朱曉明

（1.山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原 030045；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

某煤礦10＃煤層底板奧灰突水防治探討

朱曉明1，2

（1.山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原 030045；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

摘 要某煤礦10＃煤層底板標(biāo)高為370～620 m，奧灰水位為517.88～520.96 m，低于奧灰?guī)r溶水水位標(biāo)高，奧灰含水層富水性強(qiáng)、水量大，屬于強(qiáng)徑流區(qū)。10＃煤層底距奧灰界面平均距離只有34.81 m，奧灰?guī)r溶水成為煤層底板突水的主要水源。介紹了底板突水的幾個(gè)通道，分析了對(duì)應(yīng)底板突水的幾種防治水措施，最后采用回采工作面斜長(zhǎng)縮小、隔水巖段隔水層加固與含水層改造、地面帷幕注漿截流與井田內(nèi)疏水降壓聯(lián)合工作的防水措施，最終實(shí)現(xiàn)煤層在承壓下的安全開采。

關(guān)鍵詞底板突水；隔水層；疏水降壓；注漿堵水

隨著煤層開采水平的延深，煤層底板突水對(duì)越來越多的煤礦安全生產(chǎn)造成威脅。底板突水災(zāi)害是常見的礦井災(zāi)害，其突水水量可高達(dá)每分鐘幾十、幾百，甚至上千立方米。像開灤范各莊礦1984年2171采煤工作面，實(shí)際高峰突水水量達(dá)2 053 m3／min，礦井即刻被淹，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。某煤礦目前開采下組的太原組10＃煤層，主要充水含水層為奧陶系（O2f）灰?guī)r巖溶含水層，其水位標(biāo)高高于10＃煤層底板，煤層底板至奧灰界面平均厚度僅30多m，存在奧灰水突水危險(xiǎn)。為了有效防止奧灰突水事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)煤層在水壓下的安全開采，對(duì)礦井內(nèi)的水文地質(zhì)勘查成果、奧灰含水層的富水性及水文地質(zhì)特征等情況進(jìn)行分析研究，提供礦井奧灰突水防治的技術(shù)方法。

1　水文地質(zhì)概況

礦區(qū)為侵蝕的低山丘陵地貌，地表河流為季節(jié)性河流。主要含水地層為：第四系全新統(tǒng)松散巖類孔隙含水層組、二疊系砂巖裂隙含水層組、太原組層間灰?guī)r裂隙巖溶含水層組、奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組。開采10＃煤層的直接充水含水層為太原組的K2灰?guī)r，間接充水含水層為奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層，屬?gòu)?qiáng)富水性含水層，靜水水頭高于煤層底板，對(duì)礦井突水影響大。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，含水層之間局部地段存在水力聯(lián)系，使礦區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件變的復(fù)雜。

2　底板突水水源

礦區(qū)開采下組的10＃煤層，其下含水層為奧陶系峰峰組含水巖組，井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為517.88～520.96m，煤層埋深標(biāo)高為370～620m.10＃煤層底板至奧灰界面之間平均距離只有34.81 m，單位涌水量為1.247～1.401 L／s·m，奧灰水含水層屬?gòu)?qiáng)富水性。煤層底板突水水源主要是奧陶系峰峰組含水巖組。該礦區(qū)內(nèi)水文孔抽水試驗(yàn)成果見表1.

3　底板突水通道

3.1底板隔水層突水

礦區(qū)隔水層原生沉積厚度是不可改變的，底板采動(dòng)誘發(fā)的采動(dòng)裂隙是構(gòu)成底板承壓水進(jìn)入礦井的主要通道之一，按“突水系數(shù)法”分析判斷，底板隔水層承受的水壓大于臨界水壓時(shí)，會(huì)發(fā)生底板突水。10＃煤層底距奧灰界面平均距離只有34.81 m.揭露鉆孔中煤層底板至奧灰界面距離只有29.05 m，底板采動(dòng)誘發(fā)的采動(dòng)裂隙有導(dǎo)通到奧灰界面的危險(xiǎn)。

表1　水文孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2巖溶陷落柱、封閉不良導(dǎo)水鉆孔

巖溶陷落柱、強(qiáng)導(dǎo)水鉆孔（位置偏斜難定時(shí)）是導(dǎo)致煤層底板水害事故發(fā)生的重要導(dǎo)水通道。充水含水層在正常情況下存在一個(gè)背景水位（壓）值，如果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)存在異常的高水位區(qū)，往往是陷落柱或強(qiáng)導(dǎo)水鉆孔影響控制的結(jié)果。

