深部復(fù)雜條件下煤礦充水因素與防治技術(shù)研究

姬永飛,張 軍

(銅川礦務(wù)局有限公司 冶坪分公司，陜西 銅川 727100)

我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，嚴(yán)重影響著煤礦安全生產(chǎn)。許多學(xué)者對(duì)煤礦水害防治進(jìn)行了研究并取得了有效的成果。黃選明等[1]從充水水源、充水通道、充水強(qiáng)度方面分析了露天煤礦水害特征，提出露天煤礦由遠(yuǎn)及近、由上而下、由面至點(diǎn)的立體防治水技術(shù)體系。崔芳鵬等[2]對(duì)依據(jù)充水水源、煤層與含水層相對(duì)位置和導(dǎo)水通道等分類的諸多礦井水害的防治技術(shù)與方法進(jìn)行了分析與探討，為不同類型煤礦水害的精細(xì)化防治提供技術(shù)支持。梁敬東[3]通過(guò)對(duì)煤礦斷層充水基本特征的分析，提出斷層充水的防治建議。

近年來(lái)，冶坪煤礦逐漸向深部開采，水害嚴(yán)重影響工作面的正常回采，本文從該礦地質(zhì)概況、水文地質(zhì)條件等方面，分析了水害的危險(xiǎn)性并提出具體的防治措施。

1 工程概況

冶坪煤礦隸屬于陜西美鑫礦業(yè)有限公司，為原薛家寨煤礦和玉峰煤礦產(chǎn)能異地置換而新建的礦井。礦井主采煤層為3#煤層和4-2#煤層，均屬局部可采煤層，3煤厚度0～4 m，平均厚度2.05 m，4-2煤厚度0～9.90 m，平均厚度3.26 m，開采標(biāo)高為+990～+780 m.冶坪礦井在2020年底正式開始首采面1301工作面的回采，工作面目前未見明顯的頂板涌水，建井階段礦井涌水主要為井筒及大巷涌水，礦井總涌水量27.7～46.9 m3/h，在雨季會(huì)出現(xiàn)涌水量增大現(xiàn)象，2020年礦井平均涌水量36.65 m3/h.洛河組含水層厚度大，富水性較好，補(bǔ)給條件好，若導(dǎo)水裂隙帶波及洛河組含水層后可能出現(xiàn)涌水增大現(xiàn)象。相鄰崔家溝煤礦、下石節(jié)煤礦等在回采4-2煤時(shí)均出現(xiàn)過(guò)明顯的涌水量波動(dòng)現(xiàn)象，下石節(jié)煤礦回采3-2煤層時(shí)，在工作面回采末期也出現(xiàn)涌水量波動(dòng)現(xiàn)象，最大涌水量可達(dá)200 m3/h以上，說(shuō)明了洛河組含水層富水性相對(duì)較好，且富水性不均一，在局部區(qū)域可能出現(xiàn)涌水量突增，影響工作面回采。

根據(jù)井田及周邊施工的42個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及地層覆巖發(fā)育特征綜合分析，得出一采區(qū)頂板覆巖厚度變化規(guī)律。一采區(qū)內(nèi)華池組厚度變化較大，為140～280 m，采區(qū)西南部由于地表溝谷區(qū)域剝蝕，華池組厚度減小，向東部、北部方向存在厚度較大區(qū)域；采區(qū)華池組地層底板標(biāo)高+1 300～+1 365 m，呈傾向NW的單斜構(gòu)造，見圖1,2.

圖1 華池組地層厚度等值線圖

洛河組厚度變化為276～295 m，采區(qū)北部、西南部洛河組地層厚度較小，向東南方向地層厚度逐漸增大，采區(qū)東南部分厚度接近300 m，見圖3,4.洛河組地層整體呈一NNW傾向單斜，一采區(qū)內(nèi)底板較為平緩，標(biāo)高+1 020～+1 065 m，采區(qū)南部洛河組地層底板標(biāo)高平緩，在+1 065 m附近，向北西方向地層底板標(biāo)高逐漸減小，未見明顯褶皺發(fā)育。

圖2 華池組底板標(biāo)高等值線圖

圖3 洛河組地層厚度等值線圖

圖4 洛河組底板標(biāo)高等值線圖

2 深部煤礦充水因素分析

2.1 充水水源

根據(jù)井上下基礎(chǔ)資料，主要分析礦井一采區(qū)東部充水水源及充水通道，對(duì)已采區(qū)域礦井充水強(qiáng)度進(jìn)行總結(jié)。

