掘進工作面煤層底板K3砂巖水出水分析及治理

王占武，趙亞斌，李宏宏

(1. 山西焦煤集團 嵐縣正利煤業有限公司， 山西 嵐縣 035200； 2. 山西焦煤集團 投資有限公司， 山西 太原 030024)

山西焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司隸屬于山西焦煤集團投資有限公司，礦井位于山西省呂梁市嵐縣，為資源整合單獨保留礦井。井田面積9.26 km2，批準開采4-1#、4#、7#、9#煤，地質資源儲量21 361萬t，工業儲量14 287萬t，可采儲量7 291萬t，煤種為1/3焦煤和少量氣肥煤，開采標高+990～+350 m. 設計生產能力150萬t/a，服務年限36年。礦井為立井開拓方式，布置一個+590 m開采水平。礦井地質構造簡單，水文地質類型中等。

1 概 況

1.1 14-1106工作面概況

14-1106工作面地表位于葛鋪村正南方向，工作面對應地表為黃土梁峁地貌，無建筑物等設施，蓋山厚度451～571 m. 井下位于一采區，東為實煤，西為14-1107工作面采空區，一采區軌道上山南為礦界。工作面四鄰關系見圖1. 工作面設計走向長2 556 m，傾斜長200 m，煤層整體呈單斜構造，巖層走向大致近南北，傾向東，傾角6°左右，4-1#煤層厚度2.90～3.80 m，平均3.26 m.

圖1 14-1106工作面四鄰關系示意圖

1.2 14-1106工作面水文地質概況

1) 頂板含水層。

山西組巖性主要由4～5層灰白色中細粒砂巖組成，平均厚度15 m，彼此被隔水層隔開，巖性變化大。本組含水段主要為砂巖裂隙含水層，含水性微弱。據ZK2號孔上、下石盒子組、山西組含水層混合抽水試驗，單位涌水量0.066 1 L/s·m，轉換口徑后為0.046 L/s·m(口徑91 mm,落差10 m)，滲透系數為0.025 0 m/d，水位標高1 162.31～1 167.44 m，含水層富水性弱，水化學類型為HCO3-Ca·(K+Na) ·Mg，礦化度為218 mg/L. 從一采區各個工作面的實際揭露情況可知，該層位主要以滴水、淋水現象為主，一段時間后水量明顯減小，對生產一般不會產生影響。

2) 底板含水層。

a) 太原組巖溶裂隙含水層。

本組巖性主要由泥巖、砂巖、石灰巖及煤層組成，含水層主要為L1、L2、L3石灰巖及K3砂巖。井田內太原組地層總厚度98.78～127.60 m，K3砂巖厚0～19.23 m，平均13.40 m. L1多為泥灰巖，一般厚0.50 m左右，最厚達3 m. L2石灰巖較純，裂隙發育不均，厚2.06～6.80 m，平均為3.50 m，層位及厚度變化不大。L3為中厚層狀厚石灰巖，厚0.30～6.70 m，平均為4.20 m，裂隙發育不均，方解石脈穿插于裂隙之中。根據鉆孔抽水試驗得知，單位涌水量0.011 71 L/s·m，轉換口徑后為0.039 L/s·m(口徑91 mm,落差10 m)，水位標高1 104.85 m，含水層富水性弱，但局部富水性中等。

b) 奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層。

該礦奧灰水靜止水位標高為1 139 m，實際隔水層厚度150.9 m，14-1106工作面4-1#煤層底板標高715～793 m，低于奧灰水靜止水位標高424～346 m，屬帶壓開采。經計算，巷道底板突水系數為0.038～0.033 MPa/m，低于臨界突水系數值，屬于相對安全區；安全隔水層厚度6.8 m，小于實際隔水層厚度150.9 m.

