(jìn)過程中受到底板奧灰水的威脅小，是相對安全的；但在構(gòu)造破壞地帶，因斷層、陷落柱等具有導(dǎo)水性，在承壓區(qū)內(nèi)有可能發(fā)生突水。

(3)根據(jù)10、11、13號煤層奧灰?guī)悍謪^(qū)圖可知，10、11、13號煤層在正常塊段工作面回采是相對安全的，在構(gòu)造破壞地段工作面回采是相對危險的，有可能發(fā)生突水。

(4)在分析井田開采的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)該礦井奧灰突水帶壓評價，應(yīng)做好常規(guī)水文監(jiān)測，采用物探、鉆探、注漿等措施，加強(qiáng)導(dǎo)水構(gòu)造和底板薄弱帶的探查與治理，建立強(qiáng)大的排水系統(tǒng)保障安全開采。