1)大氣降水和地表水。礦井區(qū)域?qū)俅箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，一次性最大降水量294.8 mm.在基巖出露區(qū)域，對(duì)地下含水層具有一定的補(bǔ)給。據(jù)礦井涌水量相關(guān)因素曲線圖(圖5)，目前礦井涌水主要以井筒及大巷涌水為主，在8—9月份降雨量較大時(shí)間，礦井涌水有隨之增大的現(xiàn)象，大氣降水為間接充水水源。

圖5 涌水量相關(guān)因素曲線圖

2)地下水?，F(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范中收錄的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式，均有一定的適用條件，目前的限制條件大部分為采厚。冶坪煤礦一采區(qū)范圍內(nèi)3煤厚度為1.50～3.50 m，大部分區(qū)域內(nèi)煤層厚度在2～3 m，局部存在薄煤帶，采區(qū)所布設(shè)均為綜采工作面，3煤頂板為中硬頂板，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大為47.4 m.

冶坪礦井煤層采厚以2～3 m為主，一采區(qū)工作面采寬為180 m，周邊礦井采寬與采厚一般均大于冶坪礦井(表1)，僅下石節(jié)煤礦回采3-2煤的2301工作面，采厚、采寬與冶坪煤礦最為相近，且覆巖結(jié)構(gòu)類似，2301工作面寬度215 m，煤層采厚4.2 m，實(shí)測(cè)裂采比26.7 m，冶坪礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)采用下石節(jié)煤礦2301工作面實(shí)測(cè)裂采比26.7倍計(jì)算。冶坪礦井3#煤厚度總體較小，且含多層夾矸，在預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶時(shí)僅考慮可采煤厚，可采厚度小于綜采支架最低高度2.1 m時(shí)，按2.1 m采厚計(jì)算，則一采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為56.07～85.44 m.

表1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3)頂板含水層水。

預(yù)測(cè)導(dǎo)高與洛河組底板距離等值線見圖6.如圖6所示，采厚較小工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度也能達(dá)到較大值，相鄰井田實(shí)測(cè)值也說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果在該區(qū)域地質(zhì)條件下并不適用，因此，選用實(shí)測(cè)裂采比預(yù)測(cè)冶坪礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，即56.07～85.44 m.冶坪煤礦一采區(qū)范圍內(nèi)，3煤頂板與洛河組底界面的間距為85～125 m.前述分析，井田內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大為85.44 m，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙均未發(fā)育至洛河組底部。在相鄰礦井較薄煤層工作面開采中，出現(xiàn)過(guò)導(dǎo)水裂隙帶波及洛河組造成工作面回采末期涌水量增大的現(xiàn)象，冶坪礦井回采中也應(yīng)注意局部構(gòu)造區(qū)域?qū)严稁Оl(fā)育高度異常造成的涌水量增大現(xiàn)象。

圖6 預(yù)測(cè)導(dǎo)高與洛河組底板距離等值線圖

4)采空區(qū)積水。

根據(jù)前述分析，崔家溝井田采掘工作不受下石節(jié)、陳家山煤礦采空區(qū)積水影響，井田內(nèi)也未見以往生產(chǎn)小窯，目前僅崔家溝煤礦一盤區(qū)采空區(qū)積水可能對(duì)冶坪礦井東部1307、1308工作面回采有一定影響。據(jù)礦井提供數(shù)據(jù)，崔家溝煤礦的一盤區(qū)現(xiàn)已經(jīng)回采完并封閉，閉墻已開始涌水，采空區(qū)內(nèi)完全充水，積水標(biāo)高+1 000 m；崔家溝一盤區(qū)2116工作面進(jìn)入冶坪礦井田邊界內(nèi)約233 m，該工作面回采延安組4-2煤，進(jìn)入冶坪礦的采空區(qū)最低點(diǎn)為+892.813 m(巷道控制點(diǎn)推算)，以此計(jì)算2116采空區(qū)最低點(diǎn)水頭壓力達(dá)1.072 MPa，采空區(qū)積水量大、積水壓力高，可能威脅冶坪礦鄰近工作面回采。崔家溝一盤區(qū)采空區(qū)積水對(duì)3#煤采掘活動(dòng)具有一定威脅，采前應(yīng)采取相應(yīng)水害防治措施。

2.2 充水通道特征分析

1)采動(dòng)裂隙。崔家溝煤礦2116工作面開采4-2煤，煤層采厚7.5 m，以實(shí)測(cè)裂采比27.55倍計(jì)算，2116采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶已波及頂板洛河組含水層，崔家溝礦一盤區(qū)充水通道也主要以采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶為主。相鄰礦井常以留設(shè)煤柱方法作為防隔水措施，若煤柱寬度不足，可能存在兩礦頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育區(qū)域互相溝通，相鄰已采區(qū)的采空區(qū)積水或含水層水會(huì)經(jīng)導(dǎo)水裂隙帶側(cè)向補(bǔ)給本礦回采工作面頂板含水層，造成工作面充水強(qiáng)度增大。