3.3斷裂帶型突水切割較深或隱伏在底板的斷層

受底板強(qiáng)充水含水層威脅的大中型礦區(qū)，斷裂帶型突水是煤礦防治水工作一項(xiàng)長(zhǎng)期性工作。井田內(nèi)斷層較發(fā)育，落差最大達(dá)45 m，部分?jǐn)鄬涌梢郧写┫虏康膴W灰含水層，使奧灰含水層與煤層相通。2011年在上倉(cāng)皮帶巷主井底煤倉(cāng)口下山巷處，導(dǎo)通了斷層水，水量達(dá)到170 m3／h，采區(qū)處理后水量穩(wěn)定在150 m3／h.通過取水對(duì)比水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，確定突水來源為奧灰峰峰組水。水質(zhì)特征表見表2.

表2　水質(zhì)特征表

4　底板突水防治措施

4.1合理選擇采煤方法

煤層開采首先開采帶壓相對(duì)小的采區(qū)，合理確定采區(qū)工作面的斜長(zhǎng)、寬度，越小則回采相對(duì)越安全，合理確定工作面邊界和推進(jìn)方向。一采區(qū)位于礦區(qū)的中南部，處于不帶壓和帶壓相對(duì)小的區(qū)域。底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度采用回歸分析，考慮采深、傾角和工作面斜長(zhǎng)，采用下述統(tǒng)計(jì)公式：

式中：

L—壁式工作面斜長(zhǎng)，m.

按不同工作面斜長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果如下：

1）工作面斜長(zhǎng)按120 m，計(jì)算得出煤層采動(dòng)底板破壞深度為13.65 m.

2）工作面斜長(zhǎng)按150 m，計(jì)算得出煤層采動(dòng)底板破壞深度為16.89 m.

3）工作面斜長(zhǎng)按180 m，計(jì)算得出煤層采動(dòng)底板破壞深度為20.12 m.

4）工作面斜長(zhǎng)按200 m，計(jì)算得出煤層采動(dòng)底板破壞深度為22.28 m.

考慮到煤層底板距奧灰界面的距離因素，工作面斜長(zhǎng)為120 m，煤層開采時(shí)相對(duì)安全。

4.2確定承壓水上采煤的安全臨界水頭值

回采工作面安全水頭值的計(jì)算：

式中：

Ts—突水系數(shù)，MPa／m；

P—底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；

M—底板隔水層厚度，m.

礦井未做安全臨界水壓試驗(yàn)，本次按《煤礦防治水規(guī)定》隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞地段0.1 MPa／m，根據(jù)井田內(nèi)施工鉆孔計(jì)算最大突水系數(shù)為0.047 MPa／m.正常塊段開采時(shí)能保證在安全臨界水頭下開采。

4.3隔水巖段隔水層加固與含水層改造

煤層底板隔水層原生沉積厚度是不可改變的，隔水層厚度不大，且隔水層的巖性為軟弱－中硬，巖石較破碎，減弱了巖石的抗承壓水突水的能力。針對(duì)這個(gè)問題，煤礦易采用在采掘和回采中對(duì)隔水層底板進(jìn)行注漿加固，對(duì)其底板直接充水含水層進(jìn)行改造，達(dá)到煤層安全開采的目的。

4.4堵截水源

礦井底板充水含水層徑流強(qiáng)、水量大，水源主要為上游補(bǔ)給區(qū)的水徑流補(bǔ)給。礦區(qū)防治水在地下水上游采用地面帷幕注漿截流方式，使水流繞過礦區(qū)，同時(shí)礦區(qū)井下進(jìn)行疏水降壓工作，保證煤層在安全水壓下開采。

4.5井下防、治水措施

運(yùn)用地下水動(dòng)力學(xué)理論，利用“大井”法對(duì)一采區(qū)的奧灰?guī)r溶水突水量進(jìn)行粗略的預(yù)測(cè)。采用承壓完整井計(jì)算公式：

式中：

Q—突水量，m3／d；

K—含水層滲透系數(shù)，m／d；

M—含水層厚度，m；

S—水位降深，m；

R0—引用影響半徑，m；

r0—突水通道等效半徑，m，假定等效半徑為1.5 m.

