礦井奧灰水帶壓開采技術分析及防治水措施

何志遠，索濤濤

(中煤科工山西華泰礦業管理有限公司 河曲分公司，山西 忻州 036504)

隨著煤礦采掘活動進行，奧灰水已經給礦井帶來了嚴重危害，在奧灰帶壓區，應進行以掘進工作面鉆探為主的構造超前探測，特別是隱伏導水構造的探測。開拓掘進前，應使用鉆探、井下物探等手段探測煤層中是否有隱伏的導水陷落柱、導水斷層等，根據探測結果及時采取相應的防治水措施。應加強礦井地質、水文地質工作，配備專職或兼職的水文地質技術人員，在開采過程中認真貫徹《煤礦防治水細則》中堅持“預測預報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原則，采取探、防、堵、疏、排、截、監的綜合治理措施，嚴格按照《煤礦安全規程》進行生產，確保安全生產[1-3]。

1 井田水文地質條件

1.1 井田主要含水層

(1)奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。根據井田內施工的YZK-1水文鉆孔，孔徑為110 mm，抽水試驗結果表明奧灰溶裂隙含水層靜止水位標高為+831.881 m，涌水量為1.04 L/s，單位涌水量為0.128 L/(s·m)，滲透系數為0.011 m/d，水質類型為HCO3-Ca、Mg型，礦化度小于0.5 g/L，總硬度14.0，水溫18 ℃。

為獲得準確可靠的奧陶系巖溶水文地質資料，公司收集了與本井田南部相鄰的上榆泉煤礦和磁窯溝煤業有限公司水井資料。相關資料如下：①上榆泉煤礦白家焉水井。水井在揭露奧灰+147 m，即深440.3 m為上馬家溝組下段時，水井才開始有漏水現象，裂隙及溶洞開始發育，終孔450.66 m。出水量達1 440 m3/d，靜水位標高為+839 m。②磁窯溝煤業吃水井。取水層為奧陶系中統上馬家溝組地層，孔深505.84 m，揭露奧灰深度194.50 m，揭穿奧灰上馬家溝組厚度311.34 m，靜止水位埋深151.20 m，奧灰水位標高+856.10 m，進行了一次最大降深抽水，降深2.39 m，出水量為90.75 m3/h，單位涌水量為10.55 L/(s·m)，富水性極強。結合區域資料，由此推測井田內奧灰水位標高在+825～+865 m，奧灰水流向由東向西(圖1)。

圖1 井田奧灰水等水位線示意

(2)石炭系太原組層間灰巖裂隙巖溶含水層組。根據鉆孔揭露，井田內太原組的灰巖位于13號煤層以下，巖溶裂隙亦不發育，10號煤層以上含水層以中細粒砂巖為主，厚度6.88～19.72 m，全區平均厚度10.74 m。YZK-1水文鉆孔抽水試驗結果表明，太原組碎屑巖裂隙含水層靜止水位標高+840.641 m，涌水量0.32～0.67 L/s，單位涌水量0.014～0.019 L/(s·m)。滲透系數0.002 99～0.003 60 m/d，水質類型為HCO3、SO4-Ca、Mg型，礦化度1.38g/L，總硬度30～40，pH值為7.7，水溫14～26 ℃，屬弱富水性含水層。

(3)二疊系山西組砂巖裂隙含水層組。據井田南部相鄰的上榆泉煤礦SZK5-4水文孔抽水試驗資料，單位涌水量0.005 L/(s·m)，水位埋深79.28 m。

(4)二疊系下統下石盒子組砂巖裂隙含水層。該地層主要由砂巖、泥巖、砂質泥巖組成。井田內最大殘留厚度為126.40 m。井田北部磁窯溝煤礦補3號孔未對該含水層進行抽水試驗。涌水量0.374～0.610 L/s，單位涌水量0.000 9～0.187 0 L/(s·m)，滲透系數為0.0023～2.0160m/d，水位標高為+968.69～+972.69 m，礦化度0.35 g/L，總硬度11.16，pH值為6.8，水質類型為HCO3-Ca·Na型，富水性弱—中等。

