新汶礦區15煤工作面承壓水上開采技術研究

付應凱 王 波 孫建西

（新汶礦業集團有限責任公司，山東 新泰 271233）

隨著開采歷史的延長，新汶礦區前組煤資源日漸枯竭，礦井開采工作面埋藏越來越深，地壓越來越大，后組煤底板含水層水壓越來越高。為解決開采煤層底板承壓水害問題，保證礦井安全生產，水害防治工作的研究變得十分必要和重要。本文以15煤層31515W工作面開采為例，對底板承壓水害治理工作進行研究。

1 礦區地層概況

新汶煤田屬魯西地層分區，其地層由新到老發育有新生界第四系、古近系；中生界侏羅系下統；上古生界二疊系中、下統及石炭系上統；下古生界的奧陶系上、中、下統。煤系地層總厚一般在260m左右，主要的巖性為粉砂巖、粉砂質泥巖、中細砂巖，中間夾有4～7層石灰巖和泥灰巖，沉積特征與華北各地極為相似，故為華北型海陸交互相石炭二疊紀煤田。本區域含煤層共17層，可采煤層為6層，分別為山西組的2、4、6煤層（前組煤）和太原組的11、13、15煤層（后組煤）。

2 工作面水文地質情況

根據區內鉆孔資料，影響31515W工作面十五層煤開采的主要含水層是煤層底板以下的石炭系本溪組徐灰、草灰灰巖含水層和奧陶系灰巖含水層。

（1）徐灰。徐灰為井田內主要含水層之一，區內平均厚度12.56m，該含水層上距十五層煤底板19.4m，下距草灰頂13.6m，距奧灰頂32.31m，為開采十五層煤底板間接充水含水層。

（2）草灰。區內草灰厚3.81m，底板下距奧灰頂板14.9m。

（3）奧灰。奧灰厚達800余米，為煤系基底，是開采下組煤的間接充水含水層。上部為厚層狀質純石灰巖，夾薄層泥巖，頂部具古風化殼，局部巖溶裂隙發育。奧灰頂界面上距草灰14.9m，距徐灰32.31m，距十五層煤底板64.27m。

3 防治措施

運用物探先行、鉆探驗證、合理布局、疏排可靠的治理措施，開展防治水工作，確保工作面安全開采，不出現突水事故。

3.1 物探探查

3.1.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法工作原理，是利用不接地回線向采掘空間周圍的煤巖體發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。然后，通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征。該方法克服井下施工空間的局限性，具有明顯的優勢。

3.1.2 瞬變電磁法實施方案布置

根據瞬變電磁法工作原理，結合31515W工作面的現場情況，設計瞬變電磁法方案，對工作面巷道布置3條探測線：

（1）1#：31515W工作面運輸巷底板巖層含水性瞬變電磁法豎直方向探測視電阻率；

（2）2#：31515W工作面回風巷底板巖層含水性瞬變電磁法豎直方向探測視電阻率；

（3）3#：31515W工作面運輸巷底板巖層含水性瞬變電磁法面內底板45°方向探測視電阻率。

3.1.3 瞬變電磁數據分析

通過現場探測，采集瞬變電磁數據，對資料進行處理分析，分析3條探測線探測視電阻率斷面圖，根據低阻異常帶的分布位置、之間連通性比較、異常區深度變化，推斷出富含水區。

分析1#探測成果異常區有6個。巷道160～230m范圍為15煤底板徐奧灰巖層位置異常幅度中等，推斷含水性中等區；巷道520～630m、1340～1370m范圍為15煤底板徐灰巖層位置異常幅度相對較強，推斷為含水性相對較強區，其下部奧灰巖層位置異常幅度較小，推斷含水性較弱區，徐奧灰層位中間位置也有異常區域，推斷有可能存在通道；巷道 850～880m、1060～1120m、1210～1240m范圍15煤底板徐灰巖層位置異常幅度相對中等，推斷為含水性相對中等區，其下部奧灰巖層位置異常幅度較小，推斷含水性較弱區。

分析2#探測成果異常區有3個。巷道650～760m范圍為15煤底板徐灰、奧灰巖層位置異常幅度相對較強，推斷為含水性相對較強區，且中間位置也有異常區域，推斷有可能存在通道；巷道950～1030m范圍為15煤底板徐灰巖層位置異常幅度較弱，推斷含水性較弱區；巷道1100～1160m范圍為15煤底板徐奧灰巖層位置異常幅度較強，推斷含水性較強區。

