蘭花寶欣3103工作面頂板富水性及突水安全性評價分析

呂育強

(山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042405)

1 工程概況

山西蘭花寶欣煤礦3103工作面位于井田北翼，工作面開采3號煤層，煤層厚度1.5～1.9 m，平均厚度1.7 m，直接頂為泥巖，均厚3.29 m，基本頂為中細砂巖，均厚3.12 m，工作面傾斜長度150 m，走向可采長度710 m，采用綜合機械化開采方法，全部垮落法管理頂板。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3號煤層頂板主要存在兩個充水含水層，為山西組砂巖含水層和基巖風(fēng)化帶含水層，其中風(fēng)化帶含水層的水量較多，平均涌水量可達25 m3/h，現(xiàn)為有效掌握3103工作面頂板含水層的富水性和突水危險性，特進行含水層富水性分析和突水安全性評價。

2 頂板充水層富水性分析

根據(jù)眾多理論研究和工程實踐結(jié)果可知[1-3]，開采煤層的突水條件為垮落帶裂隙帶的高度發(fā)育到充水含水層底板標高以上，且觸及到的含水層富水性較強，導(dǎo)水通道的存在是導(dǎo)致礦井涌水的必要條件，因此需掌握工作面開采期間垮落裂隙帶的發(fā)育高度。基于鄰近工作面的開采經(jīng)驗可知，3103工作面回采后其覆巖垮落帶高度為25.4 m，導(dǎo)水裂隙帶的高度為94.7 m。在3103工作面回采期間，通過鉆孔觀測的方式進行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的修整，根據(jù)回采期間的觀測數(shù)據(jù)得出工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度如表1所示。

表1 3103工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)據(jù)

通過分析表1中的數(shù)據(jù)，能夠得出工作面各個區(qū)域?qū)严稁У陌l(fā)育高度如圖1所示。

圖1 工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度

基于工作面頂板含水層特征，根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，工作面存在著導(dǎo)水?dāng)鄬雍突鶐r風(fēng)化帶，故而在進行冒裂安全性分區(qū)時，基于相關(guān)規(guī)定在考慮保護層厚度的基礎(chǔ)上進行間接含水層冒裂安全性的分區(qū)，相對安全區(qū)為覆巖厚度-導(dǎo)水裂隙帶高度-保護層厚度的結(jié)果大于0的區(qū)域，危險區(qū)域為斷層分布區(qū)域及覆巖厚度-導(dǎo)水裂隙帶高度的結(jié)果小于0的區(qū)域，其余區(qū)域為過渡區(qū)域[4-6]。

為有效掌握3103工作面頂板含水層的富水性，現(xiàn)采用多元地學(xué)信息復(fù)合疊加技術(shù)，通過建立含水層厚度、巖芯取芯率、塑脆巖性比、斷層及沖洗液消耗量等地學(xué)信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)合目前使用的地理信息系統(tǒng)中的分析功能及層次分析法進行頂板含水層層富水性的分區(qū)分析，基于3103工作面的地質(zhì)條件，將頂板風(fēng)化帶含水層劃分為間接充水含水層，將頂板山西組砂巖含水層劃分為直接充水層，基于地學(xué)信息的疊加處理得出3103工作面直接和間接含水層富水性的分區(qū)情況如圖2所示，圖中根據(jù)頂板直接含水層和間接含水層的含水特征依據(jù)含水層的特征將含水層劃分為5個等級，分別為強富水區(qū)、較強富水區(qū)、中等富水區(qū)、較弱富水區(qū)和弱富水區(qū)。

圖2 工作面頂板含水層富水性分布

3 突水安全性評價

3.1 突水危險性劃分

基于上述分析得出的工作面頂板含水層富水性分布圖，通過將富水性分區(qū)圖與頂板充水含水層安全性分區(qū)圖相疊加能夠得出工作面頂板區(qū)域的綜合分區(qū)圖。該圖的劃分依據(jù)為：工作面開采垮落裂隙帶發(fā)育高度超過含水層底板標高的，且裂隙帶觸及到含水層富水性較強區(qū)域時，可在一定程度上引起工作面突水現(xiàn)象的出現(xiàn)[7-8]。在進行工作面開采煤層突水條件分析時，主要包括兩方面的內(nèi)容，分別為：①含水層冒裂安全性分區(qū)，即決定開采煤層導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通頂部充水水源的關(guān)鍵；②頂板突水水源富水性分區(qū)，頂板突水量的大小主要取決于頂板含水層充水水源富水性的綜合分區(qū)。

