新莊孜煤礦63301工作面突水水源和通道分析

張秀云，竇春遠，錢家忠，馬 雷，周小平

（1.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽 合肥230009；2.淮南礦業集團新莊孜煤礦，安徽 淮南232000）

礦井突水是影響煤礦生產的重要災害之一，礦井突水水源和突水通道的識別是進行防治水工作的基礎內容［1］。目前常用的突水水源的判別主要是根據地質、水文地質條件，從水化學常規分析［2］、同位素分析［3］、水溫［4］、水位動態［5］變化等方面進行。其中，根據水化學特征進行判別最為常用，具有代表性的主要有Bayes判別模型［6］、神經網絡模型［7］、模糊綜合評判模型［8］、灰色關聯分析模型［9］等。突水通道的確定需要結合礦井的地質條件和開采條件進行綜合判斷。

新莊孜煤礦地處安徽淮南市八公山東北麓，為山前坡地與淮河河漫灘間的過渡地帶，屬山前沖積平原。目前主要生產水平為六水平（-812m）。井田巖層總體呈單斜構造，主要以斷裂構造為主，局部發育有小型褶曲。2012年10月4日，新莊孜煤礦63301工作面底板突然出水，最終致使工作面封閉，A組煤停采。此次灰巖突水造成嚴重的后果，因此探尋工作面突水水源，對進行突水水害的有效治理和礦井未來對A組煤的重新開采及水害預防具有重要的指導意義。

1 工作面突水過程

63301工作面為新莊孜煤礦六三采區三階段A1煤層工作面，南起新謝井田技術邊界線北10m，北至Ⅷ-Ⅸ線南100m，上風巷標高-741～-756m，下順槽標高-821～-833m，回采走向長約235m。工作面回采前實測單孔最大出水量5m3/h，最大水壓0.6 MPa，安全水壓值為0.76MPa。工作面突水地點見圖1。

圖1 63301工作面突水地點

工作面采用懸移支架炮采工藝。2012年8月1日開始回采，至10月4日早班回退125m，剩余110 m。10月4日早班炮后14時10分，工作面老塘側底板突水，水量約20m3/h，15時水量增為40m3/h，15時50分增為50m3/h，后因無法觀測，至23時泵測水量為130m3/h，然后一直保持穩定狀態。由于工作面剛剛放炮，加之傾角大，致使工作面迅速積水，并將浮煤沖帶至下順槽及工作面水倉，淤埋了水倉和2臺排水泵吸水口以及下順槽外段，并且導致排水泵失去功能。因此，判別突水水源對如何進行工作面疏干、降壓、突水水源的注漿等處理措施非常重要。

2 突水水源分析

為了準確判別此次突水的水源，礦井自10月4日起對新莊孜地區灰巖觀測孔水位和水壓開展加密觀測，并采集了突水口、鄰近放水鉆孔的水樣送檢，進行水質常規分析。綜合分析各種觀測和檢驗數據，并結合礦井的突水特征，對突水水源進行準確的判定。

2.1 根據出水特征的分析

2012年10月4日早班炮后14時10分發現出水，初始水量20m3/h，然后迅速增加，23時突水量已達到130m3/h，并保持穩定。可以發現，此次突水具有來勢迅猛，水量增速快，歷時長，并且衰減極為緩慢的特點，表明有較強的含水層水的補給，顯示為動儲量為主的特點［10］。

新莊孜礦六三采區富水性的特點是：C3-Ⅰ組灰巖水為影響A組煤開采的直接充水含水層，但是-412m以下富水性弱；C3-Ⅱ組灰巖水富水性最弱，可作為C3-Ⅰ、C3-Ⅲ組間相對隔水層看待；C3-Ⅲ組灰巖水單位涌水量為0.134～1.73L/s·m，富水性中等到強，且與奧灰強含水層的水力聯系較為密切；寒灰富水性較強，與奧灰含水層有較密切的水力聯系。63301工作面下順槽標高-821～-833m，由C3-Ⅰ組412m以下富水性弱的特點可知，此次礦井突水主要突水水源不是C3-Ⅰ組。因此判斷，此次突水的主要突水水源為下伏C3-Ⅲ組灰巖水。C3-Ⅲ組富水性強、水壓大，如果通過導水通道進入到工作面，則可能發生較嚴重的突水事故，與工作面突水特點一致。

