陳蠻莊煤礦3602 工作面突水分析及防治水措施

秦道霞 董緒峰 曹逸寧

（1.山東菏澤單縣能源有限公司，山東 菏澤 274300；2.山東科技大學資源學院，山東 泰安 271000）

近年來，礦井防治水專業技術人員通過多種技術方法對煤礦防治水做出巨大貢獻。其中，楊旭偉、付民強[1]基于物探手段對東灘礦63上04 工作面進行突水分析，并對該工作面提出了防治水的建議；李標、李年愛[2]對高壓含水層進行突水分析，并提出一種底板全方位立體注漿加固技術；李松營、吳強等[3]對工作面煤壁側底板突水分析，得出底板突水的原因以及危險開采區域。

本文針對陳蠻莊煤礦3602 工作面開采過程中出現突（涌）水量增加的情況，通過對工作面頂板煤柱留設、底板三灰含水層富水性及工作面突水源的分析，并依據當前的突水情況提出相應的防治水措施。

1 工作面概述

受DF18、DF19 斷層影響，原3602 工作面共劃分為3 個塊段（如圖1）。

圖1 3602 工作面平面圖

由于Ⅱ塊段、Ⅲ塊段構造復雜，三灰厚度增大，斷層附近局部突水系數超規定及水害威脅較大等情況，暫不開采，只對3602 工作面Ⅰ塊段進行開采。其中I 塊段煤層為山西組3 煤層，煤層厚度平均3.2 m，煤層傾角平均25°，開采中出現了小型突水。為保障工作面的安全開采，需查明突水增大的原因。

2 工作面水量變化情況及水源分析

2.1 工作面水量變化情況及原因

工作面回采初期涌水量為10～12 m3/h，主要為上部頂板淋水及生產用水。在開采的過程中出現了兩次涌水量增加的情況，較回采初期涌水量增加18 m3/h，目前3602 工作面涌水量30 m3/h，但小于工作面預計正常涌水量39 m3/h，屬于正常涌水量安全可采范圍。

在工作面開采的過程中涌水量出現了兩次增加。

第一次水量增加的原因是3800 采區運輸系統改造，3602 工作面停采，由于停采時間較長，工作面40#～60#支架后部水經架間流入面前。經檢測面前的水量在10～12 m3/h，實測水溫28.5 ℃，后部采空區水量5 m3/h，總計涌水量16 m3/h。

第二次涌水量增加是因春節期間工作面需要停采，但春節過后又因3602 工作面與3804 軌道時空關系不滿足防沖要求主動停止3602 工作面的開采。由于長時間的停采，經檢測人員檢測發現工作面84#～87#、91#、92#架前底板煤巖層交界面出現多個滲水點，水量增大10 m3/h，水量穩定在30 m3/h，水溫31 ℃。

綜合分析，工作面兩次水量增加的原因都是因為工作面的停采，導致底板的破壞深度在停采位置附近不斷增大，形成底板裂隙，導致底板水的滲出。

2.2 涌水水源分析

先對涌水的水溫進行了測量，溫度最高為32℃，礦井檢測奧灰水溫為47 ℃，該工作面底板三灰水溫正常在35～37 ℃左右，頂、底板水溫一般在28～33 ℃，水溫與底板砂巖水、三灰水均接近。

然后，通過取水樣進行化驗，與原有的奧灰含水層水、底板三灰水及砂巖水水質參數（如表1）進行對比分析。根據SO42-離子含量，可以排除松散層底部水源；對比奧灰水源主要離子含量及pH值，可以排除奧灰出水；對比工作面砂巖水、三灰水樣離子含量及pH 值，基本一致。通過對水質化驗進行分析，結合現場實際出水形式，最終確定水源為底板砂巖水與三灰混合水。

表1 水質化驗主要離子參數對比表

依據礦井西翼軌道上方工作面回采對底板破壞現狀及理論計算，預計3602 工作面底板最大破壞深度27.8 m。3602 工作面回采期間兩次因停采水量增加，主要原因是由于礦山壓力影響，結合底板破壞深度變化規律分析，回采工作面停采后底板破壞深度在停采位置附近不斷增大，形成底板裂隙，導致底板砂巖水及三灰水滲出。

綜合對水溫的測量、出水形式以及水質化驗的分析，可以確定突水水源是來自底板的砂巖水與三灰混合水。

3 3602 工作面突水分析

3.1 DF19 斷層活化導通奧灰可能性分析

為分析斷層是否對工作面出水產生影響，用兩條勘測線對工作面的斷層進行勘探，分別為Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ勘探線。Ⅰ-Ⅰ勘探線位于原3602 工作面Ⅱ塊段，距Ⅰ塊段3602 工作面切眼110 m。結合地震波分析，斷層在該位置延展至煤層底板以下39 m后地層穩定，不再受斷層影響。Ⅱ-Ⅱ勘探線為斷層向下延展深度最大處，距離Ⅰ塊段3602 工作面切眼490 m。結合地震波分析，斷層在該位置延展至煤層底板以下86 m后地層穩定，不再受斷層影響。

