國強煤礦回風大巷涌水分析及治理研究

劉超林，李江華，樊少武，于廣龍

(1.中國礦業大學 (北京)資源與安全工程學院，北京100083;2.保利能源控股有限公司高家莊煤礦，山西中陽033400;3.煤炭科學研究總院，北京100013)

隨著煤礦開采深度、速度及規模的增加和擴大，礦井突水問題日益嚴重。礦井水害給企業造成重大經濟損失的同時，也給生產安全帶來了很大威脅，嚴重地影響工程進度［1－2］。因此，查清礦井水文地質條件、分析煤礦突水原因，采取合理有效的治理方案成為確保煤炭安全開采的關鍵。

1 井田概況

國強煤礦井田東西寬1.78km，南北長2.80km，批準開采4－1，9，11號煤層。

井田為簡單的單斜構造，局部發育有寬緩的向背斜。地層總體走向為北東，傾向南東，地層傾角2～10°。井田中各溝谷平時基本干枯無水，只有雨季才有洪水流向季節性河流馬關河。

4－1號煤頂板含水層有第四系沖積層孔隙含水層、二疊系上統上石盒子組砂巖裂隙含水層組、二疊系下統下石盒子組砂巖裂隙含水層組、二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層及石炭系上統太原組層間砂巖裂隙含水層;煤層底板僅有奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層。該礦現開采4－1號煤層，其直接充水含水層為山西組砂巖風化裂隙含水層，屬弱富水性。據該礦開采情況，礦井正常涌水量為230m3/d，4－1號煤層井下正常涌水量為86m3/d，最小為38m3/d，最大為146m3/d。

2 涌水巷道基本情況及涌水過程

2.1 巷道基本情況

回風大巷位于4－1號煤層當中，沿煤層底板布置，巷道標高+910m。回風大巷距運輸大巷中對中33m，掘進長度比運輸大巷超前72m。

回風大巷斷面形狀為矩形，凈高2.6m，凈寬4m，凈面積10.4m2。支護型式為錨梁網支護，錨桿型式為樹脂錨桿，直徑18mm，長2m，矩形排列，間排距均為0.9m。頂板布設5根錨桿，中部3根以垂直巷道頂板方向打入，外側2根以與垂直方向30°夾角打入巷道頂板;兩幫壁各布設3根錨桿，垂直側幫方向。每隔3m施工1根錨索，錨索長度6.3m。四煤回風大巷斷面特征示意見圖1。

圖1 四煤回風大巷斷面特征

2.2 涌水過程

2010年12月20日4－1煤回風大巷綜掘工作面涌水量增大，進行工作面超前鉆探26m(13根鉆桿)處疑似見空，鉆孔內水壓將探水鉆桿頂出鉆孔5m，出水噴射1.3m。通過取芯勘探，發現無煤區域，初步判斷為陷落柱構造。截止到2011年1月1日，工作面累計涌出水量5800m3，涌水量基本穩定在40m3/h左右。

1月6日、26日在回風大巷完成2次探放水，共布置探水鉆孔8個，均探到了水體界面，累計鉆孔長度220m。各鉆孔鉆進至水體界面時均發生頂鉆現象，且推力較大，孔內時而伴有煤爆聲，工作面涌水量在60m3/h左右。期間回風大巷累計排出水量約5.5×104m3，工作面出水量無明顯減小趨勢，推斷工作面前方積水量很大，且有水源補給的可能。

2月25日中班對8號探水鉆孔進行疏通，當鉆進至出水點時，孔內噴出泥巖大塊，伴隨巨大聲響，同時鉆孔突水，水量巨大。22點40分回風大巷被淹110m，經現場測定出水量在480m3/h左右，水壓約為1.3MPa。

3 水質化驗

處于不同水文地質條件中的地下水，其化學成分在構成與含量上都有差別。因而，分析、研究地下水的化學特征和分布規律有助于分析地下水的賦存、補給、徑流和排泄條件，對查明井下突水水源、進而預測并有效防治水害提供依據［3］。

為了查清涌水水源，國強煤礦于回風大巷涌水處采集水樣，檢測結果見表1。

表1 回風大巷水質分析

由表1可知，回風大巷的Ca2+，Mg2+的含量為14.5%，K+，Na+為85.4%，其中 Na+為84.7%，HCO3－含量為52.1%。通過比對膠帶大巷頂板水和第四系砂礫層水源井水的水質，并結合礦井水文地質充水含水層的賦存情況，判斷涌水水源為底板奧灰水。

4 瞬變電磁探測

參照回風大巷和運輸大巷探測成果與工作面涌水情況，根據礦方提供的地質資料，結合本次實測的巖層視電阻率分布特點，一般把巖層含水性與電阻率的對應關系分為5個級別:視電阻率小于2Ω·m為含水性非常強;視電阻率大于2Ω·m，小于7.5Ω·m為含水性較強;視電阻率大于7.5Ω·m，小于25Ω·m為含水性中等;視電阻率大于25Ω·m，小于50Ω·m為含水性弱;視電阻率大于50Ω·m為基本不含水。

