礦井開采后水文地質(zhì)特征及水害防治技術(shù)研究

李小軍

霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司 山西 霍州 031400

1 前言

水文地質(zhì)條件對采礦危害較大，隨著采礦深度的日益擴(kuò)大，礦山的水文條件出現(xiàn)了較大改變，水害類型越來越復(fù)雜，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1]。隨著我國煤炭開采的逐步向著西部轉(zhuǎn)移，西部的煤炭產(chǎn)量約占我國總量的 6成以上。西部地區(qū)的含煤地層總體來說形成時間較晚、成巖的差異較大。由于西部地質(zhì)條件的特殊性，在進(jìn)行煤炭開采活動中出現(xiàn)了許多礦井水害問題，如突水突泥、突水水量大、采動覆巖破壞嚴(yán)重等[2]，因此，對西部礦井開采活動中的防治水，也應(yīng)加速研究，以保障西部特殊水文地質(zhì)條件下礦井的安全開采。本文以金能礦為研究對象，對水文地質(zhì)條件及水害治理作出一定的研究。

2 礦井水文地質(zhì)特征

金能礦位于山西省忻州市靜樂縣城東北泉北村-曹峪村一帶，井田面積20.42km2，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為120萬噸/年。金能礦地質(zhì)為侵蝕性黃土低山區(qū)。礦井煤層埋深較淺，且存在季節(jié)性洪水、礦井含水層涌水現(xiàn)象十分常見，涌水量和涌水水壓較大。為了保證礦山的生產(chǎn)安全，對該礦水文地質(zhì)進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)對水害防治的措施。礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造為南西單斜構(gòu)造，根據(jù)資料可知地層的傾角為 3°～14°，平均約為5°。在井田范圍內(nèi)的地表無基巖露出，地層均為第三系、第四系覆蓋，礦區(qū)的地層由老至新分別由奧陶系中統(tǒng)峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組，第三系上新統(tǒng)、第四系中上更新統(tǒng)以及全新統(tǒng)。其中奧陶系中統(tǒng)峰組為含煤巖系之基底，石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組為井田內(nèi)主要含煤地層。

金能礦的1201工作面水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，奧灰水靜止水位的標(biāo)高平均為+900米，工作面煤層底板的標(biāo)高為771-831米，低于奧灰靜止水位標(biāo)高69-129米，屬帶壓開采，煤層底板最大突水系數(shù)為0.019MPa/m，當(dāng)采區(qū)在沒有構(gòu)造導(dǎo)水的情況下，工作面較為安全。考慮到工作面的構(gòu)造較發(fā)育，隨意導(dǎo)致構(gòu)造導(dǎo)水不能及時排除，易造成工作面出現(xiàn)水害?；夭汕耙褜ν瑢酉噜徆ぷ髅娌煽辗e水進(jìn)行了探放，發(fā)現(xiàn)打通后采空區(qū)后均無水，所以采空積水對工作面回采無影響；對同層相鄰工作面采空積水進(jìn)行了探放，發(fā)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)給水水量分別為3m3/h、6m3/h，水量對工作面回采幾乎無影響。同時根據(jù)資料可以看出工作面得頂板砂巖含水層儲水是工作面主要的充水因素，當(dāng)工作面持續(xù)掘進(jìn)時，此時由于工程擾動，造成工作面頂板出現(xiàn)裂隙，且裂隙的數(shù)量不斷增加，此時的頂板砂巖含水層的水會沿頂板裂隙和支護(hù)錨桿、錨索孔進(jìn)入到工作面中，影響工作面的正常生產(chǎn)。在正常情況下，工作面的水量一般僅表現(xiàn)為滴水、淋水的現(xiàn)象。工作面正常涌水量為5-10m3/h，最大涌水量為50m3/h。

當(dāng)煤層完成開采后，此時巷道的上覆巖層出現(xiàn)破壞及運(yùn)移，此時覆巖形式“上三帶”，分別為垮落帶、裂隙帶及彎曲帶。三帶中垮落帶的空隙較大，且垮落帶的空隙間連通性強(qiáng)，這就造成了工作面水害。根據(jù)前人的研究可知，砂巖含水層由于其富水性不強(qiáng)，使得其含水層對工作面的影響不足以威脅到礦山生產(chǎn)，但考慮到后期隨著開采深度及開采時間的增大，含水層厚度及含水層的含水量逐步增大，對工作面的影響程度也在逐步增大，所以對工作面進(jìn)行防水是十分有必要的。