2.2 根據鉆孔水量、水壓變化特征

而工作面突水后，位于六三采區內的11個C3-Ⅰ組放水鉆孔總出水突水量快速增加。22＃補孔水量上升了3m3/h，17＃1＋補孔等六孔水量之和上升了5m3/h。總出水突水量由9月30日的11.3m3/h增加到10月7日的28.3m3/h，凈增加了17m3/h。井下C3-Ⅰ組灰巖水壓觀測孔21＃2孔的水壓由10月2日的0.6MPa上升到10月7日的2.2MPa后保持穩定，凈增了1.6MPa。突水量和水壓均增幅較大，表明C3-Ⅰ組灰巖水受到下伏高水壓、強富水性的灰巖含水層補給。

表1 C3-Ⅰ組疏放水鉆孔水量變化表 單位：m3/h

C3-Ⅰ組與下伏高水壓、強富水性的灰巖含水層之間有作為隔水層存在的C3-Ⅱ組，上下處于應力平衡狀態。當工作面通過導水通道與C3-Ⅰ組灰巖水導通時，C3-Ⅰ組灰巖水進入到工作面，導致其水壓降低，隔水層兩端的應力平衡被打破，下伏灰巖含水層由于壓力過大沖破隔水層進入到C3-Ⅰ組，同時也進入到突水工作面，導致C3-Ⅰ組水量、水壓驟然增大，工作面突水量也快速增大，并且由于下伏強含水層的補給，導致工作面突水量達到130m3/h后保持穩定。根據63301工作面所處的水文地質條件，推測高水壓、強富水性的灰巖含水層為C3-Ⅲ組含水層或奧灰強含水層。

2.3 根據鉆孔水位變化特征

通過對灰巖含水層水位的觀測發現，自9月20日至突水前，水位有輕微下降，變化緩慢，自10月4日63301工作面突水后，地面水文孔水位降幅明顯增大。距出水點2 177m的ⅦC3-Ⅰ淺孔，至10月12日（出水后8天，水位基本穩定）水位下降0.92m；距出水點2 377m的Ⅵ-ⅦC3-Ⅲ孔，至10月12日水位下降15.18m；距出水點1 738m的Ⅷ-ⅨC3-Ⅲ孔，至10月12日水位下降15.23m；距出水點4 751m的李ⅤC3-Ⅲ上孔，至10月12日水位下降3.61m；距出水點5 251m的李ⅤO1-Ⅰ上孔，至10月12日水位下降1.97m；距出水點2 926m的Ⅶε孔，至10月12日水位下降4.34m。各灰巖水文觀測孔水位下降趨勢見圖2。

圖2 2012年63301工作面出水前后各灰巖觀測孔水位變化

由圖2可知，C3-Ⅰ組觀測孔水位是先緩慢下降再趨于穩定；C3-Ⅲ組和奧灰觀測孔水位為先快速下降，后緩慢下降，再趨于穩定；寒灰觀測孔水位則表現為先緩慢下降，后快速下降，再趨于穩定。

據以上資料分析，10月4日工作面剛出水時水量較小，水源首先來自C3-Ⅰ組含水層，隨即由于工作面底板應力平衡被破壞，C3-Ⅰ組含水層與C3-Ⅲ組含水層導通，致使工作面水量短時間內迅速增大到130m3/h。C3-Ⅰ組含水層富水性弱，補給條件差，因此水位短暫下降后基本處于穩定，C3-Ⅲ組含水層成為主要充水水源，因此觀測孔水位快速下降。由于C3-Ⅲ組含水層與奧灰含水層有較密切的水力聯系，因此奧灰觀測孔水位下降趨勢與C3-Ⅲ組觀測孔水位基本保持一致。奧灰與寒灰也有密切的水力聯系，導致寒灰孔水位也有所下降。但在突水初期，由于水位差、水壓和地質條件等因素，使得寒灰的補給有一定的滯后性，表現出先緩慢下降后快速下降的特點。