分析3#探測成果異常區有2個。巷道500～600m、1330～1390m范圍為15煤底板徐灰巖層位置異常幅度相對較強，推斷為含水性相對較強區，其下部奧灰巖層位置異常幅度較小，推斷含水性較弱區，徐奧灰層位中間位置也有異常區域，推斷有可能存在通道。

3.2 水文地質鉆探

根據物探資料解釋結果，在31515W運輸巷550m、1350m徐灰含水性相對較強區位置施工1#、2#徐灰水文觀測鉆孔，31515W回風巷700m奧灰水文觀測鉆孔、1150m徐灰含水性相對較強區位置施工徐灰水文觀測鉆孔進行鉆探驗證，終孔情況：

（1）31515W運輸巷1#徐灰水文觀測孔，徐灰水量4.0m3/h，水壓3.1MPa。

（2）31515W運輸巷2#徐灰水文觀測孔，徐灰水量1.3m3/h，水壓4.1MPa。

（3）31515W回風巷徐灰水文觀測孔，徐灰水量 11.0m3/h，水壓 3.2MPa。

（4）31515W回風巷奧灰水文觀測孔，徐灰水量8.0m3/h，水壓2.1MPa；草灰無水；奧灰終孔水量 1.3m3/h，水壓 1.4MPa。

3.3 工作面現場管理

（1）工作面開采過程中要加強現場浮煤管理，嚴禁丟底煤。防止工作面出水后將浮煤沖至工作面下出口，堵塞巷道，形成封閉巷道。

（2）工作面開采過程中，盡量加快推進速度，以減少底板破壞深度。當工作面推進長度為工作面斜長的整數倍左右時，對工作面底板破壞深度加大，因此，加強對工作面水情的觀測，防止底板突水。

3.4 排水系統

（1）確定排水路線：31515W工作面→31515W工作面運輸巷→-550水平4-3采區水倉→-550水平水倉。

（2）31515W面回風巷存在三處巷道低洼，低洼地段需要安裝22kW排水泵及配套二寸排水管路一趟，并安設備用泵。

（3）31515W面運輸巷存在三處巷道低洼，至切眼段內250m范圍內為仰采，在切眼下頭安設排水量不小于70m3/h的潛水泵及安設一趟4寸排水管路，潛水泵隨著工作面外推。另外2處巷道低洼處，安設BQ30-100/22kW排水泵，與4寸排水管路連接（排水能力不小于50m3/h），并安設備用泵。

（4）采區水倉水位持續保持在最低水位線，防止工作面突水時排水不及時。

4 工作面開采水害威脅程度評價

通過對該工作面進行物探探查、鉆探驗證，并收集該工作面周邊附近原施工的13個水文鉆孔揭露情況的資料進行分析：

（1）工作面及周邊施工了17個鉆孔，從水量上分析3孔揭露徐灰無水，10孔揭露徐灰水量1m3/h以下且3孔經疏放后徐灰無水，只有4孔揭露徐灰超過10m3/h。有水的14個鉆孔從水壓上分析3孔為3MPa以下，11孔為3MPa以上，最高到達8.0MPa，大部分鉆孔通過疏水后水壓迅速降低。通過以上鉆孔可知，雖然該區域及周邊范圍內實際揭露的水文觀測鉆孔的水壓較高，但水量均較小，且疏水降壓后水壓迅速降低，鉆孔揭露徐灰水位不一，徐灰水位與埋深無關聯，且徐灰水易于疏干，說明徐灰只是局部地點存有裂隙水，補給水源差，雖然徐灰有出水的可能，但水量較小，不會對生產構成威脅。

（2）根據31515W工作面及周邊奧灰鉆孔的實際揭露，奧灰水壓雖然較高，但該區域及工作面范圍內奧灰富水性較弱，雖然有出水的可能，但水量較小，不會對生產構成威脅。

5 工作面防治水效果分析

（1）根據突水系數法分析，結合工作面水文鉆孔徐灰實際揭露情況，31515W工作面開采過程中，徐灰存在突水的可能性，因此要加強監測。

（2）31515W工作面奧灰根據計算存在突水的可能性，但根據工作面周邊奧灰孔揭露情況，該范圍內奧灰水壓較高，但富水性差，不會對生產構成威脅。

（3）在正常情況下，31515W工作面正常涌水量為 11.95m3/h，最大涌水量 19.92m3/h。

（4）目前工作面運輸巷局部不能自然疏水，安設排水量70 m3/h潛水泵后，具備底板突水時的抗災能力。

（5）工作面開采過程中，應加快推進進度，加強工作面的監測。