礦井水文地質特征及水害防治技術研究

高建峰

（霍州煤電集團有限責任公司河津杜家溝煤業有限公司，山西臨汾041000）

在煤礦生產中，礦井水害是制約我國煤礦安全生產的重要因素之一。由于含煤地層總體來說形成時間較晚、成巖的差異較大。由于地質條件的特殊性，在進行煤炭開采活動中出現了許多礦井水害問題，如突水突泥、突水水量大、采動覆巖破壞嚴重等[1-2]，因此，對礦井開采活動中的防治水，也應加速研究，以保障特殊水文地質條件下礦井的安全開采。本文以杜家溝礦為研究對象，對水文地質條件及水害治理做出一定的研究。

1 礦井概況及水文地質特征

杜家溝礦位于山西省河津市清澗鎮杜家溝村西北約3km處，井田面積約9.89km2，礦井南北長4.660km，東西寬4.500km，礦年設計生產能力0.60Mt/a。現主要開采山西組2#煤層，采用綜采一次采全高的采煤方法。礦井地質為侵蝕性黃土低山區。礦井的水屬黃河流域三川河水系東川河支流南岸匯水區，礦井煤層埋深較淺，且存在季節性洪水、礦井含水層涌水現象十分常見，涌水量和涌水水壓較大。為了保證礦山的生產安全，對該礦水文地質進行分析，并給出相應對水害防治的措施。礦區的地質構造為南西單斜構造，根據資料可知地層的傾角為3°~14°，平均約為5°。在井田范圍內的地表無基巖露出，地層均為第三系、第四系覆蓋，礦區的地層由老至新分別為奧陶系中統峰峰組，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組，第三系上新統、第四系中上更新統以及全新統。其中奧陶系中統峰峰組為含煤巖系之基底，石炭系上統太原組、二疊系下統山西組為井田內主要含煤地層[3]。

杜家溝礦的2-101工作面水文地質條件較為復雜，井田奧灰水位標高為+578.60~+582.20m，工作面煤層底板的標高為670m，低于奧灰靜止水位標高88~92m，屬帶壓開采，煤層底板最大突水系數為0.019MPa/m，當采區在沒有構造導水的情況下，工作面較為安全。考慮到工作面的構造較發育，隨意導致構造導水不能及時排除，易造成工作面出現水害?；夭汕耙褜ν瑢?-104工作面采空積水進行了探放，發現打通后采空區后均無水，所以2-104采空積水對工作面回采無影響；對同層2-101工作面采空積水進行了探放，發現動態補給水水量分別為3m3/h、6m3/h，水量對工作面回采幾乎無影響。同時根據資料可以看出工作面的頂板砂巖含水層儲水是工作面主要的充水因素，當工作面持續掘進時，此時由于工程擾動，造成工作面頂板出現裂隙，且裂隙的數量不斷增加，此時的頂板砂巖含水層的水會沿頂板裂隙和支護錨桿、錨索孔進入到工作面中，影響工作面的正常生產。在正常情況下，工作面的水量一般僅表現為滴水、淋水的現象。工作面正常涌水量為5~10m3/h，最大涌水量為

50m3/h。

當煤層完成開采后，此時巷道的上覆巖層出現破壞及運移，此時覆巖形式“上三帶”，分別為垮落帶、裂隙帶及彎曲帶。三帶中垮落帶的空隙較大，且垮落帶的空隙間連通性強，這就造成了工作面水害，所以對工作面進行防水是十分有必要的[4]。

2 防治技術研究

為了對覆巖的三帶進行研究，本文選定電阻率法來對覆巖的三帶進行研究。電阻率法測定三帶技術主要是利用不同的破壞帶具有顯著的電阻率差異，來觀測上覆巖層的破壞過程。一般來說在工作面巷道的縱向工作面的開采方向進行施工，在施工頂板位置進行垂直方向鉆孔，在觀測孔內設置電極后，隨著工作面的推進，觀測孔內觀測系統將會反映出采動前、中的電性參數，從而在一定程度上反映覆巖破壞帶發育的情況及規律。本文測試選用的設備為并行網絡電法儀，儀器最大的優勢在于可以實現任意電極供電，電性參數可以在任意極端進行測得。并行網絡電法儀如圖1所示。

