煤層為主含水層礦井水害防治技術(shù)研究

朱南京，李百宜，郝德永

(1.陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤層為主含水層礦井水害防治技術(shù)研究

朱南京1，李百宜2，郝德永2

(1.陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

摘要：煤層為主含水層是一種特殊的地質(zhì)條件，極易造成突水等水害事故。本文以小紀(jì)汗煤礦為例，在分析礦井水文地質(zhì)條件和煤層富水特征的基礎(chǔ)上，研究了煤層為主含水層的地質(zhì)成因，并建立了礦井水害防治體系。研究表明：頂板砂巖遇水松散且裂隙易于封閉、煤體滲透率高、煤層裂隙發(fā)育以及豐富的裂隙水補(bǔ)給是煤層為主含水層的主要地質(zhì)成因；建立了煤層揭露時“地面疏水，井下排水，注漿封堵”結(jié)合、巷道掘進(jìn)時“拉頂泄壓，水倉集水，集中排放”和工作面回采時“提前排水，礦壓控制”的綜合水害防治技術(shù)體系。研究成果在小紀(jì)汗煤礦11203工作面進(jìn)行了工程應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：煤層含水；主含水層；地質(zhì)成因；水害防治

小紀(jì)汗煤礦煤層為礦井主含水層，此種特殊地質(zhì)條件給礦井采掘活動帶來極大的安全隱患。在礦井進(jìn)風(fēng)立井施工至馬頭門揭煤時，水壓達(dá)2.3MPa，涌水量由13m3/h突然增加到82m3/h，造成井筒被淹；2號西翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間，水壓為2.6MPa，礦井涌水量累計達(dá)到750m3/h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)活動。研究煤層為主含水層時的水害防治技術(shù)對實現(xiàn)安全高效開采具有重要的現(xiàn)實意義。

煤礦防治水技術(shù)主要包括疏干降壓法[1]、堵水截流法[2]、突水預(yù)測技術(shù)[3-6]以及水文地質(zhì)調(diào)查和勘探[7]。但是以上技術(shù)研究多基于頂板或底板為主要含水層的水文地質(zhì)條件，對于煤層為主含水層的特殊水文地質(zhì)水害防治技術(shù)鮮有提及。

本文基于礦井水文地質(zhì)特征，分析了煤層為主含水層的地質(zhì)成因，研究了煤層為主含水層水害防治關(guān)鍵技術(shù)，建立了礦井水害防治體系。研究成果在小紀(jì)汗煤礦投入工程應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

1水文地質(zhì)賦存特征

1.1地層賦存特征

小紀(jì)汗礦井地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，主要為中生界侏羅系、白堊系及新生界蓋層，其中侏羅系中統(tǒng)延安組為主要的含煤地層。依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中含水層富水性分級標(biāo)準(zhǔn)[8]，對各時代地層進(jìn)行劃分，其主要特征見表1。

表1　各時期地層主要特征

1.2水文地質(zhì)特征

1)地表水。礦井全區(qū)基本上為四周較高、中部低洼的不對稱高原盆地地形。該區(qū)地勢相對低平，降水易于匯集，且盆地之中溝道少，排泄條件差，故在區(qū)內(nèi)地勢低洼的地段多形成海子等地表水體。

2)地下水。根據(jù)礦區(qū)地下水的賦存條件及水力特征，將礦區(qū)地下水劃分為兩種類型，即第四系松散巖類孔隙及孔隙裂隙水和碎屑巖類裂隙水；具體可細(xì)分為七個含水巖層(組)，見圖1。

圖1　礦井地下含水層劃分

在基巖中，厚度較大且連續(xù)分布的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等泥巖類，與含水層相間分布，厚度一般為10～40m，為層間裂隙承壓水的隔水層。

1.3煤層富水特征

礦井主采煤層為侏羅系延安組2號煤層，其裂隙承壓含水層單位涌水量達(dá)到1.496L/s·m，富水性強(qiáng)。且在中央進(jìn)、回風(fēng)立井井筒落底放炮揭煤過程中，實測水壓達(dá)到2.3MPa，涌水量達(dá)到82m3/h以上。回風(fēng)大巷在揭露煤層頂板時，實測水壓為2.6MPa，隨著煤層揭露，涌水量逐漸增大，回風(fēng)大巷煤巷施工36m時，最大涌水量達(dá)到540m3/h。實測數(shù)據(jù)表明煤層為該礦主含水層。