依據3602 工作面內地面鉆孔及井下鉆探資料，3 煤層底板下距三灰含水層頂板最小層間距64 m，距離奧灰含水層間距為232 m。DF19 斷層向下最大延伸至煤層底板以下86 m，距奧灰隔水層厚度為146 m，無活化導通奧灰含水層風險。

DF19 斷層在向切眼方向延展過程中斷層破壞深度逐漸變小，3602 工作面切眼以里110 m 位置，斷層延展深度約39 m，距離三灰含水層25 m。3602 工作面回采前在工作面切眼下部對斷層兩盤三灰含水層施工2 孔，均無水，表明DF19 斷層在附近三灰裂隙不發育，無斷層活化風險。

綜上分析，DF19 斷層發育情況較差，不存在活化導通奧灰水以及三灰水的可能性。

3.2 3602 工作面Ⅰ塊段含水層水壓分析

依據3602 工作面（Ⅰ塊段）內地面鉆孔三灰抽水試驗資料，該塊段鉆孔的單位涌水量為0.000 2 L/s·m，說明3602 工作面Ⅰ塊段底板三灰含水層屬于弱富水性[4]。3602 工作面Ⅰ塊段底板下距三灰頂板層間距平均為75.2 m，三灰層厚度為6.0～14.3 m，平均厚度9.4 m，工作面底板三灰孔最大終孔水壓5.2 MPa，僅有1 孔單孔涌水量15.0 m3/h，其他鉆孔涌水量均在6 m3/h 以下，說明工作面底板三灰水總體富水性弱，詳見表2。

表2 工作面底板探查孔參數統計表

故為保障工作面I 塊段安全開采，需將I 塊段各區域的水壓、水量控制在安全范圍內。為直觀地對各點疏水降壓后突水危險性進行評價，引入突水系數進行綜合分析。

在工作面進行疏水降壓[5]后，I 塊段三灰水位降深320 m。通過對比工作面Ⅰ塊段底板三灰原始水壓（如圖2）可知，疏水降壓后工作面Ⅰ塊段底板三灰水壓明顯減小，突水系數也均在0.06 以下，說明工作面底板三灰富水性弱，整體裂隙不發育，可疏放性強。在沒有大型構造的情況不具備出大水的條件，不會因不可控因素造成出水事故[6]。

圖2 工作面底板三灰疏水降壓前后水壓等值線圖

3.3 3602 工作面Ⅱ、Ⅲ塊段富水性分析

依據井下鉆孔探查資料分析，3602 工作面底板三灰含水層厚度自I 塊段向里逐漸增加，但煤層底板距離三灰含水層隔水層厚度減少，同時Ⅱ塊段、Ⅲ塊段受DF18、DF19 斷層影響，局部裂隙發育，為Ⅱ塊段、Ⅲ塊段三灰富水異常提供了基礎條件。

依據3602 工作面施工鉆孔單孔水量，富水異常鉆孔均位于DF19 斷層上盤區域的DF18 斷層附近。由于Ⅱ塊段DF18 斷層以里下部巷道未施工，不具備DF19 斷層下盤探查條件，依據下部3604 工作面回采前施工的2 個底板探查孔終孔均無水對比分析，DF19 斷層兩盤三灰在3602 軌道順槽2 號鉆場以里富水性差異較大；3602 工作面（I 塊段）切眼附近對DF19 斷層上下兩盤三灰含水層施工2 孔，均無水。

綜上分析，三灰含水層在Ⅱ塊段、Ⅲ塊段發育厚度增加，靠近三灰露頭，補給性增強。同時，受斷層構造影響，裂隙發育加大，導致區域局部富水異常。為保證3602 工作面的安全開采，不予對該塊段進行開采。

4 防治水措施及效果

4.1 防治水措施

1）留設防水煤柱

對開采工作面留設防水煤柱[7]，在礦井中的防水煤柱應在總體開采設計中確定，無論開采方式和巷道布設必須與各種煤柱的留設相適應。留設防水煤柱需要結合礦井的水文地質條件、煤層賦存條件等自然因素，也要與采煤方法、采面布設及支護方式等人為因素相適應。

為確保工作面安全開采，需對I 塊段區域近露頭煤層進行防水煤柱留設。3602 工作面Ⅰ塊段走向長320 m，共布置6 個風氧化帶探查鉆孔，其中2個鉆孔取芯控制（符合防治水細則500 m 范圍至少有2 個鉆孔控制要求），6 個鉆孔中有4 個鉆孔進入松散層底部。鉆孔揭露風氧化基巖內均無水且巖性以弱風化的黃色泥巖及雜色泥巖為主，具有良好的隔水效果。通過礦井已安全回采的東翼3100 采區3101 工作面、西翼3600 采區3601 工作面隔水層留設情況，風氧化基巖作為隔水層能夠實現安全回采。具體頂板探查孔情況見表3。

