深部煤層開采防治水方案分析

薛一生

（晉能控股煤業集團地煤鑫泰建井公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤礦開采過程中受到地質災害的影響，對煤礦的安全造成嚴重的威脅，我國具有廣泛的厚煤層分布，在開采過程中，礦井受到地質壓力作用等多種因素的影響造成的礦井水害是厚煤層開采面臨的重要問題[1]。在我國厚煤層的開采中，水文地質條件較為復雜，礦井的充水因素具有不確定性，且厚煤層的頂底板面臨的承壓較大[2]，增加了突水發生的風險。厚煤層的防治水成為開采過程中必須解決的問題，針對我國某厚煤層開采的煤礦為例，對水文地質條件進行分析，制定相應的防治水方案[3]，保證煤礦的安全開采并為深部煤層的開采防治水提供參考，提高煤礦的安全性。

1 深部煤層開采水文地質條件分析

以我國北部地區的某深部開采的S 煤礦為例進行分析，礦井南北方向長度約為8 km，東西方向寬度約為2.5 km，采用長臂綜采的方式進行采煤[4]，含煤地層的平均厚度為195 m，煤層的平均厚度為15m，共含煤層為15～18 層，可采煤層的含煤系數為7.9%。

S 煤礦所處地區主要依靠大氣降水及局部的溝谷河床滲漏形成地下水的補給，地下水的徑流主要受到地層的構造及地形因素的影響[5]，局部范圍受水動力條件的制約，區域內的奧灰水整體的流向為自西向東流動。地下水的水位變化主要受到補給、徑流及排泄條件的影響，依據對礦區水位的觀察，礦區內的水位呈雨季上升趨勢旱季下降的趨勢，在降雨后的一天內水位即呈現上升變化[6]，最大水位一般滯后于降雨期20～30 d，礦區內徑流的年變化幅值一般為5～10 m。

S 煤礦屬于隱伏狀煤礦，共包含9 個含水層，在含水層之間分布有不同厚度的隔水層，各層之間的巖性及厚度均不相同，其中粉砂巖及泥巖的穩定性較高，具有較好的隔水性能，各隔水層之間的主要特征如圖1 所示[7]。在隔水層的作用下，各含水層之間在正常條件下沒有相互的水力聯系，在遇到落差較大的斷層或存在裂隙及陷落柱等垂直導水通道時，則會造成各含水層之間的水力聯系，奧灰成為主要的水源，容易引發煤礦的透水事故。

圖1 礦井隔水層組合示意

在礦井開采過程中，區內的小斷層發育，成為充水的主要通道，發生多次小斷層的突水，最大突水量為120 m3/h，在進行地質補勘中揭露封閉不良的鉆孔10 個，可能引發奧灰突水，不良鉆孔成為礦井的充水通道[8]，引發安全事故。由于礦井煤層的開采深度達，底板承受的壓力作用大，在礦壓及水壓的作用下，煤礦底板的破壞深度影響大，煤層底板的阻水能力低，容易引發底板的突水。對礦井的涌水量進行統計，在礦井開采中涌水量逐年增加，這說明工作面的掘進開采增加了礦井的涌水量，需對其進行一定的防治水方案，避免造成煤礦的水害事故。

2 深部煤礦開采防治水方案分析

在S 煤礦開采中由于開采深度較大，煤層底板的承壓高，且地下水的補給量大，存在著發生突水的危險，為降低風險，針對礦井的地質水文條件進行防治水分析，采取相應的措施保證煤礦的開采安全。

2.1 掘進階段防治水分析

為避免S 礦揭露導水結構造成的突水災害，在巷道掘進前應對掘進前方的導水結構進行準確的探查，采用物探及鉆探結合的方式[9]，對掘進巷道進行準確的探測，探測工作的主要操作流程如圖2 所示。

圖2 巷道掘進探測作業流程

在進行巷道掘進作業前，采用綜合物探的方式對前方的導水結構進行超前探測，對地質結構的異常體進行標記，在進行超前探時，可采用電磁法、音頻電穿透法等多種方式進行探測，并相互比對驗證，從而保證探測結果的準確性。

對于標記的異常區域進一步采用鉆探進行驗證，在一定的區域布置相應的鉆孔，探查孔的數量應不少于2 個，鉆孔的布置如圖3 所示[10]，鉆孔傾角在-10°～-20°，鉆孔之間的相互距離應大于30 cm。

圖3 鉆孔驗證布置示意圖

2.2 工作面回采前防治水分析

隨著工作面的開采，煤礦的頂底板承壓隨之發生變化，在工作面進行回采前，應采用直流電法、瞬變電磁法等綜合的物探手段，對工作面開采過程中隱伏的構造及底板的薄弱地帶進行探測，并對導水構造區及富水的異常區域進行鉆探探測。對于經過鉆探驗證的導水構造及富水異常區采用注漿的形式進行加固，依照煤礦的防治水規定進行加固操作，注漿完成后，必須進行檢驗，直至滿足加固的要求后[11]，才能進行進一步的煤礦工作面的回采作業。工作面回采前的防治水方案，如圖4 所示。

圖4 工作面回采前防治水方案示意

2.3 工作面回采過程防治水分析

回采過程中奧灰水對礦井的安全具有嚴重的威脅，在回采過程中，對監測層地下水的動態變化進行實時的監測及分析，在奧灰含水層及開采煤層之間選擇2 個監測層，對監測層布置相應的測孔水位，對水位的變化及水質、水文的變化進行實時的監測，從而可以實現對突水事故的提前預知，減少突水事故造成的危害。

進行監測層的選擇時要保證監測層的采區及工作面分不穩定，且與奧灰水的水質具有一定的差異性，從而便于快速的對水樣變化進行測定及分析；監測層要具有良好的滲透性，從而保證能夠及時的反映水位的變化，同時監測層應盡量的遠離煤層底板[12]，從而可以對水位的變化進行預報，增加工作面開采作業及時響應的時間。

3 結語

S 煤礦作為深部開采的煤礦，主要的水害威脅來自奧灰水，地下水的補給量大，且礦井的開采深度大，底板的承壓較大，對煤礦的防治水應主要以防為主。針對煤層的開采條件，煤礦開采掘進過程中存在著底板奧灰水突水的風險，針對巷道掘進前、工作面回采前及回采過程中，采用綜合物探、鉆探驗證及底板加固、監測層實時監測的形式對煤礦制定相應的防治水方案。在巷道掘進中采用綜合物探的形式標記異常區域，采用鉆孔探測的方式進行驗證，保證探測結果的準確性，在工作面回采前，采用綜合物探及鉆孔探測的方式對富水異常區進行探測，并采取相應的加固措施，進行回采過程中，對監測層的水質及水位變化進行實時的監測。通過綜合的防治水方案，對煤礦深部煤層的開采提供安全保障，減小水質災害發生的危險，保證煤礦的安全開采。