2 工作面膠帶順槽鉆孔出水經過和機理分析

2.1 出水經過

2017年12月13日，該礦在14-1106工作面下順槽23#點前58 m處進行超前物探，直流電(圖2)和井下瞬變電磁結果(圖3)顯示前方存在低阻異常區域，對物探異常區進行鉆探驗證。2017年12月14日開始施工鉆孔，截止2018年1月5日累計施工鉆孔15個。其中，順層方向10個鉆孔、頂板方向2個(出水量均為1.5 m3/h左右、第二天疏干)、底板方向3個，總進尺1 017 m，疏放水量26 145 m3. 截止2018年1月15日15個鉆孔中有6個鉆孔出水，其中底板方向3個，順層方向3個，合計涌水量為40.5 m3/h. 出水鉆孔情況見表1.

圖2 23#點前58 m直流電法超前探測成果圖

圖3 23#點前58 m瞬變電法超前探測成果圖

表1 出水鉆孔情況表

2.2 出水機理分析

1) 確定充水水源。

主要采用水化學特征分析判別水源，在出水點取樣進行水質化驗分析，化驗結果見表2. 由表2可知，水質類型為HCO3-Na， Na+含量較高，占陽離子總含量的60%～70%；礦化度為491 mg/L，顯示砂巖水特征，通過與水質化驗數據庫比對，與太原組含水層水化學特征接近，初步分析判定直接充水水源為太原組含水層水。

表2 鉆孔出水水化學分析表

2) 確定充水通道。

為確定充水通道，利用礦用鉆孔測井分析儀對其中2個底板鉆孔進行了窺視(圖4). 根據圖4及掘進過程中收集的14-1106工作面膠帶順槽斷裂構造延伸情況綜合分析，基本確定充水水源為4#煤層底板砂巖含水層水，充水通道為裂隙，充水區域在平面上為迎頭前50～64 m(圖5中圈住部分)。

圖4 鉆孔窺視儀影像資料圖

圖5 鉆孔布置及出水區域范圍示意圖

3 治 理

3.1 疏 放

分析出水機理后，編制了《14-1106工作面膠帶順槽4#煤層底板至K3砂巖段水文地質探測疏放水鉆孔設計及安全技術措施》，在保證排水系統完善，并留足30 m超前距的前提下，在工作面適當位置施工鉆場，對出水區域底板進行進一步探測，并按照設計施工了3個4-1#煤層底板水疏放孔，分別編號為K1、K2、K3，鉆孔設計參數見表3. 終孔位置均為5#煤層底板(見圖6)，K1孔初期涌水量為59.3 m3/h，水壓0.9 MPa；K2孔初期涌水量為45.5 m3/h,水壓0.9 MPa；K3孔初期涌水量為48 m3/h,水壓0.9 MPa. 其中，K1鉆孔全孔取芯，層位層序基本穩定無塌陷錯亂現象。對鉆探成果和鉆孔窺視資料綜合分析,最終確定出水水源為位于4#煤層底板的K3砂巖裂隙水。經過疏放，7天后該工作面迎頭涌水量由40.5 m3/h減小到 10 m3/h，疏放效果明顯。

表3 鉆孔設計參數表

圖6 K1號鉆孔實際剖面圖

3.2 注 漿

編制了《14-1106工作面膠帶順槽4#煤層底板注漿改造設計及施工組織安全技術措施》，對14-1106工作面膠帶順槽底板富水區域進行了注漿改造，改造示意圖見圖7. 該次注漿改造工程共計施工5個注漿孔和1個驗證孔，總進尺211 m，消耗水泥漿液11.5 t. 通過改造加強了安全隔水層厚度的抗采(掘)動能力，同時封堵了4-1#煤層底板及以下導水裂隙帶，保證了礦井安全生產。

4 結 論

嵐縣正利煤業14-1106掘進工作面在“有掘必探”過程中，對鉆孔出水機理進行分析及對出水進行治理，杜絕了水害事故的發生，確保了工作面安全掘進，為帶壓開采的構造導水性探測及煤系地層含水層水的疏放方案提供了參考依據，同時也從側面印證了“有掘必探”在煤礦防治水工作中的重要性。