2)構(gòu)造裂隙。礦井正在進(jìn)行首采面1301工作面回采，以往掘進(jìn)或回采期間并未揭露斷裂構(gòu)造，一采區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶曲為主，據(jù)覆巖底板等值線推斷，褶皺主要在侏羅系地層內(nèi)發(fā)育，未波及白堊系地層，褶皺軸部可能存在裂隙發(fā)育區(qū)域，回采至褶皺軸部可能出現(xiàn)淋水增大現(xiàn)象。另外，在1301工作面切眼部位揭露一薄煤區(qū)，推斷為受背斜構(gòu)造影響的構(gòu)造薄煤區(qū)，薄煤區(qū)或無(wú)煤區(qū)也有可能是古河流沖刷形成，對(duì)應(yīng)區(qū)域可能存在河流相沉積的砂礫巖區(qū)域，富水性相對(duì)較好，回采至該區(qū)域可能出現(xiàn)頂板淋水增大現(xiàn)象。

3)封閉不良鉆孔。一采區(qū)內(nèi)有以往勘探時(shí)期施工的10個(gè)鉆孔，均為2013年由陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司施工的勘探鉆孔，根據(jù)鉆孔柱狀圖，所有鉆孔均為洛河組底板以上10 m至終孔為水泥砂漿封閉，頂部黃泥封堵，全孔封閉，但由于部分煤層較厚處導(dǎo)水裂隙帶頂部距離洛河組含水層較近，黃泥封堵效果難以保證，因此在回采至對(duì)應(yīng)鉆孔時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)水情觀測(cè)，必要時(shí)采取治理措施。

3 復(fù)雜條件下深部煤礦防治水關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 防治水思路

根據(jù)冶坪礦井一采區(qū)可能面臨的水害威脅，提出了防治水技術(shù)措施，具體防治水思路見圖7.巷道掘進(jìn)前分析地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，做好掘進(jìn)探放水設(shè)計(jì)及掘進(jìn)中超前段水情探查工作，加強(qiáng)鄰采空區(qū)巷道淋(滲)水情況觀測(cè)；回采前探查并確定2116采空區(qū)具體位置，進(jìn)行采前防治水安全評(píng)價(jià)；對(duì)采空區(qū)積水區(qū)域留設(shè)合理防隔水煤柱，必要時(shí)可采取注漿充填技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)水害治理。

圖7 東部邊界3煤開采防治水技術(shù)路線圖

3.2 掘進(jìn)防治水措施

崔家溝2116采空區(qū)與冶坪煤礦開采工作面位置明確，確定其采空區(qū)存在積水，3煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度6.63 MPa，屬碎軟煤層，探水線應(yīng)為采空區(qū)積水邊界外推30～40 m，安全起見此處取40 m(考慮覆巖破壞裂縫角時(shí)，應(yīng)自采空區(qū)邊界外推47.73 m)；警戒線應(yīng)自探水線外推20～40 m，考慮采空區(qū)水頭壓力較大，警戒線外推距離取100 m.1308工作面巷道工程基本位于探水線以外，掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)自警戒線開始警惕積水威脅，注意觀察掘進(jìn)頭及采空區(qū)一側(cè)煤壁出水情況，做好巷道滲水及掘進(jìn)探放水鉆孔水情觀測(cè)。

掘進(jìn)超前探放水：進(jìn)入采空區(qū)積水警戒線以后，應(yīng)編制每循環(huán)探放水設(shè)計(jì)，安排專用鉆機(jī)及專職隊(duì)伍，加密鉆探、物探相結(jié)合的掘進(jìn)超前段水情循環(huán)探查，直至掘進(jìn)工程安全掘進(jìn)出警戒區(qū)域后，恢復(fù)正常探水循環(huán)。

探放水工程：巷道掘進(jìn)超前物探建議選用瞬變電磁法進(jìn)行，探查分析巷道掘進(jìn)前方、右前方(采空區(qū)方向)的異常含水體(包括可能存在的導(dǎo)水構(gòu)造或者盲巷)；掘進(jìn)鉆探根據(jù)以往探放水加密布設(shè)鉆孔，向采空區(qū)一側(cè)施工的探查鉆孔應(yīng)開展鉆孔測(cè)斜工作，確定鉆進(jìn)方向準(zhǔn)確性，見圖8.圖8中鉆孔數(shù)量不代表實(shí)際施工數(shù)量，具體鉆孔設(shè)計(jì)礦方依實(shí)際情況布設(shè)。

圖8 掘進(jìn)超前物探方向示意圖

掘進(jìn)水情觀測(cè)：掘進(jìn)前編制好水害應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，掘進(jìn)中做好采空區(qū)一側(cè)煤壁水情觀測(cè)，建立探放水臺(tái)賬，對(duì)巷道涌水、鉆孔水及時(shí)采取水樣進(jìn)行分析對(duì)比，判斷充水水源。

3.3 注漿后工作面底板突水危險(xiǎn)性分析

在冶坪礦采用超聲波法測(cè)量底板巖體受注漿加固及開采影響下巖體波速變化的實(shí)測(cè)值，進(jìn)而利用公式將其轉(zhuǎn)化為巖體彈性模量，結(jié)果見圖9.