2煤層為主含水層的地質(zhì)成因分析

2.1頂板巖性及富水特征

對煤層頂板鉆樣取芯鏡下鑒定，結(jié)果顯示2#煤層頂板至洛河組殘留上界面之間的基巖為中生代陸相沉積的碎屑巖、黏土巖和極少量的淡水石灰?guī)r。巖性構(gòu)成主要為砂巖，夾有薄層粘土巖，砂巖主要為細(xì)粒巖屑砂巖和粉砂巖，厚約20m，填隙物為粘土及少量鈣質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)物。故頂板砂巖遇水松散，不易儲存地下水。且構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂隙易于封閉，保持張開狀態(tài)較少，不利于地下水的儲存和運移，裂隙含水極易下滲到煤層中。

采用礦井瞬變電磁法對工作面頂板巖層富水性進(jìn)行探測，起始位置位于試采面回風(fēng)巷切眼與回風(fēng)巷交叉點，探測點距10m，探測結(jié)果見圖2。

根據(jù)“橫向相對低阻”判定依據(jù)，將25Ω·m為劃分界限，小于25Ω·m的區(qū)域定性為低阻異常區(qū)域。由圖2可知，橫向距離250～280m位置、390～470m位置顯示低阻異常反映，定性為水文地質(zhì)異常區(qū)，故可知頂板巖層水文異常區(qū)很少，且通過在圖2中探測到的水文異常區(qū)補(bǔ)打頂板探測孔，探測結(jié)果顯示：水文地質(zhì)異常區(qū)最大涌水量約為5m3/h，且持續(xù)時間較短。

圖2　頂板瞬變電磁法視電阻率等值線圖

2.2煤體滲透特性

為了測試煤體滲透性能，取小紀(jì)汗煤礦煤樣、砂巖試樣及臨近隆德煤礦的煤樣(均為2#煤層)，設(shè)計了對照滲透試驗，得到各個煤巖樣滲透率平均值與圍壓變化曲線，結(jié)果見圖3。

由圖3可知：在圍壓由2MPa變化至12MPa時，小紀(jì)汗煤樣滲透率從22×10-17m2下降到3.43×10-17m2，變化率為6.414，小紀(jì)汗砂巖滲透率從14.83×10-17m2下降到0.583×10-17m2，變化率為25.437，隆德煤樣從10.07×10-17m2下降到0.074×10-17m2，變化率為136.081，說明給定同樣的圍壓，小紀(jì)汗煤樣內(nèi)部裂隙閉合率最低。故小紀(jì)汗煤樣內(nèi)部裂隙最難閉合，最容易存儲及運輸水。

2.3煤層裂隙發(fā)育

在南北走向的11203回風(fēng)巷觀測統(tǒng)計裂隙條數(shù)，結(jié)果見圖4。涌水裂隙共39條，裂隙走向以290°為中心服從正態(tài)分布，其中走向290°的裂隙13條。

圖3　巖樣平均滲透率與圍壓變化曲線

圖4　11203回風(fēng)巷涌水裂隙走向統(tǒng)計

煤層裂隙較發(fā)育，裂隙均為節(jié)理，絕大多數(shù)局部切割煤層，切割高度為40～70cm，裂隙間距為50～80cm，裂隙寬度變化在0.5～7cm，極易存儲地下水。

2.4裂隙水來源與補(bǔ)給

第四系松散層潛水以大氣降水和區(qū)外側(cè)向補(bǔ)給為主，部分為沙漠凝結(jié)水補(bǔ)給及灌溉回歸水、渠水滲漏補(bǔ)給。基巖風(fēng)化帶裂隙潛水，在裸露區(qū)直接由大氣降水滲入補(bǔ)給，其余地區(qū)靠上覆松散層潛水的下滲補(bǔ)給。

深層承壓水的補(bǔ)給主要是來自上覆含水層的下滲，越流通道主要是斷裂和含水層內(nèi)裂隙等曲折路徑，一邊接受垂向越流補(bǔ)給一邊做近水平方向的順層徑流。礦井地下水徑流路線見圖5。

圖5　礦井地下水越流和徑流示意圖

充足的裂隙水來源與補(bǔ)給為煤層為主含水層的形成提供了有利的條件。

3水害防治關(guān)鍵技術(shù)

