楊村煤礦16 上煤帶壓開采水害防治技術研究

馬海濤，張振國，劉 亞，張 民

（兗州煤業股份有限公司楊村煤礦，山東 濟寧272118）

0 引 言

底板突水是我國煤礦開采水害事故的主要類型，并且這類突水往往造成重大的災害性損失，防治底板突水對煤礦安全生產具有重要意義。

楊村煤礦10602 工作面回采面臨底部的十四灰巖水，特別是采動影響下可能通過構造導通深部的奧陶系灰巖含水層，在構造或隔水層薄弱位置仍存在潛在的奧灰突水威脅，符合帶壓開采條件，屬于帶壓開采。為此，通過對工作面地質、水文地質條件分析，對工作面開采突水危險程度進行評價，進而提出科學、合理和有效的防治水措施，指導工作面水害防治，保障礦井安全生產。

1 工作面概況

10602 工作面走向長1256m，傾向長127m，面積162813m2。工作面標高-306.9～-371.5m，平均-339.2m，煤層平均厚1.28m，煤層傾角5～15°，平均9°。

2 工作面水文地質條件分析

2.1 含水層特征

10602 工作面直接充水含水層為十下灰含水層，間接充水含水層為十四灰含水層和奧灰含水層。

十下灰含水層厚度5.41～5.65m，水質類型為HCO3-Na.Ca 型，富水性弱，補給條件較差，以靜儲量為主，受礦井長期疏水影響，水位已大幅度下降；十四灰含水層厚度6.08 ～7.38m，水質類型為HCO3SO4-Ca 型，富水性弱，徑流補給差；奧灰含水層厚度450～750m，水質類型以SO4.HCO3-Ca.Mg 型為主，由多層厚層狀石灰巖組成，距離頂界面50m 以下的半晶質石灰巖中, 發育較多的小溶洞及半閉合狀裂隙，含水較強，屬裂隙溶洞承壓水，采區內奧灰上部50m 段富水性極弱，通常視為隔水層。

2.2 隔水層特征

16 上煤至第四系隔水層間距為207.03 ～214.81m，以鋁質泥巖、粉砂巖為主，對第四系底部含水層水下泄起良好的隔水作用；16 上煤層至十四灰隔水層厚度為32.54m～42.22m，巖性以鋁質泥巖及粉砂巖為主，對16 上煤層的開采起良好的隔水作用；十四灰至奧灰隔水層厚度為10.38m～12.19 m，以鐵質泥巖和鋁土巖為主，正常地段可以有效地阻隔奧灰與十四灰間的水力聯系。

2.3 充水通道分析

1）采動頂底板破壞帶。根據楊村煤礦與中國礦業大學合作的《楊村煤礦四采區16 上煤采動底板變形破壞與阻水能力研究》項目，可知16 上煤開采底板破壞深度不超過10m[1]。根據《“三下”開采規范》導水裂縫帶高度計算公式計算16 上煤頂板導水裂縫帶高度為27.5m，正常開采產生的導水裂隙帶高度不會波及到松散層底部含水層。

由此可見，正常情況下16 上煤頂板以上27.5m和底板以下10m 范圍內的含水層將會對工作面開采進行直接充水。

2）其他情況。通過資料分析，工作面周圍無封閉不良鉆孔和采空區；斷層經實際揭露，均不富水、不導水。

2.4 涌水量預計

10602 工作面直接充水含水層為十下灰，間接充水含水層為十四灰、奧灰。工作面回采過程中奧灰水不具備突水條件，十下灰水已疏干，工作面預計涌水主要為十四灰涌水組成。

采用大井法計算工作面十四灰突水涌水量，用裘布依承壓井流公式計算最大涌水量為41.96m3/h；根據計算結果及結合工作面實際涌水情況，預計工作面正常涌水量為10.0m3/h，最大涌水量為80.0m3/h。

3 開采突水危險程度評價

10602 工作面16 上煤底板至十四灰頂界面間距32.54m～42.22m，至奧灰頂界面間距54.81～63.3 m，采用突水系數法進行十四灰和奧灰這兩個含水層的突水危險性評價。

3.1 十四灰水害分析

10602 工作面附近穿過十四灰鉆孔3 個，為L14-11、Y-8、Y-7 鉆孔，鉆孔突水系數計算結果見表1。

表1 10602 工作面十四灰突水系數表

經內插計算，十四灰突水系數為0.014 ～0.016MPa/m, 符合《煤礦防治水細則》中底板受構造破壞的地段突水系統一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m 的要求。

