黔北煤田礦井頂板水害特征及防治措施研究

李回貴，蘇德國，許國勝，王 軍,2

（1.貴州工程應用技術(shù)學院礦業(yè)工程學院，貴州 畢節(jié) 551700；2.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京 100083）

0 引言

近十年來我國共發(fā)生礦井水害事故100 余起，呈下降趨勢，但依然是礦井主要災害之一[1]。礦井水害按照充水水源可以分為地表水害、頂板水害、老空水害和底板水害；按照導水通道可以分為斷裂構(gòu)造水害、陷落柱水害、鉆孔水害等[2-5]。黔北煤田近年來主要開采9 號煤層，開采9 號煤層時由于導水裂隙帶能夠發(fā)育至上覆含水層或者受構(gòu)造的影響與上覆含水層溝通，對煤礦的安全生產(chǎn)具有很大影響。

近年來眾多學者針對礦井水害的形成機理、防治措施等進行了研究。喬偉等[6]對煤礦頂板水害形成機制、致災機理及防治技術(shù)進行了研究，認為離層水害的形成需要具備三個基本條件。任鄧君等[7]以高家堡煤礦煤層頂板水為研究對象，對頂板含水層的水化學特征進行了分析，并且運用水質(zhì)特征分析了出水水源，提出了水害防治方法。王威等[8]以黃河北煤田下組煤層開采所受的水害問題為研究對象，分析了黃河北煤田下組煤層的主要水害類型，認為11 煤層開采受到頂板水害和底板水害的威脅。樊文闊等[9]采用區(qū)域超前探查治理技術(shù)對底板灰?guī)r水害進行了研究。米廣鋒等[10]以云蓋山煤礦一礦22204 綜采面為研究對象，通過施工探放水鉆孔、瞬變電磁法和礦井水質(zhì)化驗等方法對礦井水害進行了綜合防治。金永飛等[11]以寶鼎礦區(qū)為研究對象，采用理論分析和FLAC 數(shù)值模擬對該區(qū)域的水害形成機理進行了研究。李偉等[12]采用“物探先行、化探跟進，鉆探驗證”的研究方法對補連塔煤礦水害進行了綜合防治。李宏杰等[13]對準格爾煤田巖溶的發(fā)育特征、水化學特征及突水危險性等進行了深入研究，提出了探測、預測及監(jiān)測和治理與特殊開采等水害綜合防治技術(shù)體系。李文平等[14]研究了深部礦井水害特征，探討了地應力對裂隙水介質(zhì)的力學作用機制。侯憲港等[15]在總結(jié)45 起山西省老空水害事故原因的基礎(chǔ)上，分析了山西省老空水害類型及其主要特征。

從以上研究中可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學者對于礦井水害的機理及防治技術(shù)開展了大量的研究，但對于黔北煤田頂板水害的特征及防治技術(shù)的研究還比較少。近年來黔北煤田頂板涌水事故時有發(fā)生，自2016 年4 月以來，相繼發(fā)生22 起由于開采M9 號煤層，受采動影響，裂隙帶導通上覆含水層長興灰?guī)r的突水未遂事故，最大涌水量達500 m3/h，出現(xiàn)了2 起潰水潰沙并造成人員傷亡的事故，并且涌水事故發(fā)生的同時上覆鄰近煤層瓦斯也涌出，給采面管理帶來極大的安全隱患和問題。因此，研究黔北煤田礦井頂板水害特征及防治措施具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。為了研究黔北煤田礦井頂板水害特征及防治措施，以黔北煤田某片區(qū)為研究對象，分析了研究區(qū)域頂板水水害的充水水源、水化學特征、水害特征，并提出了相應的頂板水害防治措施。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于該井田向斜的軸部，包含六個煤礦，礦區(qū)總面積38.5 km2，核定生產(chǎn)能力550 萬t。地形條件總體上受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制，屬以巖溶地貌為主的中等切割的低中山及中山地形，系黔北高原過渡地帶，屬典型的巖溶山區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢總體呈北西高、南東低。海拔最高+1 628.3 m，最低+980.2 m（西北部馬洛河），相對最大高差648.1 m，一般高差100～300 m。

