聚德煤礦8＃煤層頂板淋水探測與治理研究＊

李 強 付玉平

（1.呂梁市煤礦通風與瓦斯防治中心，山西省呂梁市，033000；2.太原科技大學環境與安全學院，山西省太原市，030024）

聚德煤礦8＃煤層頂板淋水探測與治理研究＊

李 強1付玉平2

（1.呂梁市煤礦通風與瓦斯防治中心，山西省呂梁市，033000；2.太原科技大學環境與安全學院，山西省太原市，030024）

針對山西柳林聚德煤業在8＃煤層大巷開拓掘進過程中遇到的石炭系上統太原組L1灰巖巖溶裂隙含水層頂板水害隱患，采用瞬變電磁探測方法進行連續超前探測，以查清8＃煤層掘進工作面方向與煤層呈45°夾角區域的富水區分布情況。經過實踐驗證，該方法有效解決了開拓掘進中由于頂板淋水大而影響礦井開拓進度的問題。

水害治理 開拓掘進 瞬變電磁探測 頂板淋水

1 礦井概況

山西柳林宏盛聚德煤業有限公司為兼并重組煤礦，其擬開采的8＃煤層賦存于石炭系上統太原組中下部L1石灰巖之下，上距5＃煤層平均距離49.80m，下距9＃煤層11.74m。煤層厚度0～3.60m，平均2.56m，含0～2層夾矸，夾矸厚度為0.15～0.51m，巖性為泥巖或炭質泥巖，煤層結構簡單。該煤層在井田東南部有小面積被剝蝕，總體上煤層穩定，賦煤區絕大部分可采。煤層頂板為灰巖，底板大多為泥巖、砂質泥巖，局部為泥質砂巖、炭質泥巖或細砂巖。8＃煤層掘進工作面為沿煤層施工的全煤巷道。

該礦地處呂梁山系，為典型的黃土高原地貌，地表切割強烈，地勢總體南東高北西低，地表無常年性水體和常年性河流通過，因而8＃煤層受地表水影響不大。該井田內主要的煤系地層含水層為山西組砂巖裂隙含水層、太原組灰巖巖溶裂隙含水層和煤系地層下伏的奧陶系灰巖巖溶含水層等。其中太原組含水層主要為灰巖巖溶裂隙含水層，根據鉆孔資料，該含水層裂隙發育，富水性中等。而8＃煤層頂板即為L1灰巖。所以，太原組灰巖巖溶水對8＃煤層開采影響較大。在實際掘進過程中，掘進面最大淋頭水水量達到30～40m3／h，導致工作面無法連續施工，在開掘5m左右必須等2～3天工作面淋水衰減致5m3／h以下時方可繼續施工作業，嚴重制約了礦井的建設進度。

2 水文地質因素及含水層分析

煤層開采時，水害一般來自三套含水系統。綜合分析該礦水文地質類型劃分報告及礦井施工中實際揭露的地質與水文地質資料后認為，當前影響8＃煤層掘進巷道施工安全的主要水文地質因素有以下幾種。

2.1 石炭系上統太原組L1灰巖巖溶裂隙含水層

太原組含水層主要由4～5層石灰巖組成，總厚度平均為19.44m。巖溶裂隙發育，鉆孔探測發現巖芯中多見有5～15mm的溶孔。分析ZK1孔抽水試驗結果后發現，太原組含水層單位涌水量0.409L／s·m，滲透系數為2.111m／d，水位標高816.74m，水質為SO4·HCO3－Na·Mg·Ca型，礦化度0.968g／L，屬中等富水性。

該含水層為8＃煤層的直接水害隱患，在進行采掘工作時，可能產生頂板淋水、涌水現象，涌水量為5～60m3／h，直接影響采掘工程的安全。

2.2 奧陶系灰巖巖溶含水層

奧陶系地層在該礦井田內全部覆蓋，厚度為42.80m，巖性為青灰色、灰－深灰色石灰巖，裂隙較發育。單位涌水量最大為0.46L／s·m，滲透系數為1.97m／d，含水層富水性中等。水質類型以HCO3－Ca·Na、HCO3－Ca·Mg和HCO3·SO4－Ca·Na型為主。

