大佛寺煤礦復(fù)合煤層開采條件下的水害防治技術(shù)研究

高丁丁，任曉東

(陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

0 引言

大佛寺煤礦進(jìn)入4號(hào)煤、4上煤聯(lián)合開采以來，4號(hào)煤工作面受到不同程度的頂板水害影響，根據(jù)對(duì)4號(hào)煤?jiǎn)蚊簩娱_采和復(fù)合煤層開采的水害影響進(jìn)行對(duì)比分析，復(fù)合煤層開采條件下同時(shí)面臨頂板洛河組-宜君組含水層涌水、采空區(qū)積水和離層水害的多重威脅，且多種水害互相影響疊加，主要表現(xiàn)為“脈沖性”出水的典型特征，對(duì)回采工作面安全生產(chǎn)有著嚴(yán)重威脅。本文通過對(duì)大佛寺煤礦40109工作面涌水原因和涌水通道進(jìn)行分析，針對(duì)水害問題制定了綜合防治水措施，保證工作面安全生產(chǎn)，同時(shí)為后期復(fù)合煤層開采區(qū)域水害防治提供技術(shù)支撐。

1 工作面概況及礦井水文地質(zhì)條件

1.1 工作面概況

40109工作面為401采區(qū)西翼第3個(gè)4號(hào)煤與4上煤聯(lián)合開采工作面，采用后退式走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。工作面走向長(zhǎng)1 860 m，傾向200 m，煤層埋藏深度346.4～503.3 m，煤層厚度約13.2 m，平均可采厚度為12.2 m。工作面剖面如圖1所示。

圖1 40109工作面剖面位置示意Fig.1 Sectional position of 40109 working face

40109工作面上部41105工作面煤層平均厚度為3.0～4.7 m，平均可采厚度為3.5 m；切眼到停采線4號(hào)煤與4上煤間距由10 m逐漸變化為34 m左右；工作面位于401采區(qū)西翼中段，區(qū)域構(gòu)造位置處于祁家背斜與師家店向斜之間，受師家店向斜穿過工作面中部，工作面煤層傾角為2°～6°左右，工作面中西部煤層傾角相對(duì)較大。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)主要發(fā)育有第四系松散層孔隙潛水；白堊系洛河組和宜君組承壓含水層；侏羅系安定組、直羅組和延安組砂巖含水層。隔水層包括新近系上中新統(tǒng)小章溝組隔水層、白堊系下統(tǒng)華池組相對(duì)隔水層、侏羅系中統(tǒng)安定組隔水層、侏羅系下統(tǒng)富縣組隔水層以及三疊系上統(tǒng)胡家村組相對(duì)隔水層，含隔水層與煤層的上下賦存關(guān)系如圖2所示。

圖2 大佛寺煤礦含隔水層與煤層的上下賦存關(guān)系示意Fig.2 The relationship between upper and lower occurrence of aquifer and coal seam in Dafosi Coal Mine

第四系松散層孔隙潛水含水層(Q)：①河谷區(qū)沖、洪積層孔隙潛水(Q4)分布于涇河及磨子溝、安化溝、菜子溝等河谷及溝谷中，呈帶狀展布，最大厚度26.20 m，一般厚度10.55～17.45 m，上部以砂質(zhì)黏土、粉砂為主；下部為中、粗砂及礫石層。水質(zhì)多為HCO3-Na·Ca·Mg型或HCO3·SO4-Na型，礦化度0.45～1.27 g/L。②全區(qū)分布，各溝谷中均有出露。該組頂部為馬蘭黃土(Q3)，一般厚5～10 m，系淺灰黃色黏土，透水而不含水；中部為離石黃土(Q2)，一般厚80～100 m，以淺黃褐色砂質(zhì)黏土為主，中部夾鈣質(zhì)結(jié)核層或砂礫石層，孔隙性較好，形成弱的含水層，含水層厚度一般20～30 m；下部為午城黃土(Q1)，以深黃褐色砂質(zhì)黏土為主，較致密，具隔水性，水質(zhì)為HCO3-Ca·Mg·Na型，礦化度小于0.5 g/L。

白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙-裂隙承壓含水巖組(K1l)：巖性以棕紅色中、粗粒砂巖為主，夾礫巖或含礫粗砂巖及少量泥巖、砂質(zhì)泥巖。含水巖段由各類砂巖組成，厚7.35～282.20 m，平均167.41 m；南薄北厚，東薄西厚，富水性由南向北逐漸增強(qiáng)，露頭部分為無壓水。單位涌水量0.012 75～0.050 8 L/s·m，滲透系數(shù)0.018～0.082 m/d，水質(zhì)類型為SO4-Na·Mg型，礦化度1.18 g/L。