圖1 并行網絡電法儀

在2-101工作面進行鉆孔，分別布置T1、T2鉆孔位于2-101下順槽處，T1鉆孔與2-101下順槽的夾角設定為10°，朝向工作面推進方向，鉆孔的仰角設定為35°，鉆孔的孔深67m，垂高為36m，平距為57.6m；T2鉆孔與2-101下順槽的夾角設定為10°，同樣朝向工作面推進方向，觀測鉆孔的仰角為39°，布置孔深74m，垂高和平距分別為45m、57m。完成觀測鉆孔施工后，經實際測量獲取實際的鉆孔參數，實際鉆孔參數與設計參數相差符合相應的規定，在兩鉆孔內分別布置電極系統，進行三帶的測定。

兩個觀測鉆孔可以實現全程的實時監測，可以有效地獲得工作面受采動影響前后頂板的特征，同時選定初始狀態以及頂板破壞后的電阻率剖面圖進行對比反映覆巖的變化情況。采動前的電阻率剖面圖如圖2所示。

圖2 采動前鉆孔電阻率剖面圖

圖2 所示為采動前電阻率剖面圖，從圖中可以看出電阻率結果圖像采用統一圖標，藍綠色表示較低電阻率值區，紅色表示較高電阻率值區?？梢钥闯霾蓜忧俺跏紶顟B下T1和T2鉆孔觀測到的電阻率剖面圖較為穩定，最大值均不超過200Ω·m，除極少范圍內出現較大的電阻率，大部分位置的電阻率保持在40Ω·m左右，與正常的砂巖及泥巖層電阻率相差不大[5]。

采動后的電阻率剖面圖如圖3所示。

圖3 所示分別為工作面回采過后T1、T2觀測孔測得的電阻率，可以看出此時的電阻率對比初始狀態有了一定幅度的提升，且升高的幅度較大，同時頂板的大面積范圍內的電阻率均增大。對T1鉆孔和T2鉆孔的電阻率分布特征的分析，得到兩鉆孔處間的覆巖垮落帶高度約為16m左右。通過電阻率數據可以得出導水裂隙帶發育的高度遠超預期，所以對工作面進行防水處理是十分有必要的[6-7]。

圖3 采動后鉆孔電阻率剖面圖

3 防治水的措施

礦井防治水的措施：

（1）回采過程中嚴格按照要求進行防治水施工。

（2）頂板灰巖裂隙水防治：工作面必須配備排水能力不小于最大涌水量兩倍的排水設施及管路，并有備用水泵，壓風、供水管預留接口作為備用排水管，并定期維護，確保其完好[8]。

（3）采空區積水防治：回采前按照專門探放水設計對2-101工作面采空積水區進行了探放，采空積水已放完，對工作面的回采無影響，但對動態補給水施工隊組定期按排人員排放[9]。

（4）奧灰水防治：掘進中揭露的構造現不導水，但回采中受采動影響構造滯后導水不能排除，回采前必須對工作面進行坑透、瞬變電磁探測，異常區需進行鉆探驗證，確保安全后方可回采。回采過程中構造附近應加強觀測，如工作面發生底鼓、頂板來壓、裂隙增大、裂隙出現滲水、水質清澈、穩定、無臭味以及在遇構造時出現滲水、涌水等突水征兆，應立即撤退，并采取相應措施[10]。

4 結論

本文通過對杜家溝礦的水文地質進行研究，以2-101工作面為研究背景，通過原有資料配合電阻率法對覆巖的三帶進行研究，發現2-101工作面的導水帶發育較好，為避免水害的發生，給出了相應的防水措施，有效的保證了礦山的正常開采。