(5)新生界松散巖類孔隙含水層。含水層由第四系中上更新統和第三系上新統組成，分布在全井田山頂，主要接受大氣降水入滲補給。

1.2 井田主要隔水層

井田主要隔水層：①二疊系下統下石盒子組泥巖隔水層；②13號煤層下部砂泥巖及本溪組泥巖隔水層。

1.3 礦井充水通道

井田開采煤層的充水通道主要為廢棄井筒、封閉不良的鉆孔、斷層、開采煤層的導水裂縫帶等。

(1)構造對礦井充水的影響。井田位于河東煤田的北部，井田構造形態總體呈向北西傾伏的緩傾斜單斜構造，地層傾角3°～10°，一般8°，礦井生產建設中10號煤層南翼大巷揭露8條正斷層，落差均小于5 m，斷層對煤礦開采影響較小。

(2)封閉不良的鉆孔。井田內有鉆孔8個，其中YZK-1號為水文孔，其余5個鉆孔為地質孔。鉆孔突水的特點是水量不大，但水壓高，來勢兇猛，造成的危害不可小視。在無法確定其是否有威脅時，應設置防水煤柱或進行超前探放。

(3)廢棄井筒。井筒也是井下各含水層水力聯系的通道之一。井田及周邊開采歷史較長，關閉報廢的井筒(包括老窯、小窯、生產礦井等)數量較多，地表水有可能通過未封堵或封堵不嚴的井口灌入井下。開采前應進行徹查，及時封堵井口并登記存檔，按規定留設保安煤柱，確保礦井安全生產。

(4)煤層采動后的導水裂縫帶。井田煤層傾角為3°～10°，各煤層基本頂為砂巖，上覆巖體主要為砂巖、泥巖、砂質泥巖，以中硬巖石為主。依據煤層頂板垮落帶、導水裂縫帶高度計算公式進行計算，10號煤層東部露頭附近，地表水會沿著導水裂縫帶進入井下，對煤層開采造成影響。

1.4 礦井水文地質類型

根據山西地寶能源有限公司編制的《山西華鹿陽坡泉煤礦有限公司礦井水文地質劃分報告》結果，確定10、11、13號煤層礦井水文地質類型為中等。

1.5 礦井涌水量狀況

據調查，該礦未發生過水害事故，尚未發現涌水突變情況，礦井水來源均為頂板水，形成原因主要是巷道和工作面回采后破壞了附近圍巖的完整性、溝通含水層造成的。井下出水點情況見表1。

表1 井下出水點位置、水量統計

該礦從2010年停產至今，未記錄礦井涌水量與掘開采煤量、降水量關系，但根據該礦以前開采經驗鄰礦開采經驗，得出礦井涌水量受產量和降水量影響明顯，其次還在一定程度上受開采面積和掘進量的影響。

2 奧灰含水層富水特征及隔水層分析

2.1 奧灰含水層富水特征

(1)奧灰含水層富水特征。奧陶系在井田內地表未有出露，巖性為灰色厚層狀灰巖及泥灰巖，裂隙、溶洞較發育。2006年5月，在井田內施工了YZK-1號水文孔，鉆進奧灰灰巖166.2 m。抽水試驗結果表明，奧灰溶裂隙含水層靜止水位標高為+831.881 m，涌水量為1.04 L/s，單位涌水量為0.128 L/(s·m)，滲透系數0.011 m/d，水質類型為HCO3-Ca、Mg型，礦化度小于0.5 g/L，總硬度14.0，水溫18 ℃。井田北部磁窯溝煤業水源井資料，孔深505.84 m，揭露奧灰深度194.50 m，揭穿奧灰上馬家溝組厚311.34 m，靜止水位埋深151.20 m，奧灰水位標高+856.10 m，進行了一次最大降深抽水，降深2.39 m，出水量90.75 m3/h，單位涌水量10.55 L/(s·m)，富水性極強，水質類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度小于0.5 g/L。根據上述水井及水文孔資料，推測井田內奧灰水位標高在+825～+865 m。