針對頂板和煤層富水特征、裂隙發(fā)育情況，以及裂隙水來源與補(bǔ)給情況，根據(jù)煤層為主含水層礦井工作面實際開采條件，提出了煤層揭露時“地面疏水，井下排水，注漿封堵”結(jié)合、巷道掘進(jìn)時“拉頂泄壓，水倉集水，集中排放”和工作面回采時“提前排水，礦壓控制”的綜合水害防治技術(shù)體系。

3.1煤層揭露時水害防治

煤礦主、副和風(fēng)井施工過程中，影響作業(yè)安全的主要因素是承壓含水層的水頭壓力，在井筒落底揭煤時，需提前防治水害防治。

1)首先從地面打疏降水鉆孔，提前釋放水壓；一般需要在開掘井筒周邊打疏降水鉆孔，孔內(nèi)安裝水泵及排水管路。

2)然后井下打鉆孔進(jìn)行二次排放水，對井底富水區(qū)進(jìn)行集中疏放水并對地面及井下疏放水鉆孔疏放水情況進(jìn)行動態(tài)觀測。

3)最后注漿封堵，采用脲醛樹脂進(jìn)行注漿封堵涌水。

3.2巷道掘進(jìn)時水害防治

做好對煤巷掘進(jìn)中的水害防治是實現(xiàn)對礦井回采煤炭資源的首要關(guān)鍵步驟[9]，綜合對煤層安全高效掘進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)難點的對水壓水流的導(dǎo)控、巷道涌水的排放與處理兩個方面，提出煤巷高效掘進(jìn)水害防治的基本技術(shù)思路。

1)炮掘提前拉頂泄壓，可以有效控制承壓水的水壓和流向，保證巷道掘進(jìn)作業(yè)的安全、快速、高效。

2)根據(jù)礦井掘進(jìn)生產(chǎn)涌水量，采取水泵抽排的方式排水，巷道內(nèi)每隔一段設(shè)一個臨時水倉，放置一臺水泵將水抽至排水管，根據(jù)掘進(jìn)需要，也可在巷道內(nèi)另設(shè)臨時水窩，可解決礦井掘進(jìn)排水的技術(shù)難題。

3)設(shè)立臨時水倉處理煤泥水。

3.3工作面回采時水害防治

工作面開采過程中煤層水害的影響因素主要有頂板水、上覆巖層礦壓、導(dǎo)水裂隙等，因此工作面開采中的煤層水害防治主要從頂板疏水、工作面礦壓控制兩個方面來進(jìn)行。

1)頂板疏水。因煤層為礦井主含水層，為避免礦井煤層開采時工作面涌出大量的承壓水而對工作面人員和設(shè)備造成傷害，在煤層開采前，采用向煤層頂板打鉆孔并采用疏水管進(jìn)行疏水的方法對頂板以及煤層的承壓水進(jìn)行提前釋放輸送，減少開采時煤層的壓力，降低因承壓水的涌出而帶來的傷害。

2)頂板礦壓控制。對采空區(qū)的頂板進(jìn)行處理，防止頂板大面積來壓而造成承壓水瞬時的釋放帶來的危害。目前，對工作面采空區(qū)頂板常規(guī)處理的方法一般采用全部垮落法[10]。

4工程應(yīng)用

4.1工作面概況

11203工作面，煤層底板標(biāo)高為826～890m，地面標(biāo)高為1208～1225m。煤層平均傾角0.7°；煤層平均厚度2.67m，基巖厚度290～321m。工作面實測水壓為2.6MPa，最大涌水量達(dá)到540m3/h。工作面布置見圖6。

4.2水害防治具體措施

1)巷道掘進(jìn)。根據(jù)煤層巷道地質(zhì)條件，采用EBZ-200型綜掘機(jī)掏槽和炮掘拉頂相結(jié)合的綜合掘進(jìn)方式，提前拉頂泄壓。放炮時炸藥選用二級的煤礦許用硝胺炸藥，藥卷規(guī)格為Φ35mm×200mm，重200g。采用正向裝藥，正向爆破的方式。炮眼間距400mm。

巷道內(nèi)設(shè)臨時水倉，間距200m，并放置一臺37kW水泵排水。掘進(jìn)時配備37kW和7.5kW水泵進(jìn)行抽水，巷道內(nèi)DN250PVC管與大巷內(nèi)排水管連接，形成排水系統(tǒng)。