白堊系下統(tǒng)宜君組裂隙承壓含水巖組(K1y)：巖性為砂礫及礫巖，一般厚度20～30 m，滲透系數(shù)0.000 687～0.002 429 m/d，富水性弱。水質(zhì)類型SO4-Na型，礦化度3.964 g/L。

侏羅系中統(tǒng)直羅組裂隙承壓含水巖組(J2z)：巖性為淺灰綠色中粗粒砂巖及砂質(zhì)泥巖、泥巖，一般厚度8.65～54.02 m，滲透系數(shù)0.000 12～0.005 9 m/d，富水性極弱，水質(zhì)類型Cl-Na型，礦化度12.58 g/L。

侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙承壓含水巖組(J2y)：①4上煤以上裂隙承壓含水層段(J2y上段)，該層段含水層由中粒砂巖及少量含礫粗砂巖組成，厚度一般4.60～13.10 m，滲透系數(shù)0.005 m/d，富水性弱，水質(zhì)類型為Cl-Na型，礦化度16.15 g/L。②4上煤～4號(hào)煤裂隙承壓含水層段(J2y下段)，該層段含水層由4上煤及其間接頂板之中-粗粒砂巖、砂礫巖組成，厚度一般6.75～25.34 m，富水性弱，滲透系數(shù)0.000 22～0.002 2 m/d，水質(zhì)類型為Cl-Na型，礦化度13.78～13.88 g/L。

2 工作面充水因素分析

2.1 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

導(dǎo)水裂隙帶是冒落帶和裂隙帶的合稱。分析導(dǎo)水裂隙帶的高度對(duì)下分層煤層開采具有重要意義，它是評(píng)價(jià)上分層開采后形成的采空區(qū)積水及上覆含水層水對(duì)下分層煤層正常開采的影響。

根據(jù)陜西省煤田地質(zhì)局一八六隊(duì)編制的《大佛寺煤礦地下水對(duì)煤礦安全開采影響的研究與分析》報(bào)告，4號(hào)煤裂高采厚比一般為16.85，40109工作面平均煤厚為13.2 m，可采煤厚平均為12.2 m，經(jīng)計(jì)算得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度平均為205.6 m。

2.2 工作面充水水源分析

地下水：4號(hào)煤上覆的基巖含水層主要有4號(hào)煤頂板延安組裂隙含水層、直羅組裂隙承壓含水層、洛河宜君組孔隙裂隙承壓含水層，以及松散層含水層。40109工作面范圍內(nèi)4號(hào)煤層距洛河組含水層平均隔厚165～190 m左右，根據(jù)對(duì)40109工作面導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算得出，在工作面回采過程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度可在工作面全部區(qū)域范圍內(nèi)均波及到洛河組含水層。

采空區(qū)積水：40109工作面范圍內(nèi)4號(hào)煤層與4上煤間距為10～34 m，采空區(qū)位于4號(hào)煤冒落帶發(fā)育范圍內(nèi)，故回采垮落過程中會(huì)導(dǎo)通41105采空區(qū)積水，故上覆4上煤采空區(qū)積水是工作面直接充水水源。

綜上得出40109工作面直接充水水源主要有41105工作面采空區(qū)積水、直羅-延安組砂巖含水層水、洛河-宜君組砂礫巖含水層水，40109工作面導(dǎo)水裂隙帶波及上覆采空區(qū)如圖3所示。

圖3 40109工作面導(dǎo)水裂隙帶波及上覆采空區(qū)示意Fig.3 The water-conducting fracture zone of the 40109 working face spreads to the overlying goaf

2.3 上覆采空區(qū)積水分析

對(duì)上部積水區(qū)的準(zhǔn)確判斷是防治老空積水的重點(diǎn)和難點(diǎn)。40109工作面上覆為411采區(qū)41105回采工作面，積水區(qū)域位于工作面停采線向里500～900 m，如圖4所示。

圖4 41105工作面積水范圍預(yù)測(cè)及鉆孔施工示意Fig.4 Prediction of water range and drilling construction in 41105 working face

積水量計(jì)算公式為

式中，Q采為采空區(qū)積水量，m3；M為采空區(qū)煤層采高，取3.2 m；S為采空區(qū)積水面積，m2；α為煤層平均傾角，(°)；K為充水系數(shù)，取0.25。計(jì)算得41105采空區(qū)積水面積54 447 m2，積水量10 889 m3。