視電阻率大于25Ω·m的巖層含水性弱或者基本不含水，巖層完整性較好;視電阻率小于25Ω·m的巖層含水性中等到強，或者巖層完整性差形成了導水裂隙。

圖2為+920m標高的水平切片圖。從圖中可以看到3處低阻異常。異常1推斷由巷道充水所致。異常2區域推斷為導水裂縫帶。異常3區域含水性較強，推斷為奧灰水經由異常2區域或其他通道進入此區域。異常2區域的范圍大致在橫向120～200m之間，縱向70～140m之間，范圍為80m×70m。

圖2 +920m標高水平切片

圖3是視電阻率值為25Ω·m的等值曲面及俯視圖。在圖上坐標所示范圍內，上下兩曲面之間的視電阻率值都大于25Ω·m;此范圍外的視電阻率值都小于25Ω·m。俯視圖中有2個明顯的低阻異常 (從圖中所看到的2個洞)。左側異常的范圍較小，推測由巷道積水所引起;右側的范圍較大，推測為構造形成的導水通道。

5 涌水治理方案

根據回風巷道鉆探及鉆孔噴出物情況，再通過對涌水的水質分析化驗及瞬變電磁法探測的綜合分析，掘進工作面遇到了陷落柱地質構造，該構造導通了下伏奧灰含水層。結合目前巷道涌水、排水情況，制定了以下2種巷道涌水注漿治理方案［4］。

5.1 追水注漿治理

圖3 視電阻率值為25Ω·m等值曲面及俯視

增加排水能力，追水至涌水工作面［5］，在離涌水工作面2～3m位置，砌筑防水閘墻，并安裝孔口閥門，為后續注漿施工做好準備。以新砌防水閘墻為基礎，向涌水的地質構造打鉆，并向出水的地質構造含水體注漿。施工示意圖見圖4。

圖4 追水注漿治理施工

該方法在含水體附近施工，治理用時短;可采用能夠精確控制膠凝時間的水泥－水玻璃雙液漿或化學漿液，節省漿液用量。但巷道內注漿施工時，鉆孔布置和注漿壓力受到一定程度的限制，且在涌水點附近，承壓較高，施工質量要求較高。

5.2 地面鉆孔注漿治理

在回風上山和回風巷內砌筑防水閘墻，變動水為靜水。在離出水點10～30m位置，通過地面打孔，打穿回風大巷，下入套管，先向巷道內投入砂子埋住掘進機，再下入骨料或灌注混凝土，最后采用漿液將剩余空隙充填完整，切斷涌水，在地面對地質構造含水體鉆孔注漿［6］，達到堵水目的。

該方法在地面施工不受空間限制，機械設備能力能夠保證。鉆孔可根據實際情況布置，注漿壓力大，漿液擴散加固范圍大，能夠有效充填含水體。但是由于地面標高約為1219m，巷道標高約910m，每個鉆孔深約360m，施工需下入套管等多重工序，孔數多，工程量大，工期長，占用地面面積大，故施工成本高，地面鉆孔注漿治理方案示意見圖5。

圖5 地面鉆孔注漿治理方案

6 結論

通過工作面鉆探、出水水質化驗及瞬變電磁探測等手段的判定，綜合分析認為回風大巷出水是由于陷落柱構造導通下部奧灰水導致的巷道涌水。根據目前涌水量并結合礦井排水能力，提出追水注漿治理和地面打孔注漿治理2種涌水治理方案。

(1)當巷道追水情況理想時，追水注漿治理方案相比地面鉆孔注漿治理方案的施工治理周期短，可優先選用此方案。

(2)當巷道追水情況不理想時，合理優化地面鉆孔注漿治理方案的施工工期、施工成本以及施工效果等方面后，可采用地面鉆孔注漿治理方案。

［1］崔祥琨，郭盛彬，宋 旭.淺談礦井突水原因及其防治 ［J］.科技資訊，2009(17):134.

［2］國家煤礦安全監察局.中國煤礦水害防治技術 ［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2011.

［3］佟鳳健，郭愛民，孟新華，等.用水化學分析法判別井下突水水源［J］.煤礦開采，1999(4).

［4］張國中.礦井水災防治中探水與透水事故處理的幾個問題［J］.煤炭技術，2002，21(8):35－36.

［5］張周權，汪善好.高溫斜巷追水技術的實踐［J］.能源技術與管理，2005(6):29－31.

［6］王 強.常德青峰煤礦地面鉆孔注漿堵水實踐［J］.探礦工程，2011，38(10):63－65.