雙馬煤礦首采工作面防治水研究探討

摘 要：文章針對雙馬煤礦首采工作面水文地質(zhì)條件和工作面開采可能受到的水害原因進行了分析，結(jié)合周邊礦區(qū)工作面疏放水經(jīng)驗，對首采工作面防治水技術(shù)工作進行研究探討，通過防治水方案的實施有效解決含水層水對開采的影響，確保了礦井安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：首采工作面；防治水研究；探討

1 礦井概況

雙馬煤礦是寧東煤田馬家灘礦區(qū)新建的三個礦井之一，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為4.0Mt/a，設(shè)計可采儲量為539.81Mt，服務(wù)年限為96.4a。井田內(nèi)可采煤層11層，其中主要可采煤層共6層。根據(jù)開拓布置，礦井一期布置3個井筒，分別為主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井，其中主斜井、副斜井進風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)。礦井首采工作面為I0104103工作面。

井田內(nèi)構(gòu)造總體為NNW向，斷裂、褶曲發(fā)育，規(guī)模較大。區(qū)內(nèi)煤層的賦存形態(tài)以周家溝于家梁背斜和長梁山馬家灘向斜及鴛鴦湖馮記溝背斜為主體構(gòu)造的背向斜相間的構(gòu)造形態(tài)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要發(fā)育有F9斷層、杜窯溝斷層、李新莊斷層、F1斷層、F2斷層、F5斷層、馬柳斷層等253條斷層。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造屬中等，局部偏復(fù)雜。I0104103工作面位于鴛鴦湖馮記溝背斜西翼，為單斜構(gòu)造，并且切眼處標(biāo)高低于停采線處標(biāo)高，整個工作面回采期間為仰采。根據(jù)工作面巷道掘進揭露資料，工作面內(nèi)部尚未發(fā)現(xiàn)斷層，工作面西南部存在一條F1逆斷層。

2 礦井水文地質(zhì)條件

雙馬井田含水層組按巖性組合特征及地下水水力性質(zhì)、埋藏條件等，由上而下劃分為以下五個主要含水層組：第四系孔隙潛水含水層組（Ⅰ）、直羅組砂巖含水層組（Ⅱ）、2～6煤間砂巖含水層組（Ⅲ）、6～18煤間砂巖含水層組（Ⅳ）、18煤以下砂巖含水層組（Ⅴ）。

2.1 第四系孔隙潛水含水層組（Ⅰ）

本含水層組井田內(nèi)廣泛分布，沉積物為松散堆積，厚度0～24m，一般厚7m左右。巖性以風(fēng)積沙為主，多為沙丘或沖積沙土，少量現(xiàn)代河床沖積砂層堆積，地下水主要賦存于風(fēng)積～沖積層。含水層地下水補給以大氣降水為主，部分人工開采或沿地層裂隙及風(fēng)化破碎帶補給下伏基巖含水層。

本含水層富水區(qū)主要分布于地形低洼地帶，富水性弱，水位埋深2～30m，涌水量平均為0.06L/s、單位涌水量平均為0.0115L/s、平均滲透系數(shù)為0.057m/d。

2.2 侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙孔隙含水層組（Ⅱ）

本含水層組全井田內(nèi)廣泛分布，屬干旱條件下的河流沉積相。上部為土黃、綠色、綠帶紫斑、紫紅色帶綠斑及紫紅色、磚紅色的粉砂巖、細粒砂巖為主，夾薄層長石石英中粒砂巖及泥巖，上覆古近系紅色粘土層，局部與古近系底礫巖直接接觸。中部以灰綠色及灰綠帶紫斑的粉砂巖、細粒砂巖為主，夾薄層中粒砂巖，富水性中等。下部為淺灰、灰綠色粉砂巖與石英長石粗、中、細粒砂巖互層。主要含水段為粗粒含礫長石石英砂巖（又稱“七里鎮(zhèn)”砂巖），泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較差，具大型交錯層理，局部地段裂隙發(fā)育，鉆探上表現(xiàn)為鉆孔漏水現(xiàn)象。本含水層是影響本井田煤層開采的主要含水層。含水層富水性為弱～中等，含水層厚度3.5～290.35m，平均厚度104.34m，其厚度變化規(guī)律表現(xiàn)為長梁山馬家灘向斜軸部一帶相對較厚，兩側(cè)周家溝于家梁背斜、鴛鴦湖馮記溝背斜軸部相對較薄。

