某煤礦10＃煤層底板奧灰突水防治探討

朱曉明

（1.山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045；2.太原理工大學礦業工程學院，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.山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045；2.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024）

摘 要某煤礦10＃煤層底板標高為370～620 m，奧灰水位為517.88～520.96 m，低于奧灰巖溶水水位標高，奧灰含水層富水性強、水量大，屬于強徑流區。10＃煤層底距奧灰界面平均距離只有34.81 m，奧灰巖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通道，分析了對應底板突水的幾種防治水措施，最后采用回采工作面斜長縮小、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疏水降壓聯合工作的防水措施，最終實現煤層在承壓下的安全開采。

關鍵詞底板突水；隔水層；疏水降壓；注漿堵水

隨著煤層開采水平的延深，煤層底板突水對越來越多的煤礦安全生產造成威脅。底板突水災害是常見的礦井災害，其突水水量可高達每分鐘幾十、幾百，甚至上千立方米。像開灤范各莊礦1984年2171采煤工作面，實際高峰突水水量達2 053 m3／min，礦井即刻被淹，造成重大經濟損失。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）灰巖巖溶含水層，其水位標高高于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。為了有效防止奧灰突水事故發生，實現煤層在水壓下的安全開采，對礦井內的水文地質勘查成果、奧灰含水層的富水性及水文地質特征等情況進行分析研究，提供礦井奧灰突水防治的技術方法。

1　水文地質概況

礦區為侵蝕的低山丘陵地貌，地表河流為季節性河流。主要含水地層為：第四系全新統松散巖類孔隙含水層組、二疊系砂巖裂隙含水層組、太原組層間灰巖裂隙巖溶含水層組、奧陶系中統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灰巖，間接充水含水層為奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層，屬強富水性含水層，靜水水頭高于煤層底板，對礦井突水影響大。區內斷裂構造較發育，含水層之間局部地段存在水力聯系，使礦區內的水文地質條件變的復雜。

2　底板突水水源

礦區開采下組的10＃煤層，其下含水層為奧陶系峰峰組含水巖組，井田內奧灰水位標高為517.88～520.96m，煤層埋深標高為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，奧灰水含水層屬強富水性。煤層底板突水水源主要是奧陶系峰峰組含水巖組。該礦區內水文孔抽水試驗成果見表1.

3　底板突水通道

3.1底板隔水層突水

礦區隔水層原生沉積厚度是不可改變的，底板采動誘發的采動裂隙是構成底板承壓水進入礦井的主要通道之一，按“突水系數法”分析判斷，底板隔水層承受的水壓大于臨界水壓時，會發生底板突水。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，底板采動誘發的采動裂隙有導通到奧灰界面的危險。

表1　水文孔參數統計表

3.2巖溶陷落柱、封閉不良導水鉆孔

巖溶陷落柱、強導水鉆孔（位置偏斜難定時）是導致煤層底板水害事故發生的重要導水通道。充水含水層在正常情況下存在一個背景水位（壓）值，如果發現在一定范圍內存在異常的高水位區，往往是陷落柱或強導水鉆孔影響控制的結果。

3.3斷裂帶型突水切割較深或隱伏在底板的斷層

受底板強充水含水層威脅的大中型礦區，斷裂帶型突水是煤礦防治水工作一項長期性工作。井田內斷層較發育，落差最大達45 m，部分斷層可以切穿下部的奧灰含水層，使奧灰含水層與煤層相通。2011年在上倉皮帶巷主井底煤倉口下山巷處，導通了斷層水，水量達到170 m3／h，采區處理后水量穩定在150 m3／h.通過取水對比水質化驗結果，確定突水來源為奧灰峰峰組水。水質特征表見表2.

表2　水質特征表

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小的采區，合理確定采區工作面的斜長、寬度，越小則回采相對越安全，合理確定工作面邊界和推進方向。一采區位于礦區的中南部，處于不帶壓和帶壓相對小的區域。底板采動導水破壞帶深度采用回歸分析，考慮采深、傾角和工作面斜長，采用下述統計公式：

式中：

L—壁式工作面斜長，m.

按不同工作面斜長計算結果如下：

1）工作面斜長按120 m，計算得出煤層采動底板破壞深度為13.65 m.

2）工作面斜長按150 m，計算得出煤層采動底板破壞深度為16.89 m.

3）工作面斜長按180 m，計算得出煤層采動底板破壞深度為20.12 m.

4）工作面斜長按200 m，計算得出煤層采動底板破壞深度為22.28 m.

考慮到煤層底板距奧灰界面的距離因素，工作面斜長為120 m，煤層開采時相對安全。

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算：

式中：

Ts—突水系數，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，本次按《煤礦防治水規定》隔水層完整無斷裂構造破壞地段0.1 MPa／m，根據井田內施工鉆孔計算最大突水系數為0.047 MPa／m.正常塊段開采時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。針對這個問題，煤礦易采用在采掘和回采中對隔水層底板進行注漿加固，對其底板直接充水含水層進行改造，達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、水量大，水源主要為上游補給區的水徑流補給。礦區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，同時礦區井下進行疏水降壓工作，保證煤層在安全水壓下開采。

4.5井下防、治水措施

運用地下水動力學理論，利用“大井”法對一采區的奧灰巖溶水突水量進行粗略的預測。采用承壓完整井計算公式：

式中：

Q—突水量，m3／d；

K—含水層滲透系數，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采用經驗公式R＝10 S計算。利用已施工鉆孔成果預算奧灰突水量結果見表3.

表3　奧灰巖溶水突水量預算成果表

井下礦井設置的強排水系統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，設置的強排水系統能滿足采區發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、水量大。單獨進行疏水降壓工程量大，不經濟，可以與帷幕注漿結合進行。

4.7注漿堵水

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

5　結 論

井田處于郭莊泉域的強徑流區，奧灰水位標高高于10＃煤層底板標高，奧灰水流向由西北向東南方向。井田內水1、水2水文孔峰峰組抽水試驗結果顯示奧灰含水層屬強富水性，水量大、巖石破碎，局部發育有小溶洞，裂隙發育不規則。煤層底板隔水層厚度小、巖石較軟、破碎。井田內斷層、陷落柱較發育，落差幾米到幾十米不等。綜合以上地質條件，井田底板的突水防治可以優先采用減小回采工作面斜長來減小帶壓開采危險，其次為對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疏水降壓聯合工作的方法，最終實現煤層在承壓下的安全開采。

參 考 文 獻

［1］ 龐玉峰，張懷松，劉玉良，等.煤礦防治水綜合技術手冊［M］.長春：吉林音像出版社，2003：27－28.

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

中圖分類號：TD475＋.2

文獻標識碼：B

文章編號：1672－0652（2015）02－0047－03

收稿日期：2015－01－03

作者簡介：朱曉明（1983—），男，河北武邑人，2006年畢業于河北工程大學，2012年太原理工大學在讀在職研究生，工程師，主要從事地質勘查及研究工作，（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