研究區(qū)域內(nèi)6 個煤礦受井田內(nèi)區(qū)域向斜的影響，其中，A 礦位于向斜北西翼，B 礦位于向斜南翼，C 礦和E 礦位于向斜南東翼，D 礦位于向斜的復合部位，F(xiàn) 礦位于向斜西翼，具體關(guān)系圖如圖1 所示。由圖1可知，研究區(qū)域處于向斜樞紐部，附近的地下水匯集于向斜樞紐部，給研究區(qū)域的防治水工作帶來了極大的困難。

2 研究區(qū)域充水條件分析

2.1 研究區(qū)域頂板水害充水水源分析

研究區(qū)域內(nèi)，主采煤層為C9 號煤層，其上的主要含水層包括龍?zhí)督M含水層、長興組含水層和夜郎組玉龍山段含水層。

1）龍?zhí)督M（P3l）。該組地層為井田含煤地層，隱伏于地下，至地表主要有P3c、T1y1、T1y2中下部上覆地層。巖性以灰色、深灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖為主，夾泥巖、細砂巖、石灰?guī)r、泥灰?guī)r及煤層，厚度84.66～100.32 m，平均厚度91.04 m。

根據(jù)勘查報告發(fā)現(xiàn)，該組地層地下水屬基巖裂隙水類型，研究區(qū)位于中至深埋藏地帶，巖石的風化程度有所減弱，其富水性也隨之減弱。該組地層富水性總體上弱，為研究區(qū)煤礦床充水的直接含水層，從煤礦井下突水的水源分析認為，該組地層含水層由于富水性總體較弱，對于煤礦井下突水威脅較小，不屬于研究區(qū)域9 號煤層開采過程中頂板水害的充水水源。

2）長興組（P3c）。長興組為研究區(qū)含煤地層的直接上覆地層，隱伏于地下，至地表還有T1y1、T1y2中下部上覆地層。全組巖性以石灰?guī)r為主，上部為深灰色厚層狀含遂石結(jié)核、條帶石灰?guī)r組成，下部為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、夾1 層不可采煤層，厚度44.55～61.72 m，平均厚度53.12 m。

該組地層地下水以含碳酸鹽巖溶裂隙水為主，富水性不均一，在淺部巖溶較為發(fā)育。由于該組地層在研究區(qū)位于中至深埋藏地帶，巖溶發(fā)育較淺部減弱，不利于地下水的補給與富集，從而造成研究區(qū)富水性中等偏弱。該含水層直接上覆于龍?zhí)督M含煤地層。區(qū)域內(nèi)該含水層與C9 號煤層的平均距離為48.02 m，導水裂縫帶高度按最大預計值計算，在采高為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m 時，導水裂縫帶高度分別取41.37 m、43.24 m、45.11 m 和50.82 m，因此，可以判斷在正常地質(zhì)條件下，開采3.5 m 煤層時導水裂隙帶發(fā)育高度已大于含水層與C9 號煤層的平均距離，可以認為采動導致的導水裂隙帶能夠波及至長興組灰?guī)r含水層，加之在巖溶通道、斷層及構(gòu)造裂隙等因素的影響下，該組地下水將會成為C9 號煤層的主要充水水源之一。

3）玉龍山段（T1y2）。該段地層僅中上部地層出露于井田的南部及南部礦界外，因溶蝕成因形成峰叢谷地等巖溶地貌，其中巖溶微地貌形態(tài)較為發(fā)育。巖性以灰色中厚層狀石灰?guī)r為主，頂部為灰色薄層狀粉砂巖，厚度197.44～217.27 m，平均厚度208.72 m。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)各煤礦核實報告資料，該段地層在研究區(qū)域內(nèi)煤礦井田內(nèi)廣泛出露，發(fā)育較大巖溶泉水和地下暗河，在地表降水的補給下，部分構(gòu)造發(fā)育區(qū)域富水性較大，天然裂隙通道對于水的輸送能力較大。該組地下水為含碳酸鹽巖溶洞裂隙水，富水性不均一，淺部巖溶較為發(fā)育，由于研究區(qū)出露地勢較高、地形地貌不利于地下水的富集，雖然巖層厚度較大，其富水性亦為中等至弱，作為礦井的間接充水來源，玉龍山段灰?guī)r含水層距離煤層為125.08 m 左右，遠大于煤層開采的導水裂隙帶發(fā)育高度，加之玉龍山段灰?guī)r含水層與長興組灰?guī)r含水層之間為沙堡灣段，巖性為灰色薄層狀粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及細砂巖，平均厚度為16.34 m（7.00～18.80 m）。富水性極弱，為相對隔水層，因此，玉龍山段灰?guī)r含水層對于研究區(qū)域內(nèi)礦井的直接威脅不大。