2.3 2煤～6煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層組（Ⅲ）

本含水層組主要由三角洲平原相組成，巖性以灰、灰白色粉～細粒砂巖為主，夾有砂泥巖互層，巖性較致密，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，顆粒支撐。含水層厚度2.76～188.35m，平均厚度59.06m。根據(jù)含水層富水性、巖性組合特征及埋藏條件等，可劃為上段（2煤～4煤之間）、下段（4煤～6煤之間）。平面上該含水層富水性西北部較強，東南部富水性弱，地下水由西向東逕流，東部地下水由南北向中部逕流。

2.4 6煤～18煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層組（Ⅳ）

本含水層組由三角洲平原相和河流沖積平原相組成。含水層厚度6.44～192.40m，平均厚度60.39m。其中6煤～12煤間含水層厚度相對較小，厚度6.8～77.59m，平均厚度28.67m；12煤～18煤間含水層厚度較大，巖性以灰、深灰色中、粗砂巖為主，分選性、滲透性中等，局部地段裂隙發(fā)育，厚度8.56～155.50m，平均厚度31.72m。平面上該含水層富水性西北部和東南部較強，中部富水性弱，地下水由西向東逕流，東部地下水由南向中部逕流。

2.5 18煤以下至底部分界線砂巖含水層組（Ⅴ）

本含水層組主要為河流體系的沖積平原相，整體呈現(xiàn)下粗上細的沉積特點。巖性特征表現(xiàn)為下部以灰白色砂巖為主（寶塔山砂巖），夾粉砂、泥巖，含水層厚度0.49～70.23m，平均厚度34.79m，具大、中槽狀、板狀交錯層理。平面上該含水層富水性中南部較強，西部富水性弱，地下水由南向北逕流。

2.6 隔水層

雙馬井田侏羅系為陸相地層，巖性、巖相變化較大，垂向上具明顯的沉積旋徊特征，巖性多為中細砂巖與粉砂巖、泥巖互層，特別是煤系地層各旋徊上部多由泥巖、粉砂巖或砂泥巖互層組成，巖性致密，和煤層本身形成良好的隔水層。較為穩(wěn)定的隔水層有：直羅組底部砂巖含水層頂板的粉砂巖、泥巖為主的隔水層，各主要煤層及其頂?shù)装迥鄮r、粉砂巖組成的隔水層。

3 礦井水害類型分析

根據(jù)《雙馬煤礦勘探地質(zhì)報告》，首采工作面開采煤層為侏羅系延安組上部4-1煤，其直接頂板延安組地層，由三角洲平原相組成，巖性以灰、灰白色粉～細粒砂巖為主，夾有砂泥巖互層，巖性較致密，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，顆粒支撐，局部含水，4-1煤距直羅組含水層36.58～59.51m，平均49.50m；I0104103工作面上覆直羅組砂巖含水層厚度8.70～57.52m，平均厚度28.74m，厚度變化較大，總體分布規(guī)律為工作面南北兩翼厚，中部薄，處于4-1煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍之內(nèi)。本礦4-1煤開采主要充水水源來自煤層頂板直羅組下段粗砂巖（“七里鎮(zhèn)”砂巖）含水層。

工作面涌水量預(yù)測：工作面采后總涌水量Q（m3）由靜儲量Qj（m3）和動儲量（動態(tài)補給量）Qd（m3）兩部分組成。

Q=Qj+Qd

對首采工作面回采300m范圍內(nèi)的動態(tài)補給量預(yù)測，采用直羅組底部含水層和4-1煤頂板以上延安組含水層混合抽水試驗所得水文地質(zhì)參數(shù)，計算對首采工作面回采300m范圍后的動態(tài)補給量，計算的正常涌水量為187.51m3/h，最大涌水量為237.39m3/h。