R0＝R＋r0，R采用經(jīng)驗(yàn)公式R＝10 S計(jì)算。利用已施工鉆孔成果預(yù)算奧灰突水量結(jié)果見表3.

表3　奧灰?guī)r溶水突水量預(yù)算成果表

井下礦井設(shè)置的強(qiáng)排水系統(tǒng)滿足最大礦井涌水量540 m3／h，10＃煤層奧灰突水的涌水量為436 m3／h，設(shè)置的強(qiáng)排水系統(tǒng)能滿足采區(qū)發(fā)生奧灰突水的排水量的需要。

4.6疏水降壓

疏水降壓開采分為疏干和降壓兩種。井田內(nèi)10＃煤層隔水層的阻隔水能力不夠，煤層底板受承壓水威脅大，且承壓水富水性強(qiáng)、水量大。單獨(dú)進(jìn)行疏水降壓工程量大，不經(jīng)濟(jì)，可以與帷幕注漿結(jié)合進(jìn)行。

4.7注漿堵水

礦井一旦發(fā)生突水災(zāi)害，就必須進(jìn)行注漿堵水。注漿材料選用雙液漿加骨料。首先要確定突水點(diǎn)的位置，其次選擇注漿堵水的部位，最后布置注漿鉆孔。

5　結(jié) 論

井田處于郭莊泉域的強(qiáng)徑流區(qū)，奧灰水位標(biāo)高高于10＃煤層底板標(biāo)高，奧灰水流向由西北向東南方向。井田內(nèi)水1、水2水文孔峰峰組抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示奧灰含水層屬?gòu)?qiáng)富水性，水量大、巖石破碎，局部發(fā)育有小溶洞，裂隙發(fā)育不規(guī)則。煤層底板隔水層厚度小、巖石較軟、破碎。井田內(nèi)斷層、陷落柱較發(fā)育，落差幾米到幾十米不等。綜合以上地質(zhì)條件，井田底板的突水防治可以優(yōu)先采用減小回采工作面斜長(zhǎng)來減小帶壓開采危險(xiǎn)，其次為對(duì)底板隔水巖段隔水層注漿加固與含水層改造，再為地下水上游采用地面帷幕注漿截流與井田內(nèi)疏水降壓聯(lián)合工作的方法，最終實(shí)現(xiàn)煤層在承壓下的安全開采。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 龐玉峰，張懷松，劉玉良，等.煤礦防治水綜合技術(shù)手冊(cè)［M］.長(zhǎng)春：吉林音像出版社，2003：27－28.

［2］ 李曦濱，常 輝.山西省霍州礦區(qū)水文地質(zhì)條件及礦井充水條件分析［J］.中國(guó)煤田地質(zhì)，2007，19（2）：34－37.

中圖分類號(hào)：TD475＋.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672－0652（2015）02－0047－03

收稿日期：2015－01－03

作者簡(jiǎn)介：朱曉明（1983—），男，河北武邑人，2006年畢業(yè)于河北工程大學(xué)，2012年太原理工大學(xué)在讀在職研究生，工程師，主要從事地質(zhì)勘查及研究工作，（E－mail）a20022680117＠163.com

Study of Ordovician Limestone Water Inrush Prevention in A Coal Mine No.10 Coal Seam

ZHU Xiaoming

AbstractA coal mine No.10 coal seam floor elevation is370～620 m which is below ordovician limestone karst water level elevation of which is 517.88～520.96 m.The ordovician limestone aquifer water yield property is strong and the water is rich，which belongs to strong runoff zone.The average distance from No.10 coal seam bottom to ordovician limestone interface is only 34.81 m，the ordovician limestone karst water becomes the main source of water inrush from coal seam floor.Introduces the several channels of floor water inrush.Analyzes the several corresponding water control measures of floor water inrush.Finally adopts the unite water control measure which are decrease the mining face inclined long，the aquiclude of water resisting rock section reinforcement，aquifer transformation，ground curtain grouting closure and hydrophobic buck in field.Eventually achieves the safe mining of coal seam under the pressure.

Key wordsFloor water inrush；Aquiclude；Hydrophobic buck；Grouting for water blocking