(2)奧灰水突水量估算。根據預測涌水量計算公式[4-6]，預測奧灰巖溶水突水量采用數據及預測結果見表2。

表2 奧灰巖溶水突水量計算

根據奧灰巖溶水突水量預測結果，采掘10號煤層1個橫截斷面半徑為2.05 m導水通道奧灰含水層的突水量為0.4 m3/h，1個橫截斷面半徑為2.83 m導水通道奧灰含水層的突水量為0.44 m3/h；采掘11號煤層1個橫截斷面半徑為2.05 m導水通道奧灰含水層的突水量為0.42 m3/h，1個橫截斷面半徑為2.83 m導水通道奧灰含水層的突水量為0.46 m3/h；采掘13號煤層1個橫截斷面半徑為2.05 m導水通道奧灰含水層的突水量為0.72 m3/h，1個橫截斷面半徑為2.83 m導水通道奧灰含水層的突水量為0.78 m3/h。

2.2 煤層底板隔水層特征

(1)巖性特征。10號煤層底板為泥巖時，抗壓強度為12.9～49.1 MPa；11號煤層底板為泥巖時，抗壓強度為98.7 MPa，13號煤層底板為泥巖、泥灰巖時，抗壓強度為36.9～81.5 MPa。

(2)隔水層厚度特征。井田內以往施工鉆中ZK51-1、YZK-2、YZK-3施工至峰峰組，YZK-1、HZK10-3終孔施工至上馬家溝組，ZK5、ZK6、HZK13-1施工至太原組。利用井田內ZK51-1、YZK-2、YZK-3、YZK-1、HZK10-3號鉆孔對各煤層底板隔水層厚度和奧灰頂面標高進行了統計，ZK5、ZK6、HZK13-1號鉆孔為推測值，統計結果詳見表3。

表3 10號、11號、13號煤層與奧灰頂面間隔水層厚度及奧灰頂面標高

2.3 構造導水性分析

井田總體為走向南北、向西傾伏的緩傾斜單斜構造，井田內斷層不發育，共發育有8條斷層。在今后生產中應適時補充物探和水文地質勘查工作，查明陷落柱及斷層的導水和富水條件，提供切實可行的防治水措施。

3 礦井奧灰水帶壓開采技術條件評價

3.1 煤層奧灰帶壓分區劃分

根據奧灰水能否進入采掘工作面發生突水、發生突水的危險性的大小，按《煤礦防治水細則》突水系數計算公式對開采區域進行計算分區[7-8]。井田10、11、13號煤層的奧灰帶壓開采分區情況如圖2—圖4所示。

圖2 10號煤層突水系數等值線及奧灰帶壓分區

圖3 11號煤層突水系數等值線及奧灰帶壓分區

圖4 13號煤層突水系數等值線及奧灰帶壓分區

3.2 掘進巷道奧灰帶壓評價

(1)公式的選取。根據《煤礦防治水細則》，掘進工作面底板安全隔水層厚度的計算公式：

(1)

式中，P為底板隔水層承受的水頭壓力；Kp為底板隔水層的平均抗拉強度；γ為底板隔水層的平均容重；L為巷道底板寬度；t為安全隔水層厚度。

(2)參數的選取。①L為巷道寬度，取設計巷道寬度4.4 m，松動圈為2 m，則L=6.4 m；②Kp為隔水巖柱巖體抗拉強度，根據井田南部上榆泉煤礦底板抗拉強度測試資料，10、11、13號煤層底板至奧灰頂界為軟弱—堅硬—軟弱—堅硬相間復合結構的巖層，巖體平均抗拉強度分別為1.98、0.49、0.23 MPa；③γ為隔水巖柱平均容重，取24 kN/m3；④煤層承受最大水壓：10、11、13號煤層最大水頭壓力分別為1.601 6、1.475 1、1.622 8 MPa。