當(dāng)4-1煤回采過程中，頂板含水層靜儲量水進入礦井。根據(jù)4-1煤I0104103工作面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，含水層疏水面積總計687600m2，含水層厚度直羅組底部60.64m，延安組4-1煤以上25.73m，通過計算，雙馬煤礦I0104103工作面4-1煤以上含水層的靜儲量為：2055332m3。對I0104103工作面300m范圍內(nèi)頂板直羅組底部砂巖含水層和4-1煤頂板延安組含水層的總靜儲量、頂板初次來壓步距（按60m考慮）范圍內(nèi)以及周期來壓步距范圍內(nèi)含水層的靜儲量進行估算。工作面前300m范圍內(nèi)靜儲量為：378874.54m3。

4 礦井首采工作面防治水技術(shù)

4.1 I0104103工作面防治水目的和任務(wù)

I0104103工作面回采的4-1煤頂板距離直羅組粗砂巖含水層36.58～55.99m，平均49.50m，包括2～4煤間延安組含水層和部分隔水層，巖性以粉砂巖、細砂巖為主，夾有泥砂巖互層，間夾3-2煤和煤線，巖性較致密，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，顆粒支撐。2～4煤間含水層位于I0104103工作面的導(dǎo)水裂隙帶影響范圍之內(nèi)，是工作面開采的直接充水含水層。

對2～4煤間延安組含水層和直羅組下段粗砂巖含水層進行提前疏放，減小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，實現(xiàn)“消峰平谷”，對I0104103工作面通過施工頂板水探放鉆孔對煤層頂板的砂巖水進行疏放，以保證工作面在回采期間，頂板水不會對工作面對安全生產(chǎn)造成較大的威脅。

4.2 I0104103工作面鉆孔布置

對于首采工作面，由于水文地質(zhì)條件掌握程度不夠，鉆孔布置的主要目的是疏放4-1煤頂板延安組與直羅組含水層中的靜儲量，降低頂板水水壓，疏放水鉆孔施工的目的層為直羅組粗砂巖含水層頂部，在對直羅組粗砂巖含水層水疏放的同時，也對4-1煤頂板延安組含水層進行疏放。

由于雙馬煤礦未開展過煤層頂板水疏放工程，缺少疏放水經(jīng)驗，為了更好的開展工作面超前預(yù)疏放頂板水工作，將I0104103工作面距離切眼300m范圍內(nèi)作為頂板水疏放試驗段，根據(jù)試驗段疏放水情況及效果，對未來疏放水鉆孔參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

煤層頂板水疏放試驗段內(nèi)（前300m）在風(fēng)巷和機巷每隔100m設(shè)置一個鉆場，每個鉆場設(shè)計4個鉆孔，均為上仰孔，終孔層位為直羅組下段粗砂巖含水層頂板；全面疏放水區(qū)域在風(fēng)巷和機巷每隔100m設(shè)置一個鉆場，每個鉆場設(shè)計3個鉆孔，均為上仰孔，終孔層位為直羅組下段粗砂巖含水層頂板。

各鉆場鉆孔深度、仰角、方位角、孔口管長度根據(jù)鉆場進行布置。

機巷共計12個鉆場，37個鉆孔，鉆孔總長5800m；風(fēng)巷9個鉆場，25個鉆孔，鉆孔總長3849m；切眼2個鉆場，10個鉆孔，鉆孔總長1605m。合計72個鉆孔，鉆孔總長11252m。

4.3 離層水探放

臨近礦區(qū)紅柳煤礦2煤開采礦井充水水源同樣來自其頂板侏羅系直羅組底部粗砂巖裂隙孔隙含水層。該礦工作面發(fā)生多次突水，經(jīng)分析認為造成這幾次較大突水的水源為頂板離層水。鑒于雙馬煤礦I0104103首采工作面頂板巖性組合與紅柳煤礦相似，在延安組或者直羅組粗砂巖含水層中也出現(xiàn)了夾層隔水層，為了避免類似紅柳煤礦離層水害的發(fā)生，考慮在I0104103工作面布置離層水鉆孔。