2)工作面回采。采用50mm鉆頭鑿巖機(jī)由工作面煤壁向煤層頂板打鉆孔，孔深12m，沿工作面方向每隔5m進(jìn)行一次打孔疏水，疏水管采用50mm的內(nèi)徑，頂板和煤層中含水通過疏水管排至工作面巷道中，而后被排至工作面水倉，完成對頂板和煤層含水的提前釋放輸送。采用深孔爆破法進(jìn)行強(qiáng)制放頂，在11203工作面切眼240m范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)裂爆破放頂，炮眼布置在距切眼中心線1000mm位置處，孔間距為10000mm。

4.3應(yīng)用效果

在回風(fēng)立井臨時水泵房內(nèi)施工3個探放水立孔，傾角90°，孔口管直徑Φ108mm，探孔實測數(shù)據(jù)見表2。

圖6　11203工作面布置圖

序號項目1#2#3#1孔口高程/m914.148914.637913.2702初見水高程/m896.847897.5013水量明顯增大/m894.928895.997894.3414煤層頂板/m891.048892.437891.9415水量突增/m890.248891.937891.6416煤層底板/m未見891.537未見7終孔高程/m889.748888.537890.9418水量/(m3/h)0.30.10.29水壓/MPa0.030.020.02

由表2可知，3個鉆孔合計涌水量約為0.5 m3/h，水壓平均在0.03MPa，未見鉆孔內(nèi)大量涌水，工作面未發(fā)生涌水事故。月平均產(chǎn)煤量為50.7萬t，單面生產(chǎn)能力可達(dá)到600萬t/a，采煤進(jìn)度未受水害影響，應(yīng)用效果良好。

5結(jié)論

1)煤層為主含水層的地質(zhì)成因主要包括：煤層頂板砂巖遇水松散且裂隙在構(gòu)造作用下易于封閉；煤層裂隙發(fā)育；煤體滲透率高，內(nèi)部裂隙不易閉合；裂隙水來源補(bǔ)給充足。

2)根據(jù)煤層為主含水層的地質(zhì)成因，提出了煤層揭露時“地面疏水，井下排水，注漿封堵”結(jié)合、巷道掘進(jìn)時“拉頂泄壓，水倉集水，集中排放”和工作面回采時“提前排水，礦壓控制”的綜合水害防治技術(shù)體系。

3)通過將技術(shù)應(yīng)用于小紀(jì)汗煤礦11203工作面，工作面回采過程中未發(fā)生涌水事故，月平均產(chǎn)煤量為50.7萬t，單面生產(chǎn)能力可達(dá)到600萬t/a，無涌水征兆，應(yīng)用效果良好。

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Research on prevention and control technology of water disaster in main aquifer coal seam

ZHU Nan-jing1，LI Bai-yi2，HAO De-yong2

(1.Shaanxi HuadianYuheng Coal and Electricity Co.，Ltd.，Yulin 719000，China；2.School of Mines，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

Abstract:The coal seam being the main aquifer is a special geological condition，causing many water disasters such as inrush.Taking Xiao Jihan coal mine as an example，the geologic origins are researched and prevention system for water disasters in mines is established，based on analyzing hydrogeological conditions and water bearing characteristics of coal seam.The studies indicate that：the geologic origins that make coal seam main aquifer are contributed by the roof and cracks which intend to be loose when encountering water respectively，high permeability of coal，development of coal fracture and abundant supply of water.According to the origins，comprehensive technology system of preventing water disaster is proposed，including drainage from the ground and underground，grouting and plugging during exposing the coal，pulling the top to release pressure and catchment and discharging in the sump during tunneling，drainage in advance and pressure controlling during mining.The studies have been applied in 11203 workface in Xiao Jihan coal mine and turned out to be well.

Key words：hydrous coal seam；main aquifer；geologic origins；water disaster prevention

收稿日期：2015-05-09

作者簡介：朱南京(1981-)，男，江蘇連云港人，陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司小紀(jì)汗煤礦副總工程師，現(xiàn)從事采礦工程技術(shù)管理工作。E-mail：yunhai320722@163.com。 通訊作者：李百宜(1992-)，男，漢，江蘇人，碩士研究生，主要從事充填開采與巖層控制的研究工作。E-mail：libaiyi@cumt.edu.cn。

中圖分類號：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)03-0083-05