因此，判斷該次突水水源不僅有C3-Ⅰ組灰巖水，還有下伏C3-Ⅲ組灰巖水、奧灰水和寒灰水，且C3-Ⅲ組為主要水源。圖2中奧灰觀測孔李ⅤO1-Ⅰ上孔距離突水點較遠：5 251m。因此，不能憑借此孔的水位下降幅度判斷奧灰水是否為主要突水水源。

2.4 基于水質的分析

為了確定突水水源，分別于10月4日、6日、11日在工作面抽取水樣進行水質常規檢測，檢測結果見表2。通過以往的水質分析可知，C3-Ⅰ組含水層水質類型為HCO3-Ca·Mg，C3-Ⅲ組含水層為HCO3-K＋Na型水，奧灰為HCO3-Ca·Mg或Cl-K＋Na型水，寒灰為HCO3-Ca·Mg型水。

表2 63301工作面水樣水質分析結果表

采用灰色關聯分析的方法對以上3個樣品的突水水源進行判別。灰色關聯分析方法的模型為：

其中：ri為關聯度；ξi（k）為第i個被評價對象的第k個指標與第k個最優指標的關聯系數；jk＊為第k個指標的最優值；ρ∈（0，1），一般取ρ＝0.5。

根據以上判別模型，得出4個水樣與太灰水的相似度分別為62.2%、61.5%、61.9%和61.7%，與奧灰水的相似度分別為66.5%、65.7%、66.1%和71.0%。因此，可知突水水源與太灰水和奧灰水比較接近，推測突水水樣為混合水，主要突水水源為太灰和奧灰。這也驗證了上面的分析結果。

因此，通過對工作面水文地質情況、工作面突水特征、灰巖觀測孔水位和突水水樣的分析可知，此次突水的突水水源為C3-Ⅲ組含水層和奧灰含水層，其次為C3-Ⅰ組含水層和寒灰含水層。

3 突水通道分析

確定礦井突水的突水通道，是進行注漿治理的前提。突水通道的確定，應根據工作面的地質條件并結合工作面突水特征進行綜合分析。新莊孜煤礦A1煤層底板至C3-Ⅰ灰巖頂板的隔水層厚12～18m。C3-Ⅲ含水層裂隙與溶洞比較發育，水量較大，富水性較強，可以通過斷層或采動影響下產生的導水通道涌入礦井巷道或工作面內，造成突水事故。突水點附近沒有揭露大的斷層，工作面采掘前的勘察工作也未發現特殊地質構造，判斷突水通道為采動影響下產生的底板裂隙。在工作面的回采過程中，由于采掘的作用使得工作面周圍的巖層應力重新分布［11］，打破了煤巖層的原始應力場平衡，導致底板的變形破壞了底板裂隙，裂隙導通了C3-Ⅰ組和C3-Ⅲ組含水層，發生此次突水事故。另外，新莊孜煤礦以往的突水事故中，約50%突水通道為裂隙。因此，根據以往經驗和礦井的水文地質條件判斷，此次突水事故的突水通道為底板裂隙。

4 結論

根據工作面突水特征、出水后井上下鉆孔水量、水壓、水位觀測以及水質常規分析，得到以下結論：

（1）63301工作面出水水源主要來自于C3-Ⅲ組含水層、奧灰含水層，其次為C3-Ⅰ組含水層和寒灰含水層。

（2）根據工作面突水特點和水文地質情況，判斷突水通道為采動影響下產生的底板裂隙。工作面回采中，采掘對底板的破壞波及底板裂隙，導致裂隙聯通工作面和含水層，從而產生突水。

因此，在深部開采過程中，需要進一步研究探明巖層底板的破壞規律，以達到減小或消除突水危害的目的。

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