結(jié)合臨近礦離層水疏放經(jīng)驗分析，I0104103工作面離層水在距離切眼30～40m左右產(chǎn)生的可能性較大。因此I0104103工作面離層水的形成位置初步預(yù)計在距離機巷30～60m，距離切眼30～40m左右的區(qū)域。離層水探放鉆孔要穿透直羅組底部粗砂巖含水層中夾層泥巖（或者隔水層）的頂部5m左右；平面上，最低點位置據(jù)機巷煤幫約30～60m范圍。因此將離層水探放鉆孔布置在穿過離層最低處。

鉆孔施工時間一定要嚴格控制，施工時間不宜過早，否則離層空間尚未形成，如果施工時間過晚，不能在老頂垮落之前施工完畢，離層水會隨著老頂垮落進入巷道，造成水害事故。建議在工作面回采之前可以先施工好止水套管，固管完畢等待工作面即將回采至離層水發(fā)育位置開始繼續(xù)施工鉆孔，具體施工時間可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整。

4.4 老空水防治

I0104103工作面為仰采方式開采，因此采空區(qū)成為匯水區(qū)域，為了及時將采空區(qū)水經(jīng)過聯(lián)絡(luò)巷排至I01采區(qū)邊界泄水巷，主要采取以下措施：

4.4.1 保障采空區(qū)、聯(lián)絡(luò)巷至I01采區(qū)邊界泄水巷暢通，可以采用在切眼位置處的聯(lián)絡(luò)巷搭木垛或者其他方法，避免煤層頂板垮落后堵塞排水通路，同時密切觀測采空區(qū)水量的變化情況。

4.4.2 在I01采區(qū)邊界泄水巷設(shè)置一個鉆場，向采空區(qū)施工3個泄水鉆孔，避免聯(lián)絡(luò)巷由于堵塞或者塌陷造成排水路線不暢，而使得采空區(qū)水位不斷升高。鉆孔布置以現(xiàn)場實測確孔鉆孔位置、鉆孔開孔和終孔坐標(biāo)及其它參數(shù)。

4.4.3 在機巷與采空區(qū)交界區(qū)域設(shè)置臨時排水系統(tǒng)，將聯(lián)絡(luò)巷或者泄水鉆孔不能及時排走的采空區(qū)水通過臨時排水系統(tǒng)的水泵和管路沿I0104103工作面機巷排至臨時水倉內(nèi)，然后通過經(jīng)過井底甲水倉排至地表。

4.5 觀測內(nèi)容和要求

為了使得工作面回采過程受到的水害威脅降到最低，并為后續(xù)防治水措施和開采方式的優(yōu)化提供必要的資料和參考，需要在回采過程對下列內(nèi)容進行嚴密觀測：（1）回采過程離層疏放鉆孔水量觀測；（2）提前預(yù)疏放鉆孔水量、水壓觀測；（3）采空區(qū)涌水量觀測；（4）頂板淋水變化異?，F(xiàn)象觀測；（5）礦壓觀測，掌握工作面初次來壓、周期來壓步距。

5 結(jié)束語

I0104103工作面試驗段共施工的34個鉆孔，通過近5個月的疏放，共計疏放水量79.11萬立方米，試驗段頂板含水層靜儲量約為37.89萬立方米，從累計疏放水量和靜儲量的關(guān)系上分析，煤層頂板直羅組下段粗砂巖含水層和2～4煤間延安組含水層水得到了有效的疏放?，F(xiàn)階段頂板疏放鉆孔殘余總水量為243.5m3/h，試驗段的正常動態(tài)補給量為187.91m3/h，最大動態(tài)補給量為237.39m3/h，所有鉆孔殘余總水量基本接近動態(tài)補給量，靜儲量已經(jīng)得到了有效疏放，達到了頂板水疏放的目的，從最大程度上降低了頂板砂巖水對工作面安全回采所構(gòu)成的威脅。

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作者簡介：張學(xué)明（1965-），男，寧夏銀川人，工程師，神華寧夏煤業(yè)集團公司雙馬煤礦籌建處生產(chǎn)副處長。