3.2 奧灰水害分析

10602 工作面附近施工至奧灰鉆孔有3 個，為L14-11、Y-8、井下O-3 鉆孔，鉆孔突水系數計算結果見表2。

經內插計算，奧灰突水系數為0.0617 ～0.0689MPa/m。根據中國礦業大學與楊村煤礦在附近10605 工作面開展的《弱滲斷層裂隙帶阻滲性及其滲透破壞臨界條件研究》成果可知，斷層破碎帶原始狀態具有很強的阻滲能力，即便導通狀態的滲透阻力也大都超過0.1MPa/m，在考慮斷層破碎帶結構影響效應基礎上將斷層破碎帶安全帶壓狀態的阻滲能力考慮為0.08MPa/m[2]。另根據兗州礦區奧灰鉆孔揭露的情況，區內奧灰頂部風化殼可作為相對隔水層考慮，可有效減緩奧灰水對構造破碎帶的高壓滲流破壞作用，是下組煤底板帶壓開采的有利條件因素。在此基礎上10605 工作面已實現安全回采，回采過程中揭露3 條斷層（落差0.5～1.4m），工作面底板無涌水現象。

綜上考慮，10602 工作面回采過程中奧灰不會發生突水，可實現安全回采。

表2 10602 工作面奧灰突水系數表

4 水害防治技術與措施

4.1 十四灰含水層探放水

工作面回采前在10602 運輸巷累計施工4 個十四灰放水孔，1-4 號孔水量分別為12m3/h、1m3/h、8m3/h、7m3/h， 水 壓 分 別 為 1.44MPa、1.45MPa、0.8MPa、1.4MPa。對10602-2#.3#.4# 放水孔取水樣分析，水質類型為HCO3SO4-Na 型。目前4 個放水孔均已封閉，4 孔累計疏放十四灰水量22.438 萬m3;有效降低了底板十四灰水害威脅。

工作面回采至十四灰放水孔前30m 時，對放水孔進行全段注漿封堵。封堵采用泥漿泵，用水泥漿、水玻璃混合液進行封堵，注漿壓力達到5MPa，穩定30min 后停止注漿，確保不漏水、不滲水。

4.2 水文物探與鉆探

1）坑透探測。利用無線電磁波透視成像技術查清工作面是否存在地質異常體和工作面內斷層的延伸方向及尖滅點位置及面內斷層的組合情況。通過本次CT 探測工作，結合掘進階段10602 工作面內揭露的斷點情況，共組合解釋斷層12 條，經實際揭露證實，均不富水、不導水。

2）瞬變電磁探測。采用瞬變電磁技術探明工作面底板含水層富水性，對探測區域地層、斷層異常區的電性特征進行總體控制，重點對底板十四灰含水層、奧灰含水層等富水異常區巖層的電性特征、參數進行查明，總結本礦井不同條件下電性特征規律。探測結果表明，十四灰含水層所在層位（垂直底板下方40m）存在1 個低阻異常區A，異常區面積最大為42500m2，視電阻率最小值相對較低，推測為相對較強富水異常區。

3）鉆探驗證。物探前10602 運輸巷施工的4 個十四灰疏放水孔均在物探圈定的十四灰含水層富水異常區A 位置（具體見圖1），且1-4 號孔水量分別 為 12m3/h、1m3/h、8m3/h、7m3/h， 水 壓 分 別 為1.44MPa、1.45MPa、0.8MPa、1.4MPa，對物探結果進行了驗證。

圖1 十四灰疏放水孔位置與物探成果對比圖

4.3 建立健全工作面排水系統

現場排水能力按最大涌水量1.5 倍配備，滿足120 m3/h。10602 運輸巷為主要排水點，選取BQW60-100-37 型水泵2 臺使用，1 臺備用，安裝2路 Φ108mm 排 水 管；10602 軌 道 巷 選 取BQW60-100-37 型水泵1 臺使用，1 臺備用，安裝1路Φ108mm 排水管。工作面水泵實行雙回路供電。

4.4 建立地下水位自動監測系統

10602 工作面附近有O-6（奧灰）、L14-9（十四灰） 地面水文觀測孔，其中O-6 孔距離工作面1400m，L14-9 距離工作面900m。工作面回采期間每天對奧灰、十四灰含水層水位進行動態觀測，發現水位變化異常時，要及時分析原因并采取措施。

4.5 加強過斷層管理

過斷層期間合理確定推采方向和角度，盡可能減輕或避免開采對斷層的擾動作用，在開采過程中密切監測斷層導水性變化，以防斷層活化和滯后突水發生，必要時對斷層超前預注漿，技術人員及時進行現場指導，修訂過斷層安全技術措施并監督各項措施的落實情況。

4.6 加強工作面涌水監測

加強回采過程中涌水量監測，對于涌水量發生異常時及時進行水質化驗分析，掌握工作面出水地點的水質特征情況，以便確定突水水源和采取安全可行的防治措施。

加強工作面涌水量實時觀測，對出現的底板異常底鼓或產生裂隙、底板涌水等煤層底板突水征兆要引起高度重視，發現異常情況及時匯報，以便查明原因、及時處理，必要時采取停產撤人的緊急措施。

5 結 論

通過對工作面地質、水文地質條件進行分析，采用突水系數法科學的對工作面底板十四灰、奧灰含水層突水危險程度進行評價，進而采取水文物探與鉆探、疏放十四灰含水層水、健全工作面排水系統、建立地下水位自動監測系統、加強過斷層管理及涌水量監測等有效的防治水措施，實現了工作面安全回采。該面的底板水害防治經驗可進一步推廣到類似地質條件受承壓含水層影響的工作面中。