3 防治技術(shù)研究

為了對覆巖的三帶進(jìn)行研究，本文選定電阻率法來對覆巖的三帶進(jìn)行研究。電阻率法測定三帶技術(shù)主要是利用不同的破壞帶具有顯著的電阻率差異，來觀測上覆巖層的破壞過程。一般來說在工作面巷道的縱向工作面的開采方向進(jìn)行施工，在施工頂板位置進(jìn)行垂直方向鉆孔，在觀測孔內(nèi)設(shè)置電極后，隨著工作面的推進(jìn)，觀測孔內(nèi)觀測系統(tǒng)將會反應(yīng)出采動前、中的電性參數(shù)，從而在一定程度上反應(yīng)覆巖破壞帶發(fā)育的情況及規(guī)律。本文測試選用的設(shè)備為并行網(wǎng)絡(luò)電法儀，儀器最大的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)任意電極供電，電性參數(shù)可以在任意極端進(jìn)行測得。

在1201工作面進(jìn)行鉆孔，分別布置T1、T2 鉆孔位于 1201 下順槽處，T1 鉆孔與 1201下順槽的夾角設(shè)定為10°，朝向工作面推進(jìn)方向，鉆孔的仰角 設(shè)定為35°，鉆孔的孔深 67m，垂高為36m，平距 為57.6m；T2 鉆孔與 1201下順槽的夾角設(shè)定為10°，同樣朝向工作面推進(jìn)方向，觀測鉆孔的仰角為39°，布置孔深 74m，垂高和平距分別為 45m、57m。完成觀測鉆孔施工后，經(jīng)實(shí)際測量獲取實(shí)際的鉆孔參數(shù)，實(shí)際鉆孔參數(shù)與設(shè)計參數(shù)相差符合相應(yīng)的規(guī)定，在兩鉆孔內(nèi)分別布置電極系統(tǒng)，進(jìn)行三帶的測定。

兩個觀測鉆孔可以實(shí)現(xiàn)全程的實(shí)時監(jiān)測，可以有效的獲得工作面受采動影響前后頂板的特征，同時選定初始狀態(tài)以及頂板破壞后的電阻率剖面圖進(jìn)行對比反應(yīng)覆巖的變化情況。采動前的電阻率剖面圖如1所示。

如圖1所示為采動前電阻率剖面圖，從圖中可以看出電阻率結(jié)果圖像采用統(tǒng)一圖標(biāo)，藍(lán)綠色表示較低電阻率值區(qū)，紅色表示較高電阻率值區(qū)?？梢钥闯霾蓜忧俺跏紶顟B(tài)下T1和T2鉆孔觀測到的電阻率剖面圖較為穩(wěn)定，最大值均不超過200Ω.m，除極少范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的電阻率，大部分位置的電阻率保持在40Ω.m左右，與正常的砂巖及泥巖層電阻率相差不大。

圖1 采動前鉆孔電阻率剖面圖

采動后的電阻率剖面圖如2所示。

如圖2所示分別為工作面回采過后 T1、T2 觀測孔測得的電阻率，可以看出此時的電阻率對比初始狀態(tài)有了一定幅度的提升，且升高的幅度較大，同時頂板的大面積范圍內(nèi)的電阻率均增大。對 T1 鉆孔和 T2 鉆孔的電阻率分布特征的分析，得到兩鉆孔處間的覆巖垮落帶高度約為 16m 左右。通過電阻率數(shù)據(jù)可以得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度遠(yuǎn)超預(yù)期，所以對工作面進(jìn)行防水處理是十分有必要的。

防治水的措施：

1）回采過程中嚴(yán)格按照要求進(jìn)行防治水施工。

2）頂板灰?guī)r裂隙水防治：工作面必須配備排水能力不小于最大涌水量兩倍的排水設(shè)施及管路，并有備用水泵，壓風(fēng)、供水管預(yù)留接口做為備用排水管，并定期維護(hù)，確保其完好。

3）采空區(qū)積水防治：回采前按照專門探放水設(shè)計對1201工作面采空積水區(qū)進(jìn)行了探放，采空積水已放完，對工作面的回采無影響，但對動態(tài)補(bǔ)給水施工隊組定期按排人員排放。

4）奧灰水防治：掘進(jìn)中揭露的構(gòu)造現(xiàn)不導(dǎo)水，但回采中受采動影響構(gòu)造滯后導(dǎo)水不能排除，回采前必須對工作面進(jìn)行坑透、瞬變電磁探測，異常區(qū)需進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確保安全后方可回采。回采過程中構(gòu)造附近應(yīng)加強(qiáng)觀測，如工作面發(fā)生底鼓、頂板來壓、裂隙增大、裂隙出現(xiàn)滲水、水質(zhì)清澈、穩(wěn)定、無臭味以及在遇構(gòu)造是出現(xiàn)滲水、涌水等突水征兆，應(yīng)立即匯報礦調(diào)度，撤出所有人員到安全地方，采取相應(yīng)的措施。

4 結(jié)束語

本文通過對金能礦的水文地質(zhì)進(jìn)行研究，以1201工作面為研究背景，通過原有資料配合電阻率法對覆巖的三帶進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)1201工作面的導(dǎo)水帶發(fā)育較好，為避免水害的發(fā)生，給出了相應(yīng)的防水措施，有效的保證了礦山的正常開采。