郭莊煤礦涌水量預測分析及防治水措施研究

趙永波

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

在煤礦開采過程中，要對工作面的涌水量進行預測，并及時制定防治水方案。郭莊煤礦17號煤層在太原組的下部，與下部太原組底界平均距離16.44 m，上部與16號煤層平均距離16.26 m，根據礦區的水文地質條件，通過判斷充水水源，采用大井法[1]來計算礦區的涌水量，以制定防治水措施。

1 水文地質概況

郭莊煤礦17號煤層的平均厚度為0.65 m，煤層比較穩定。其中，直接頂的煤層厚度為0.11 m，煤層的平均抗拉強度為1.04 MPa，平均抗壓強度為21.39 MPa，工作面的瓦斯涌出量為7.41 t/min，正常涌水量為212.5 m3/h，最大涌水量為311 m3/h，工作面的排水能力為245 m3/h。

根據郭莊煤礦的實際水文地質概況，17號煤層在開采時，礦井的主要充水水源是奧陶系灰水，以靜態儲量為主。隨著對含水層的疏放，水量會不斷減少，鉆孔的富水性相對較弱，井田內賦存狀態不穩定，對開采幾乎沒有影響。17號煤層下奧陶系灰含水層的水頭比煤層底板高，底板的破壞深度為11.6 m，由于17號煤層處于帶壓開采狀態，開采過程中產生的裂隙不會與奧陶系灰含水層導通，但如果在構造比較發育的塊段，奧陶系灰水會通過構造與17號煤層導通，構成煤層開采的直接充水水源。

2 涌水量特征分析

2.1 往年涌水量預測

近幾年礦井涌水量的觀測資料[2]可以看出，正常的涌水量為52.7～237.6 m3/h，平均年正常涌水量小于200 m3/h，最大的涌水量為463.4 m3/h。隨著開采時采空區的面積不斷增加，礦區工作面內的涌水量也在不斷增加。

2.2 未來涌水量預測

由于井田內煤層的地質構造較簡單，主要充水水源是奧灰水，采用大井法來預測工作面內的涌水量。由于大井法是一種數學解析法，根據水文地質條件，采用地下水動力學分析方法對涌水量進行預測，將承壓水轉為無壓水，計算穩定流，公式為：

式中：Q為礦井涌水量，m3/h；K為滲透系數，m/d；M為含水層的厚度，m；H為水柱高度，m；h為疏干井的水位深度，一般取0；r0為引用半徑，m；R0為含水層的引用影響半徑，m。

郭莊煤礦17號煤層滲透系數為0.198 8 m/d；含水層厚度是一個平均值，是對頂板冒裂范圍內含水層砂巖累計厚度求平均后得到的，根據頂板砂巖等厚線圖，預測出含水層厚度平均值為15 m；水柱高度是指含水層原始水位到底板的深度，取原始水位為+354.61 m，計算出水柱高度為155.84 m；引用半徑與采區的總面積有關，計算出引用半徑為682 m；影響半徑與含水層的穩定流有關，根據經驗公式，計算出影響半徑為695 m，引用影響半徑是引用半徑與影響半徑的和，則引用影響半徑為1377 m。根據公式，計算出在-200 m水平處礦區的正常涌水量和豐水涌水量結果見表1。

表1 涌水量預測結果表

從表1可以看出，根據綜合分析，預測的涌水量結果準確，與實際開采情況相符。

3 防治水措施

3.1 帷幕注漿堵水方案

對工作面的主要進水補給方向進行帷幕注漿堵水[3]，注漿孔從巷道中心呈傘形布置，采用后退式分段注漿方式，注漿分段長度為30～40 m，單孔注漿擴散半徑為2 m，終孔間距為2～3 m，注漿壓力約是靜水壓力的2～3倍，采用水泥-水玻璃雙液注漿材料，水灰比為0.8:1～1.5:1，并加入適當的化學漿，形成一定的擋水墻，阻隔地下水進入井下的水源補給通道，可以有效地截斷地下水的側向補給源，堵水效果在70%以上，可以大量節約排水的費用。

3.2 排水系統設計

根據預測的礦井涌水量，在工作面的低洼處共安設1號、2號、3號、4號共4個水倉，在工作面運輸巷北側施工長403.2 m的泄水巷，并在泄水巷和運輸巷之間建立相互溝通的聯絡巷，在副井底車場處安設強排水泵房。具體的水倉布置示意圖如圖1。

圖1 工作面水倉布置示意圖

工作面水倉的具體布置為：1號水倉的容積為1100 m3，其余三個水倉的容積均為500 m3；在1號水倉中配有4臺潛水泵，其中兩臺使用兩臺備用，2號水倉中配有2臺潛水泵，其中一臺使用一臺備用；井田內有一個內水倉，水倉容積為3385 m3，有一個外水倉，水倉容積為4100 m3；在中央水泵房配有5臺水泵，其中兩臺使用兩臺備用，一臺檢修，水泵流量為485 m3/h，揚程為670 m；強排水系統中使用2臺潛水泵，并配套1600 kW的電機，潛水泵與對應管路同時進行工作，強排水系統的排水能力為1100 m3/h。

確保回風巷和運輸巷兩巷溝通順暢，及時對排水系統進行檢查，確保排水系統正常進行排水作業，加強對井下的監測，對可能出現的突水事故及時進行匯報。在回采時遇到突水征兆時，比如頂板片幫、底板鼓起、鉆孔噴水、掛紅變濕等現象[4]，立即停止排水作業，工作人員撤出井下，快速制定有效的解決辦法。在回風巷常備防水方木材料，有兩種規格，分別是1600 mm×200 mm×150 mm和2000 mm×200 mm×150 mm，各備50根，搪柴50捆，塑料編織袋200只，黃泥2車。

4 效果分析

對郭莊煤礦17號煤層進行帷幕注漿堵水，帷幕軸線長約300 m，按30 m的布孔間距，打注漿孔10個，鉆探進尺12 000 m，注漿量約24 000 m3。礦區的涌水量預測值見表2。

從表2可以看出，采用帷幕注漿堵水后，涌水量得到有效控制，大面積地面塌陷情況得以解決，保護井下地質環境。

表2 帷幕注漿堵水礦區涌水量預測值

5 結論

為了準確預測礦井內的涌水量，根據礦區工作面的實際水文地質條件以及往年涌水量情況：

（1）采用大井法對工作面的涌水量進行預測，預測出正常期礦區的涌水量為165.01 m3/h，豐水期礦區的涌水量為278.64 m3/h。

（2）根據預測結果，采用帷幕注漿堵水方案進行封堵，并設計排水系統，預測出正常期礦區的涌水量為100.31 m3/h，豐水期礦區的涌水量為241.14 m3/h，強排水系統的排水能力為1100 m3/h，能滿足工作面的正常排水需要，為井下安全開采提供了保障。