經勘查，井田內奧灰水位標高為800～802m，5＃煤層可采區域最低底板等高線標高為490m，8＃煤層底板距奧灰頂面為74m。

根據奧灰水突水系數計算公式：

式中：K——突水系數，MPa／m；

P——底板隔水層承受的靜水壓力，MPa；

M——隔水層有效厚度，m；

經計算，8＃煤層的最大突水系數為：

由計算可知，8＃煤層可采范圍內最大突水系數為0.0511MPa／m，小于受構造破壞塊段突水的臨界值0.06MPa／m。因此，在正常情況下，開采8＃煤層時不受奧灰水影響。但由于8＃煤層全部位于奧灰水承壓帶內，帶壓0.3～3.0MPa，不能排除隱伏構造或陷落柱導通奧灰水的可能，成為影響采掘安全的最大間接隱患。

2.3 礦井采空區水害

礦井整合前上覆4＃煤層大部已開采，5＃煤層可能局部開采。8＃煤層上距5＃煤層約50m。5＃煤層下部存在一賦存穩定的山西組隔水層，4＃、5＃煤層采空區對8＃煤層的水文地質條件基本無影響。

同時由于井田內8＃煤層基本無開采，不排除有開采資料不詳的可能，因此在實際開拓中要采取探放水措施以確保安全。

2.4 地質構造的影響

井田總體上呈一較平緩的單斜構造，井田南部受聚財塔地塹的影響，地層略有抬升，南部邊界附近有一條正斷層，落差15m，為聚財塔地塹次一級斷層。目前，本井田已揭露陷落柱4個，長軸80～300m，短軸60～130m，對8＃煤層的采掘工程進度帶來了嚴重影響和水害威脅，因此，在8＃煤層的采掘工作中應加強對陷落柱的探測工作。

2.5 封閉不良鉆孔、深水井及老窯井筒的水害威脅

對于井田內存在的勘探鉆孔，整合前的地面深水井、原礦井井筒等，在8＃煤層采掘前應加強對相應區域鉆孔、深水井和采空區井筒封閉情況的調查和治理工作。

綜上所述，眾多水文地質因素中，石炭系上統太原組L1灰巖巖溶裂隙含水層為8＃煤層的直接水害隱患，直接影響采掘工程的安全；奧陶系灰巖巖溶含水層突水系數小于受構造破壞塊段突水的臨界值，正常開采8＃煤層時不受奧灰水影響，但由于8＃煤層全部位于奧灰水承壓帶內，故不能排除隱伏構造或陷落柱導通奧灰水的可能；同時，礦井地質構造和封閉不良鉆孔、深水井及老窯井筒對掘進工作的影響同樣不可忽視。

3 礦井水患的超前探測方案

針對該礦在煤層掘進中遇到的水害危脅，在8＃煤層掘進過程中，采用瞬變電磁探測方法進行連續超前探測，以查清8＃煤層掘進工作面方向與煤層呈45°夾角區域的富水區分布情況。測線布置見圖1。

圖1 8＃煤層掘進頭探測方案示意圖

鉆探探測方案的設計分為物探探測前方無異常和物探探測前方有異常兩種情況。

圖2 8＃煤層掘進巷道掘進面鉆場的探孔布置示意圖

當物探前方無異常時，根據8＃煤層充水因素分析，直接水害隱患是頂板L1灰巖巖溶裂隙水，最大間接隱患為奧灰水（包括其他導水地質構造、導水陷落柱、地下暗河等導通奧灰水）。因而在8＃煤層掘進工作面及行人側開設鉆場，在8＃煤層布置5個超前鉆孔，采用KLJ－2350型和ZYD－2000S型探水鉆機各1臺同時進行鉆探，以探測8＃煤層賦水、采掘、地質構造及其他隱伏地質體情況。鉆孔孔深150m，控制幫距20m，超前距30m，允許掘進120m。在頂板淋水區域對前上方頂板L1灰巖巖溶水進行疏放，設計疏放水孔2個。在煤層底板沿巷道掘進方向設計2個探測孔，以探測前方隱伏構造，包括陷落柱與奧灰水的水力聯系。掘進工作面鉆場的探孔布置示意圖見圖2。