圖9 不同深度處底板巖體彈性模量圖

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明正常帶巖體，受注漿加固作用影響，巖體強(qiáng)度變化明顯，未經(jīng)過(guò)注漿加固作用的巖體彈性模量最低值為0.2 GPa、最大值為4.3 GPa，小范圍深度內(nèi)巖體彈性模量變化不大，大范圍對(duì)比下，巖體彈性模量變化較為明顯，其變化的差異性體現(xiàn)了底板巖體巖性的多樣性及巖層厚度的變化。注漿前底板巖體彈性模量平均值為1.9 GPa；分時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)注漿加固作用的巖體，巖體的彈性模量顯著增大，最小值、最大值分別提高到3.1 GPa和11.7 GPa，平均值為6.3 GPa；受開采影響，底板擾動(dòng)破壞使得其巖體彈性模量減少，最小值、最大值分別降低到1.8 GPa和9.0 GPa，平均值為4.8 GPa，整體巖體強(qiáng)度平均減弱24%，但仍高于注漿加固前巖體彈性模量。

3.4 注漿加固底板巖體富水性探測(cè)

工作面底板注漿加固后，利用井下瞬變電磁勘探技術(shù)探查冶坪礦工作面下順槽通尺1 770～2 270 m段所圈區(qū)域二1煤底板下方70 m范圍內(nèi)的巖層賦水性情況，劃分探測(cè)范圍內(nèi)底板巖層的相對(duì)貧、富水區(qū)域，檢驗(yàn)工作面底板注漿加固的效果。勘探成果見圖10,11.由圖10看出，物探范圍內(nèi)下順槽內(nèi)幫俯角45°勘探成果中的主要相對(duì)低阻異常區(qū)為X1-1，位于通尺1 800 m～1 855 m段附近，異常范圍較小。該低阻區(qū)位于煤層底板下方L8灰?guī)r附近、距離二1煤層較近，可能系附近巖層相對(duì)破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性引起，工作面回采時(shí)，該低阻區(qū)附近的區(qū)域不排除發(fā)生底板突水的可能性。

圖10 工作面下順槽瞬變電磁勘探(內(nèi)幫俯角45°)視電阻率斷面圖

由圖11看出，物探范圍內(nèi)下順槽俯角90°勘探成果中無(wú)需要關(guān)注的相對(duì)低阻異常區(qū)，巖層的賦水性較弱，發(fā)生底板突水的可能性較小。

圖11 工作面下順槽瞬變電磁勘探(俯角90°)視電阻率斷面圖

4 結(jié) 論

根據(jù)礦井勘探及揭露的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，分析了冶坪井田一采區(qū)東部3#煤覆巖結(jié)構(gòu)特征及充水條件，據(jù)崔家溝礦2116工作面采空區(qū)基本情況，進(jìn)行了采區(qū)東部1308工作面采空區(qū)防水煤柱寬度驗(yàn)算，提出了相應(yīng)防治水技術(shù)措施，主要結(jié)論如下：

1)依據(jù)崔家溝煤礦提供的2116工作面巷道拐點(diǎn)坐標(biāo)及采空區(qū)范圍，計(jì)算2116采空區(qū)在冶坪井田內(nèi)面積約3.7萬(wàn)m2，估算一盤區(qū)采空區(qū)內(nèi)積水量約413.76萬(wàn)m3，在冶坪井田內(nèi)最大水頭壓力約1.072 MPa.

2)通過(guò)底板注漿加固，可降低底板裂隙發(fā)育，減少底板巖層破碎區(qū)，有效改造底板裂隙含水層。通過(guò)實(shí)際物探探測(cè)效果對(duì)比分析可得，底板巖層視 電阻率變化明顯，低阻異常區(qū)變小，注漿效果明顯。

3)根據(jù)井田東部邊界3#煤回采面臨的水害威脅，提出了掘進(jìn)和回采期間的防治水技術(shù)措施，具體包括水文地質(zhì)條件分析及防治水工程設(shè)計(jì)，掘進(jìn)超前探放水，采前防治水安全評(píng)價(jià)，排水系統(tǒng)建設(shè)，制定應(yīng)急預(yù)案等。