礦井水文地質(zhì)特征及水害防治技術(shù)研究

高建峰

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司河津杜家溝煤業(yè)有限公司，山西臨汾041000）

在煤礦生產(chǎn)中，礦井水害是制約我國煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一。由于含煤地層總體來說形成時(shí)間較晚、成巖的差異較大。由于地質(zhì)條件的特殊性，在進(jìn)行煤炭開采活動(dòng)中出現(xiàn)了許多礦井水害問題，如突水突泥、突水水量大、采動(dòng)覆巖破壞嚴(yán)重等[1-2]，因此，對(duì)礦井開采活動(dòng)中的防治水，也應(yīng)加速研究，以保障特殊水文地質(zhì)條件下礦井的安全開采。本文以杜家溝礦為研究對(duì)象，對(duì)水文地質(zhì)條件及水害治理做出一定的研究。

1 礦井概況及水文地質(zhì)特征

杜家溝礦位于山西省河津市清澗鎮(zhèn)杜家溝村西北約3km處，井田面積約9.89km2，礦井南北長4.660km，東西寬4.500km，礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.60Mt/a。現(xiàn)主要開采山西組2#煤層，采用綜采一次采全高的采煤方法。礦井地質(zhì)為侵蝕性黃土低山區(qū)。礦井的水屬黃河流域三川河水系東川河支流南岸匯水區(qū)，礦井煤層埋深較淺，且存在季節(jié)性洪水、礦井含水層涌水現(xiàn)象十分常見，涌水量和涌水水壓較大。為了保證礦山的生產(chǎn)安全，對(duì)該礦水文地質(zhì)進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)對(duì)水害防治的措施。礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造為南西單斜構(gòu)造，根據(jù)資料可知地層的傾角為3°~14°，平均約為5°。在井田范圍內(nèi)的地表無基巖露出，地層均為第三系、第四系覆蓋，礦區(qū)的地層由老至新分別為奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組，第三系上新統(tǒng)、第四系中上更新統(tǒng)以及全新統(tǒng)。其中奧陶系中統(tǒng)峰峰組為含煤巖系之基底，石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組為井田內(nèi)主要含煤地層[3]。

杜家溝礦的2-101工作面水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，井田奧灰水位標(biāo)高為+578.60~+582.20m，工作面煤層底板的標(biāo)高為670m，低于奧灰靜止水位標(biāo)高88~92m，屬帶壓開采，煤層底板最大突水系數(shù)為0.019MPa/m，當(dāng)采區(qū)在沒有構(gòu)造導(dǎo)水的情況下，工作面較為安全?？紤]到工作面的構(gòu)造較發(fā)育，隨意導(dǎo)致構(gòu)造導(dǎo)水不能及時(shí)排除，易造成工作面出現(xiàn)水害。回采前已對(duì)同層2-104工作面采空積水進(jìn)行了探放，發(fā)現(xiàn)打通后采空區(qū)后均無水，所以2-104采空積水對(duì)工作面回采無影響；對(duì)同層2-101工作面采空積水進(jìn)行了探放，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水水量分別為3m3/h、6m3/h，水量對(duì)工作面回采幾乎無影響。同時(shí)根據(jù)資料可以看出工作面的頂板砂巖含水層儲(chǔ)水是工作面主要的充水因素，當(dāng)工作面持續(xù)掘進(jìn)時(shí)，此時(shí)由于工程擾動(dòng)，造成工作面頂板出現(xiàn)裂隙，且裂隙的數(shù)量不斷增加，此時(shí)的頂板砂巖含水層的水會(huì)沿頂板裂隙和支護(hù)錨桿、錨索孔進(jìn)入到工作面中，影響工作面的正常生產(chǎn)。在正常情況下，工作面的水量一般僅表現(xiàn)為滴水、淋水的現(xiàn)象。工作面正常涌水量為5~10m3/h，最大涌水量為

50m3/h。

當(dāng)煤層完成開采后，此時(shí)巷道的上覆巖層出現(xiàn)破壞及運(yùn)移，此時(shí)覆巖形式“上三帶”，分別為垮落帶、裂隙帶及彎曲帶。三帶中垮落帶的空隙較大，且垮落帶的空隙間連通性強(qiáng)，這就造成了工作面水害，所以對(duì)工作面進(jìn)行防水是十分有必要的[4]。

2 防治技術(shù)研究

為了對(duì)覆巖的三帶進(jìn)行研究，本文選定電阻率法來對(duì)覆巖的三帶進(jìn)行研究。電阻率法測(cè)定三帶技術(shù)主要是利用不同的破壞帶具有顯著的電阻率差異，來觀測(cè)上覆巖層的破壞過程。一般來說在工作面巷道的縱向工作面的開采方向進(jìn)行施工，在施工頂板位置進(jìn)行垂直方向鉆孔，在觀測(cè)孔內(nèi)設(shè)置電極后，隨著工作面的推進(jìn)，觀測(cè)孔內(nèi)觀測(cè)系統(tǒng)將會(huì)反映出采動(dòng)前、中的電性參數(shù)，從而在一定程度上反映覆巖破壞帶發(fā)育的情況及規(guī)律。本文測(cè)試選用的設(shè)備為并行網(wǎng)絡(luò)電法儀，儀器最大的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)任意電極供電，電性參數(shù)可以在任意極端進(jìn)行測(cè)得。并行網(wǎng)絡(luò)電法儀如圖1所示。