但是考慮到沙堡灣段相對隔水層由于其厚度薄、厚薄不均，在受未來采動、斷層或構(gòu)造裂隙等因素的影響下，該段地層的隔水能力變差，從而使上覆玉龍山段巖溶含水層與下伏長興組巖溶含水層之間的地下水發(fā)生水力聯(lián)系，加大了長興組含水層的水源補給，以及對礦井的水害威脅。其中，研究區(qū)內(nèi)某年某月發(fā)生了一起頂板水害事故，經(jīng)過事故調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，隱伏斷層將沙堡灣段相對隔水層進行了切割，將長興組灰?guī)r含水層和玉龍山段含水層聯(lián)系起來，進行水源補給，是事故發(fā)生的主要原因。因此，正常開采情況下，研究區(qū)域內(nèi)玉龍山段含水層對煤礦開采影響很小，不是其主要的頂板水害充水水源，但是當頂板中存在構(gòu)造時，有可能變成頂板水害的主要充水水源。

4)研究區(qū)內(nèi)水化學特征。煤礦頂板含水層中的水由于受到地層巖性、地形地貌及水的來源等影響，導致含水層中水的水化學特征存在差異，因此，可以用來識別礦井涌水水源。礦井水質(zhì)全分析測試是測試礦井涌水水化學特征的一種重要方法[16-20]，測試主要參數(shù)包括：Ca2+、Mg2+、K+、Na+、HCO3-、Cl-、SO42-等七大離子，以及礦化度、pH 值等參數(shù)，黔北研究區(qū)域主要水源水質(zhì)全分析測試結(jié)果見表1，根據(jù)表1 繪制各水源Piper 三線圖，如圖2 所示。由表1 可知，長興組含水層的陽離子以Na++K+為主，陰離子以HCO3-、SO42-為主，礦化度變化范圍較大，在327.76～1 175.36之間，水質(zhì)類型為SO42-、HCO3--Na+；玉龍山段含水層的陽離子以Ca2+、Na+為主，陰離子以HCO3-、SO42-為主，礦化度變化范圍較大，在352.63～1 133.81 之間，水質(zhì)類型為HCO3-、SO42--Ca2+和HCO3-、SO42--Na+、Ca2+；老空水的水質(zhì)類型為SO42-、HCO3--Na+。這說明研究區(qū)域內(nèi)長興組含水層與玉龍山段含水層的水質(zhì)類型存在差異，E 礦905 采面頂板和B 礦10901 采面102架頂板主要來水水源為長興組含水層，C 礦903 采面頂板主要涌水水源可能為長興組含水層和玉龍山段含水層。區(qū)內(nèi)各含水層的pH 值以弱堿性為主，范圍為7.63～8.18。

表1 各水源水質(zhì)全分析測試結(jié)果Table 1 Results of total analysis and test of water quality of different sources

圖2 研究區(qū)域內(nèi)礦井水質(zhì)Piper 圖Fig.2 Piper diagram of mine water quality in the study area

2.2 研究區(qū)域內(nèi)突水通道分析

選取黔北煤田某片區(qū)內(nèi)A 礦、B 礦、C 礦、D 礦、E 礦及F 礦典型工作面地質(zhì)和采礦條件進行分析，通過工作面開采高度、煤層距離長興組灰?guī)r含水層的距離等信息，分析工作面開采后導水裂隙帶發(fā)育高度，見表2。表2 中裂采比的計算見式（1）。計算得到上述六個煤礦的導水裂隙帶高度分別為48.10 m、44.64 m、44.21 m、45.68 m、42.71 m 和44.94 m。除了A 礦1901 工作面和B 礦10901 工作面導水裂隙帶計算值小于C9 號煤層與長興組距離以外，其他煤礦工作面的導水裂隙帶均能夠發(fā)育至長興組灰?guī)r底界?？紤]到長興組下部粉砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖的裂隙及弱面等因素，A 礦和B 礦導水裂隙帶發(fā)育高度雖小于長興組底界6.90 m 和5.80 m，但是考慮到工作面開采范圍內(nèi)長興組灰?guī)r與煤層距離的變化，綜合認為研究區(qū)域上述六個煤礦的導水裂隙帶均能夠發(fā)育至長興組底界，即工作面開采到一定尺寸時，導水裂隙帶作為突水通道溝通井下工作面與長興組灰?guī)r下離層水空間，易引發(fā)工作面頂板涌水事故。