當物探前方存在異常區時，必須另外補充2～3個孔進行加密驗證。

4 礦井水患的探放水設計

在工作面回采過程中，利用布置在工作面運輸巷的鉆場，向工作面施工超前疏放水鉆孔，形成人為導水通道，在頂板采動裂隙中或砂巖含水層中截住水源，使頂板水從疏水鉆孔中流出，經水溝或水泵排出工作面，從而達到頂板水治理目的。排水鉆孔裝置由孔口管、泄水測壓三通、孔口水門和鉆桿逆止閥等組成，見圖3。

圖3 探放水鉆孔單孔設計和套管裝置示意圖

礦井探放水時，開孔孔徑一般大于孔口管直徑1～2級，鉆至10.5m深度，將孔內沖洗干凈。下入?108mm地下套管，長度為10m，進行注漿。待孔口管周圍水泥漿凝固72h后掃孔至孔底。掃孔后對孔口管進行耐壓試驗。試驗壓力為預計水壓1.5倍并穩定30min，孔口管不松動、周圍不漏水時為合格，否則重新再注漿固管打壓，再做耐壓試驗直至合格。在節理裂隙發育、巖石松軟或破碎并且無條件另選放水地點的區段，一般采用先注漿加固后，再安設孔口管的方法。

5 礦井水患治理效果考察

8＃煤層集中運輸大巷2號探放水鉆孔施工前后的頂板淋水量及鉆孔水量見表1。

表1 8＃煤層集中運輸大巷2號探放水鉆孔施工前后淋水量分析表

由表1可知，在集中運輸大巷未進行水患探測及治理之前，頂板淋水量始終在45m3／h以上，而在開展水患治理之后，大部分礦井水由探放水鉆孔流出，頂板淋水顯著減少，并始終維持在5m3／h以下，從而加快了礦井的建設進度。

［1］ 許光泉，桂和榮，張連福，李學富.礦井大型放水試驗及其意義［J］.地下水，2002（4）

［2］ 李龍清，王永洪，劉金輝.京府八尺溝礦8－2煤層底板突水危險性分析［J］.中國煤炭，2010（12）

［3］ 杭遠.煤礦頂板水砂災害及防治對策［J］.西部探礦工程，2006（1）

［4］ 李家祥.原巖應力與煤層底板隔水層阻水能力的關系［J］.煤田地質與勘探，2000（4）

［5］ 魏久傳，李白英.承壓水上采煤安全性評價［J］.煤田地質與勘探，2000（4）

［6］ 劉友奎，邸偉，王四洋.新安煤礦3112工作面頂板砂巖水探測及評價［J］.科技資訊，2009（15）

［7］ 張光輝，吳鵬飛，王飛.大平礦超前疏放鉆孔治理頂板水害實踐［J］.中州煤炭，2010（1）

Research on detection control of roofwater leakage in No.8 coal seam in Jude Mine

Li Qiang1，Fu Yuping2
（1.Lvliang Coal Ventilation and Gas Control Center，Lvliang，Shanxi 033000，China；2.School of Environment and Safety，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Aimed at the hidden troubles of aquifer roof leakage through karst fissures of carboniferous Taiyuan group L1limestone during the excavation of No.8main roadway in Jude colliery in Liulin county of Shanxi province，the transient electromagnetic exploration method was carried out for continuously detection in advance to make a thorough investigation of water－riched area distribution in the zone within 100min the 180°direction having an included angle of 45°between coal seam and floor.Practice proved that this method effectively solved the problem of mine excavation progress affected by the roof water leakage，achieving safe and high efficient production.

water damage control，excavation，transient electromagnetic detection，roof water leakage

TD745

A

太原科技大學博士科研啟動基金（20122006）

李強（1971－），男，山西交口人，大學本科，主要從事煤礦安全技術研究與管理方面的研究。

（責任編輯 梁子榮）