圖1 并行網(wǎng)絡(luò)電法儀

在2-101工作面進(jìn)行鉆孔，分別布置T1、T2鉆孔位于2-101下順槽處，T1鉆孔與2-101下順槽的夾角設(shè)定為10°，朝向工作面推進(jìn)方向，鉆孔的仰角設(shè)定為35°，鉆孔的孔深67m，垂高為36m，平距為57.6m；T2鉆孔與2-101下順槽的夾角設(shè)定為10°，同樣朝向工作面推進(jìn)方向，觀測(cè)鉆孔的仰角為39°，布置孔深74m，垂高和平距分別為45m、57m。完成觀測(cè)鉆孔施工后，經(jīng)實(shí)際測(cè)量獲取實(shí)際的鉆孔參數(shù)，實(shí)際鉆孔參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相差符合相應(yīng)的規(guī)定，在兩鉆孔內(nèi)分別布置電極系統(tǒng)，進(jìn)行三帶的測(cè)定。

兩個(gè)觀測(cè)鉆孔可以實(shí)現(xiàn)全程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以有效地獲得工作面受采動(dòng)影響前后頂板的特征，同時(shí)選定初始狀態(tài)以及頂板破壞后的電阻率剖面圖進(jìn)行對(duì)比反映覆巖的變化情況。采動(dòng)前的電阻率剖面圖如圖2所示。

圖2 采動(dòng)前鉆孔電阻率剖面圖

圖2 所示為采動(dòng)前電阻率剖面圖，從圖中可以看出電阻率結(jié)果圖像采用統(tǒng)一圖標(biāo)，藍(lán)綠色表示較低電阻率值區(qū)，紅色表示較高電阻率值區(qū)?？梢钥闯霾蓜?dòng)前初始狀態(tài)下T1和T2鉆孔觀測(cè)到的電阻率剖面圖較為穩(wěn)定，最大值均不超過200Ω·m，除極少范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的電阻率，大部分位置的電阻率保持在40Ω·m左右，與正常的砂巖及泥巖層電阻率相差不大[5]。

采動(dòng)后的電阻率剖面圖如圖3所示。

圖3 所示分別為工作面回采過后T1、T2觀測(cè)孔測(cè)得的電阻率，可以看出此時(shí)的電阻率對(duì)比初始狀態(tài)有了一定幅度的提升，且升高的幅度較大，同時(shí)頂板的大面積范圍內(nèi)的電阻率均增大。對(duì)T1鉆孔和T2鉆孔的電阻率分布特征的分析，得到兩鉆孔處間的覆巖垮落帶高度約為16m左右。通過電阻率數(shù)據(jù)可以得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度遠(yuǎn)超預(yù)期，所以對(duì)工作面進(jìn)行防水處理是十分有必要的[6-7]。

圖3 采動(dòng)后鉆孔電阻率剖面圖

3 防治水的措施

礦井防治水的措施：

（1）回采過程中嚴(yán)格按照要求進(jìn)行防治水施工。

（2）頂板灰?guī)r裂隙水防治：工作面必須配備排水能力不小于最大涌水量兩倍的排水設(shè)施及管路，并有備用水泵，壓風(fēng)、供水管預(yù)留接口作為備用排水管，并定期維護(hù)，確保其完好[8]。

（3）采空區(qū)積水防治：回采前按照專門探放水設(shè)計(jì)對(duì)2-101工作面采空積水區(qū)進(jìn)行了探放，采空積水已放完，對(duì)工作面的回采無影響，但對(duì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水施工隊(duì)組定期按排人員排放[9]。

（4）奧灰水防治：掘進(jìn)中揭露的構(gòu)造現(xiàn)不導(dǎo)水，但回采中受采動(dòng)影響構(gòu)造滯后導(dǎo)水不能排除，回采前必須對(duì)工作面進(jìn)行坑透、瞬變電磁探測(cè)，異常區(qū)需進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確保安全后方可回采?；夭蛇^程中構(gòu)造附近應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，如工作面發(fā)生底鼓、頂板來壓、裂隙增大、裂隙出現(xiàn)滲水、水質(zhì)清澈、穩(wěn)定、無臭味以及在遇構(gòu)造時(shí)出現(xiàn)滲水、涌水等突水征兆，應(yīng)立即撤退，并采取相應(yīng)措施[10]。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)杜家溝礦的水文地質(zhì)進(jìn)行研究，以2-101工作面為研究背景，通過原有資料配合電阻率法對(duì)覆巖的三帶進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)2-101工作面的導(dǎo)水帶發(fā)育較好，為避免水害的發(fā)生，給出了相應(yīng)的防水措施，有效的保證了礦山的正常開采。