(3)計算分析。將以上參數代入式(1)中，得到10、11、13號煤層的掘進工作面的安全隔水層厚度分別為3.83、7.15、10.69 m。

由10、11、13號煤層隔水層厚度等值線可知，10號煤層最小隔水層厚度為75 m，11號煤層最小隔水層厚度為67 m，13號煤層最小隔水層厚度為46 m，均大于公式計算出的10、11、13號煤層巷道掘進安全隔水層厚度。

3.3 回采工作面奧灰帶壓評價

3.3.1 突水系數法

根據《煤礦防治水細則》突水系數計算公式如下：

T=P/M，P=(H0-H1+M)×0.009 8

第二天，我早早起了床，來到舞蹈班見了老師，然后老師便把我帶進了教室。在那里，我看到了許多和我一樣大的孩子，她們體態優美，用友好的眼光望著我。老師開口講話了：“前幾天的學習內容非常簡單，我們先嘗試著練習一些基本動作，但后面的內容難度大一些，希望大家能夠堅持下去。”第三天，果然像老師說的那樣，又是壓腿，又是劈叉，身體柔韌度不太好的我，已經被折磨得痛不欲生。

(2)

式中，T為突水系數；P為底板隔水層承受的水頭壓力；M為底板隔水層厚度；H1為煤層底板最低標高；H0為奧灰巖溶水水位標高。

根據公式計算出10、11、13號煤層底板奧灰突水系數，其中井田西北角突水系數值最大，10、11、13號煤層最大突水系數值分別為0.014、0.015、0.027 MPa/m。井田內奧陶系灰巖巖溶裂隙水位標高為+825～+865 m，井田內10、11、13號煤層均為局部帶壓開采煤層，煤層突水系數均小于0.06 MPa/m。因此，工作面回采是相對安全的。

3.3.2 安全水頭壓力值計算法

安全水頭壓力值計算公式：P=TsM

(3)

式中，P為安全水頭壓力；M為底板隔水層厚度；Ts為臨界突水系數。

根據公式計算出10、11、13號煤層底板水頭壓力及安全水頭壓力，見表4。

由表4可知，井田內10號煤層底板隔水層承受的水頭壓力最大為1.493 8 MPa，小于安全水頭壓力6.51 MPa；11號煤層底板隔水層承受的水頭壓力最大為1.367 3 MPa，小于安全水頭壓力5.55 MPa；13號煤層底板隔水層承受的水頭壓力最大為1.505 0 MPa，小于安全水頭壓力3.29 MPa。因此，在正常塊段的水頭壓力小于安全水頭壓力的區域工作面回采是相對安全的，在構造破壞地段及水頭壓力大于安全水頭壓力的區域工作面回采是相對危險的，有可能發生突水。

4 防治水措施

4.1 導水構造防治水措施

構造破壞了巖層的完整性，常常成為含水層間的水力通道。構造的某一區段是否導水、導水性強弱、是沿破碎帶上下連通還是僅水平接觸導水，取決于斷層的力學性質、斷層帶的成分結構、斷層的后期改造、斷層兩側巖層對接關系、含水層的水壓以及采礦活動引起的圍巖壓力對斷層的重新破壞作用。因此，在掌握構造的導水性之前，應該把斷層作為導水斷層對待，把陷落柱作為導水陷落柱對待。所以，在巷道掘進前應根據巷道的布置情況，對可能揭露的構造進行分析、評價，分析其對巷道掘進的威脅程度，按照《煤礦防治水細則》的有關規定執行，留設防隔水煤巖柱[9-12]。

當巷道掘進至構造附近時，首先采用物探超前探測技術對該構造進行探測，初步確定構造位置，再采用鉆探進行驗證，精確探查其水文地質性質。此后根據探查結果，依據相關規程的要求留設合理的防水煤(巖)柱或采取其他防治水措施。

4.2 巷道掘進防治水措施

(1)在工作面巷道和大巷等巖巷掘進過程中，要嚴格按照“有掘必探、先探后掘”的原則進行掘進面超前探查，對巷道掘進面前方的導水陷落柱、斷層、褶曲構造、封閉不良鉆孔等進行探測[13-15]。