2.4 工作面導(dǎo)水通道

由于采煤影響其頂板導(dǎo)水裂隙帶將向上發(fā)育，導(dǎo)通上部含水層造成頂板含水層涌水礦井形成水害，洛河組含水層水通過頂板導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入采空區(qū)和工作面，故40109工作面回采過程中頂板導(dǎo)水裂隙帶為其主要導(dǎo)水通道。

3 工作面防治水措施

3.1 水害超前治理，積極開展探查疏放，杜絕水害事故發(fā)生

掘進(jìn)前，開展水文地質(zhì)條件分析，實(shí)施鄰近采空區(qū)探放水、超前瞬變電磁勘探及超前探放水等工程，提前疏放采空區(qū)積水，進(jìn)一步探查水文地質(zhì)條件。

回采前，開展井下頂板水文物探、水害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、頂板異常區(qū)探放水、頂板離層井下探放水、采空區(qū)積水探放水，并建立具有抗災(zāi)能力的排水系統(tǒng)。

3.2 落實(shí)水害治理措施，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督管理，提高水害管理能力

針對(duì)工作面涌水量變化劇烈，加強(qiáng)了排水系統(tǒng)建設(shè)。工作面排水系統(tǒng)有效能力均達(dá)預(yù)測(cè)最大涌水量的1.2倍以上，各排水點(diǎn)均為雙泵雙電源，獨(dú)立管路，確保排水系統(tǒng)滿足排水需求。

工作面運(yùn)、回順建設(shè)為獨(dú)立排水系統(tǒng)。①疏導(dǎo)涌水路徑。針對(duì)工作面內(nèi)涌水，通過調(diào)整采煤工藝，沿工作面走向、傾向留設(shè)擋水梁，使工作面涌水沿上下隅角流出，避免水上系統(tǒng)，減小對(duì)生產(chǎn)的影響。②縮減排水路徑，實(shí)現(xiàn)清污分離。將工作面涌水疏導(dǎo)至上下隅角，同時(shí)往采空區(qū)壓設(shè)排水管路或直接在水溝內(nèi)壓設(shè)管路，使涌水直接排至水倉(cāng)，而不經(jīng)過運(yùn)輸系統(tǒng)及運(yùn)回順巷道，從而減少攜帶的煤泥量，實(shí)現(xiàn)清污分離。③煤泥三級(jí)沉淀。工作面下山推采出現(xiàn)涌水時(shí)，在出水點(diǎn)或上下隅角根據(jù)地形壘設(shè)沉淀池進(jìn)行一次沉淀；同時(shí)在涌水流至水倉(cāng)過程中利用沿途鉆場(chǎng)等設(shè)置沉淀池，對(duì)煤泥進(jìn)行二次沉淀；最后利用水倉(cāng)內(nèi)沉淀池進(jìn)行3次沉淀，減少煤泥對(duì)排水系統(tǒng)的危害，提高排水效率。工作面上山推采時(shí)，利用泄水通道將涌水從老空直接導(dǎo)入泄水巷后進(jìn)行滯后排水，有效減小工作面前方涌水量。

3.3 循環(huán)探放水

進(jìn)一步開展探查疏放工程?；夭汕皩?duì)已施工的探放水孔進(jìn)行反復(fù)透孔，徹底消除上覆采空區(qū)積水威脅。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合煤層開采下分層時(shí)，應(yīng)提前查清上覆采空區(qū)積水情況，對(duì)采空區(qū)積水范圍和水量進(jìn)行預(yù)算，同時(shí)對(duì)該區(qū)域的水文地質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出相對(duì)應(yīng)的安全技術(shù)措施，確保安全生產(chǎn)。

(2)堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則；嚴(yán)格落實(shí)“三專兩探一撤”防治水要求，形成了“超前探放、階段布局、多級(jí)沉淀、均衡排放、循序漸進(jìn)”的防治水工作思路。

(3)通過瞬變電磁法、井下高分辨直流電法等物探形式，對(duì)上覆老空區(qū)含水分布、隔水層厚度、含水層富水性分布、垂向?qū)ǖ谰唧w位置、上下聯(lián)通等情況進(jìn)行探查，并對(duì)含水層富水性平面分布，潛在富水區(qū)、突水通道作出預(yù)測(cè)。通過物探對(duì)富水區(qū)進(jìn)行探查，并編制相應(yīng)的探放水設(shè)計(jì)，合理布置鉆孔數(shù)量及位置，優(yōu)化作業(yè)環(huán)境。