若導(dǎo)水裂隙帶與含水層導(dǎo)通區(qū)域為富水性較弱的區(qū)域，此時不會存在較大的突水，只有當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶貫通富水性較強的地段時，才會造成較大的突水隱患。現(xiàn)通過疊加富水性分區(qū)圖和頂板充水含水層安全性分區(qū)圖，進一步考慮構(gòu)造影響因子對煤層頂板含水層涌水條件進行評價，根據(jù)評價結(jié)果得出3103工作面直接充水含水層和間接充水含水層的綜合分區(qū)圖如圖3所示。

圖3 工作面頂板含水層充水條件綜合分區(qū)

分析圖3(a)可知，在3103工作面回采作業(yè)時，覆巖會逐漸垮落形成的導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)與直接充水含水層間相貫通，故而頂板直接含水層的綜合分區(qū)圖與直接含水層的富水性分區(qū)圖相一致，從圖中能夠看出在A6勘探線兩側(cè)500 m的范圍內(nèi)為危險區(qū)域，除去該區(qū)域和斷層區(qū)域外其余區(qū)域均為相對安全區(qū)，相對安全區(qū)域范圍內(nèi)頂板直接含水層的富水性較弱。

分析圖3(b)可知，在工作面突水危險區(qū)為工作面區(qū)域6號勘探線和7號勘探線西部，在工作面東半部除斷層破碎帶外，基本均處于相對安全區(qū)，這些區(qū)域在工作面開采后導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度并未與間接充水含水層間相導(dǎo)通，因而其屬于相對安全區(qū)。

綜合上述分析結(jié)果可知，在3103工作面中部由于受到地質(zhì)構(gòu)造、富水性等綜合因素的影響導(dǎo)致中部突水危險性高于南部，其中在工作面北部切眼處的突水可能性最低；針對工作面西側(cè)靠近風(fēng)化帶的位置其突水危險性明顯高度工作面東側(cè)區(qū)域，工作面回采期間需根據(jù)突水危險性區(qū)域劃分結(jié)果，在突水危險區(qū)域采取有效防治水措施，防止頂板突水現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 防治水建議

基于上述3103工作面含水層突水危險性的分析結(jié)果，針對工作面回采期間提出防治水措施如下：①工作面回采前及回采期間加強探放水的作業(yè)，尤其在工作面斷層構(gòu)造區(qū)域，應(yīng)堅持預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采的原則；②加強排水能力，確保工作水泵能歐在20 h內(nèi)排出礦井正常24 h的涌水量；③加強工作面區(qū)域內(nèi)的鉆孔管理，防止鉆孔出現(xiàn)突水現(xiàn)象；在探放斷裂構(gòu)造水時，探測鉆孔應(yīng)沿著掘進方向正前方和下方布置，并且保障工作面底板方向的鉆孔不少于2個；在煤層內(nèi)嚴禁探放水壓高于1 MPa的含水層和充水?dāng)鄬铀?/p>

4 結(jié) 語

根據(jù)3103工作面開采條件和地質(zhì)水文賦存條件，基于工作面山西組砂巖含水層和基巖風(fēng)化帶含水層的含水特征，基于導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度與含水層間關(guān)系，將工作面直接和間接含水層劃分為5個等級，通過分析頂板含水層充水條件綜合分區(qū)圖，得出直接含水層的突水危險區(qū)域為A6勘探線兩側(cè)500 m的范圍內(nèi)，間接含水層的突水危險區(qū)域為工作面區(qū)域6號勘探線和7號勘探線西部及斷層破碎帶區(qū)域，并給出防治水建議，為工作面安全生產(chǎn)提供一定的參考與借鑒。