(2)巷道掘進面超前物探推薦采用井下直流電法。利用井下直流電法對掘進面前方巷道頂底板及側幫進行探測。

(3)超前探測的有效距離為掘進面前方80 m。若經探測分析認為無異常，則應保留30 m的超前距繼續掘進；若探測認為有異常，要及時分析產生異常的原因，判別異常可能對應的地質構造形式，并超前打探水孔確定地質構造的含、導水性及其危害程度。

(4)探放水鉆進時，發現煤巖松軟、片幫、來壓或鉆孔中水壓、水量突然增大，頂鉆等異常時，必須停止鉆進，但不得拔出鉆桿。要立即向礦調度室報告，并派人監測水情，如果發現情況危急，必須立即撤出所有受水威脅地區的人員。

(5)對利用物探手段確定的導水構造、導水陷落柱和采空區等異常區，通過鉆探打探水孔進行探測和驗證。探水孔必須安裝與探水段水壓相適應的孔口控水裝置。若探放水量較大(大于10 m3/h)，可利用該孔進行簡易放水試驗，并注漿封堵，然后再繼續掘進；若探放水量較小(小于10 m3/h)，可繼續掘進，并利用該孔作為水壓、水量監測孔；如果水壓水量逐漸增大，應停止掘進，立刻進行注漿，其效果經探查驗證合格后，再繼續掘進。

4.3 工作面防治水措施

(1)在工作面回采前6個月，建議利用音頻電透視儀或其他物探手段對工作面頂底板進行探測，確定頂底板巖層的構造及其富水性，圈定出可能發生的突水危險區。

(2)在工作面回采前，凡探測和分析認為存在富水區與工作面內部斷層、陷落柱，必須打鉆驗證。確認為是富水區(包括斷層、裂隙帶)后，為防止采動過程中破壞加劇，對鉆探水量大的鉆孔應盡快進行堵水處理。

(3)回采工作面中的突水點如不影響工作面回采，可只采取排水措施；如影響工作面回采，需針對突水點分析其原因和通道進行封堵，減少突水，保障安全回采。

4.4 底板注漿加固及改造

底板薄弱帶探查與局部注漿加固是奧灰水水害防治的重要內容，貫穿于煤層整個生產活動中，其目的是充分利用隔水層阻水能力實現奧灰水帶壓安全開采。探查工作須在生產各個環節實施，實施階段及方法如下。

(1)在采區開拓前，須開展地面物探或井下探查工作，確定斷層、陷落柱平面位置，對其富水性進行解釋，為井下富水異常區探查提供依據。

(2)在主要巷道開拓及工作面掘進時，堅持“有掘必探”原則，采用井下物探、鉆探相結合探查方法，尤其是在地面物探揭示存在富水異常構造帶附近采掘時，要給予高度重視。

(3)在工作面回采前，采用井下音頻透視方法，探查工作面內部及頂底板構造發育情況、富水異常帶分布情況，采用鉆探手段進行底板奧灰水文地質條件探查、疏放與底板破碎帶注漿治理。

5 結論

(1)根據井田內YZK-1號水文鉆孔資料及周邊煤礦水井資料，井田奧灰含水層富水性中等。推測該井田內奧灰水位標高為+825～+850 m，地下水流向西南。

(2)巷道掘進奧灰水帶壓評價：依據井田鉆孔資料，計算可知煤層開采隔水層厚度大于10、11、13號煤層巷道掘進安全隔水層厚度，在正常塊段工作面掘進過程中受到底板奧灰水的威脅小，是相對安全的；但在構造破壞地帶，因斷層、陷落柱等具有導水性，在承壓區內有可能發生突水。

(3)根據10、11、13號煤層奧灰帶壓分區圖可知，10、11、13號煤層在正常塊段工作面回采是相對安全的，在構造破壞地段工作面回采是相對危險的，有可能發生突水。

(4)在分析井田開采的水文地質條件的基礎上，依據該礦井奧灰突水帶壓評價，應做好常規水文監測，采用物探、鉆探、注漿等措施，加強導水構造和底板薄弱帶的探查與治理，建立強大的排水系統保障安全開采。