表3 3602 工作面（I 塊段）頂板風氧化帶探查孔統計表

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，3602 工作面水體采動等級屬于Ⅱ類型，需按防隔砂煤（巖）柱留設條件進行防隔水煤柱的留設。3602 工作面Ⅰ塊段上部煤層厚度實際揭露最大為3.2 m，按照經驗公式（1）計算需留設51.9 m 防隔水煤柱，按照實測導水裂隙帶高度需留設49.6 m。3602 工作面Ⅰ塊段實際探查基巖厚度67.7～85.4 m，平均72 m，頂板隔水層厚度大于防隔水煤柱要求。

綜合分析3602 工作面的頂板隔水層厚度大于防隔水煤柱要求，則無需再留設防隔水煤柱。

式中：L為煤柱留設寬度，m；K為安全系數；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，t/m2；Kp為煤的抗張強度，t/m2。

2）疏水降壓

工作面Ⅰ塊段煤層底板三灰水是當前主要的含水層，在回采前對底板三灰水采取疏放措施。依據3602 工作面（Ⅰ塊段）內地面鉆孔三灰抽水試驗資料可知，該塊段屬于弱富水區。參考安全開采水壓臨界值等值線可知，工作面I 段切眼附近需要疏水降壓到3.66 MPa 以下即可，尤其是工作面開采回采至初次來壓前，需要將周圍鉆孔水壓下降到3.7 MPa 左右。疏水鉆孔設置在3602 膠帶順槽中間地段以及3602 軌道順槽與3600 軌道上山交接地段，并在工作面Ⅰ段開采前對Ⅱ、Ⅲ段的探查孔進行封孔，防止探查孔成為突水通道。

3）排水系統

根據表2 可知，Ⅰ塊段煤層底板三灰水的最大突水系數為0.025 MPa/m，小于臨界突水系數值0.06 MPa/m，最大涌水量穩定在30 m3/h，則對Ⅰ塊煤層的開采影響較小。但必須完善排水系統，則兩巷需鋪設四寸排水管道各一趟，配備兩臺45 kW 以上的水泵備用，在工作面配備一臺45 kW 以上的泥砂泵以便排水。

4）井下水害探測

為防止在開采的過程中出現突水事故，開采過程中必須遵守有疑必探的原則。在回采之前對3602軌道順槽自DF19斷層向外進行瞬變電磁底板探測，對Ⅰ塊段回采區頂板以及3602 軌道露頭區域頂板進行三維直流電法探測，并根據探測結果劃分富水異常區，確保在回采中不會出現突水事故。針對3602 工作面Ⅰ塊段的探測異常區，根據有疑必探的原則，對每個異常區進行鉆孔查驗，以確保工作面的安全開采。

5）注漿加固

工作面Ⅰ塊段的含水層不具有突水危險性，正常情況下不會影響煤層的開采，則正常情況不用注漿改造底板隔水層。但是，由于DF19 斷層的存在，在開采的過程中可能會出現導通奧灰水的可能性，形成水害甚至是嚴重水害。防止的措施：① 采掘前分階段使用瞬變電磁探測方法，查清垂向導水構造的發育情況。② 采用“梅花式”注漿方法，注漿孔設置在巷道中間呈梅花狀布設，采用水泥-水玻璃雙液注漿材料，水灰比在0.8:1 到1.5:1 之間。適當加入化學注漿材料可以更好地封堵導水通道，加固改造隔水底板。③ 注漿完成之后再次使用瞬變電磁方法探測注漿部分，以確保注漿效果。

4.2 工作面防治水效果分析

在3602 工作面開采過程中發現了突水，及時提出了防治水措施進行治理。在治理期間采用了井下水害探測、完善排水系統以及留設防水煤柱等防治水方法，其中通過瞬變電磁以及三維直流電法探查出三處富水異常區，并在圖3 中圈出。

圖3 物探異常區圈定成果圖

通過鉆探進行驗證，分別在異常區1 打鉆孔D10，在異常區2 打鉆孔JYD-6、JYD-3，在異常區3 打鉆孔觀1，并對三處異常區進行疏放水。其鉆孔出水量詳見表2。工作面排水系統增添了兩臺水泵，礦井的排水能力提高了840 m3/h，確保礦井的正常排水，并留設了平均高度為72 m 的防水煤柱。對底板以及斷層附近進行注漿，總注漿量約15 t，注漿壓力為5 MPa。注漿之后該區域的底板起到了良好的加固作用，底板突水系數均小于0.06 MPa/m。3602 工作面Ⅰ塊段通過多種防治水措施治理后，其涌水量降至30 m3/h，在安全開采范圍內，充分表明該工作面實施的防治水措施效果比較顯著。

5 結論

1）通過水質化驗確定了突水水源來自底板砂巖水與三灰混合水。

2）3602 工作面Ⅰ塊段涌水量增加是由工作面停采期間礦山壓力對底板破壞深度進一步增加導致。

3）3602 工作面Ⅰ塊段在沒有大型構造的情況下，不會造成較大突水事故的發生，并根據當前的涌水量提出了防治水措施。