表2 研究區(qū)域內(nèi)煤礦導水裂隙帶發(fā)育高度計算Table 2 Calculation of development height of water diversion fracture zone in coal mines in the study area

式中：Lc為裂采比；M為工作面采高，m。

3 黔北煤田水害特征分析

根據(jù)上述分析可知，黔北煤田某片區(qū)開采9 號煤層時，頂板主要充水水源為長興組灰?guī)r水。表3展示了黔北煤田某片區(qū)工作面涌水情況。由表3 可知，研究區(qū)域內(nèi)礦井工作面正常涌水量在11～320 m3/h 之間，最大涌水量在67～470 m3/h 之間，異常涌水時最大涌水量為正常涌水量的1.33～19.10 倍，這說明黔北煤田涌水事故發(fā)生時存在突發(fā)性強、涌水水頭值較大的特點。頂板涌水持續(xù)時間在3～120 h 之間，平均涌水衰減速度在0.96～18.30 m3/h之間，這說明該區(qū)域的頂板涌水持續(xù)時間較短，涌水衰減速度較快。突水位置絕大部分處于工作面下三分之一處；涌水事故發(fā)生時部分工作面存在支架壓架的情況，同時部分工作面存在伴隨瓦斯涌出的情況；該區(qū)域涌水事故發(fā)生時部分事故與斷層存在緊密的關(guān)系。

表3 黔北煤田研究區(qū)域工作面涌水情況Table 3 Water inrush of working face in the study area of North Guizhou Coalfield

4 黔北煤田頂板水害防治措施

根據(jù)上述對于黔北煤田工作面頂板水害充水水源、充水通道及水害特征的分析，結(jié)合煤礦井下現(xiàn)場頂板水防治的經(jīng)驗以及國內(nèi)頂板水害防治的有益經(jīng)驗，制定了針對黔北煤田頂板水害的防治措施。

4.1 控制工作面開采速度，避免工作面長時間停采

黔北煤田開采9 號煤層時，在長興組含水層下方存在泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等巖層，開采9號煤層雖然裂隙可以發(fā)展至長興組下方，但是在工作面長時間停采期間，泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等巖層在水的作用下，會產(chǎn)生膨脹，從而封閉產(chǎn)生的節(jié)理裂隙，形成相對封閉的空間，為頂板水害的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

4.2 工作面頂板來壓及周期來壓期間，注意頂板水害防控

根據(jù)黔北煤田某片區(qū)過往頂板涌水事故分析，頂板涌水事故的發(fā)生隨工作面推進呈周期性出現(xiàn)，大的涌突水主要發(fā)生在工作面推進距離為初次來壓步距左右。黔北煤田某片區(qū)E 礦推進距離57 m 左右發(fā)生基本頂初次來壓，而且頂板淋水，緊接著出現(xiàn)頂板水大量涌入，涌水量最大達到160 m3/h。該礦10905 采面于2020 年3 月17 日，運輸巷回采到35 m時初次來壓（主要受斷層影響基本頂提前垮斷），此時1 號架～17 號架范圍內(nèi)頂板出水，涌水量達到68 m3/h，至2020 年3 月21 日中班，回風巷基本頂全部垮落，導水裂隙帶進一步發(fā)育擴大，長興組灰?guī)r水直接進入采面及后部采空區(qū)，采面涌水量達到89 m3/h。2020 年3 月30 日，回風巷推采44 m，運輸巷推采55 m，工作面基本頂周期斷裂，采煤工作面25號架～32 號架突出大量來水并伴有泥沙，造成排水泵部分堵塞，采面運輸巷被淹110 m，采面最大涌水量達391 m3/h。上述頂板水害一定程度上遵循頂板來壓-涌突水事故發(fā)生的規(guī)律。因此，分析礦壓變化規(guī)律可有效判別工作面是否發(fā)生涌突水，頂板來壓亦間接對涌突水事件起到預警作用。

4.3 頂板水井下疏放孔防治措施

目前，對于采場頂板水的防治主要有頂板水超前疏放、限制開采上限、條帶開采等技術(shù)方法，而結(jié)合黔北煤田頂板水害充水水源、充水通道及水害特征設計了頂板水疏放方案，頂板水疏放孔布置在工作面運輸巷和回風巷，疏放孔開孔位置位于工作面運輸巷和回風巷巷道中間頂板，疏放孔間隔距離為15 m，如圖3 所示。鉆孔鉆進方向垂直于工作面運輸巷和回風巷軸線，鉆孔終孔于長興組灰?guī)r底界以上3 m 位置，終孔位置在工作面傾向方向上控制在采煤工作面上下三分之一位置，如圖4 和圖5 所示。

圖4 離層水疏放孔俯視圖Fig.4 Top view of separation water drainage hole

圖5 離層水疏放孔單孔剖面圖Fig.5 Single hole profile of separation water drainage hole

根據(jù)上述設計，確定疏放孔主要參考依據(jù)如下所述。

1）鉆孔間距及鉆孔個數(shù)。結(jié)合采空區(qū)上方長興組灰?guī)r初次斷裂步距和周期斷裂步距，確定疏放孔間距為15 m（保證初次來壓懸頂距內(nèi)至少有四個疏水孔，周期來壓懸頂距內(nèi)有兩個疏水孔）。布置離層水疏放孔設計情況：采面兩順槽兩側(cè)都為實體煤的，兩順槽均布置疏放孔；采面兩順槽一側(cè)為實體煤的，在實體煤順槽布置疏放孔。根據(jù)超前支承壓力的影響范圍，疏水孔施工超前工作面至少30 m。正常情況下每組疏放孔鉆場布置一個疏放孔。對于上述第一種情況，若遇物探地質(zhì)低阻異常區(qū)域，增加一個疏放孔，疏放孔垂直于順槽，控制在采煤工作面上下四分之一位置。對于上述第二種情況，若在靠采空區(qū)一側(cè)，物探報告見低阻異常區(qū)時，增加一個疏放孔，疏放孔垂直于順槽，控制在采煤工作面上下四分之一位置。

2）鉆孔方位角。疏放孔方位角以垂直于工作面運輸巷和回風巷軸線為準。

3）鉆孔傾角。主要由鉆孔的平距和垂距決定，同時考慮到鉆機施工能力和施工效率，還要考慮鉆孔有效段盡可能長的揭露目標含水層，通常鉆孔傾角為34°～45°。

4）鉆孔平距。離層水疏放孔終孔位置在工作面傾向方向上控制在工作面上下三分之一處，平距為工作面傾向長度的三分之一，物探低阻異常區(qū)，增加一個鉆孔，平距為工作面傾向長度的四分之一。

5）鉆孔垂距。煤層與長興組灰?guī)r含水層底界的垂距。

對工作面物探報告中異常區(qū)域，在原來疏放孔設計的基礎(chǔ)上，每組增加一個鉆孔，增加的鉆孔終孔于長興組灰?guī)r底界以上3 m 位置，終孔位置在工作面傾向方向上控制在采煤工作面上下四分之一位置，如圖6 所示。

圖6 地質(zhì)異常區(qū)域離層水疏放孔單孔剖面圖Fig.6 Single hole profile of separated water drainage hole in geological anomaly area

5 結(jié)論

1）通過對黔北煤田研究區(qū)域開采9 號煤層上覆巖層中的含水層特征及工作面涌水水質(zhì)化驗結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，開采9 號煤層，以往工作面發(fā)生的涌水事故充水水源主要來源于長興組含水層；玉龍山段含水層的水質(zhì)類型為HCO3-、SO42--Ca2+和HCO3-、SO42--Na+、Ca2+，長興組含水層的水質(zhì)類型為SO42-、HCO3--Na+。

2）黔北煤田頂板涌水事故存在涌水突發(fā)性強、水頭值大、衰減速度快、涌水持續(xù)時間較短的特征，同時涌水事故發(fā)生時絕大部分處于工作面下三分之一位置。

3）黔北煤田工作面回采時應注意停采時間不宜過長，工作面回采期間要注意初期來壓和周期來壓時的水害防治工作，同時應該提前設置頂板水疏放孔，將頂板水疏放至采空區(qū)。