礦井隔水關鍵層機理與防治水技術探討

申巧君

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦地測科，山西霍州 031400）

0 概述

煤礦透水事故是煤礦生產中的五大事故類型之一，事故后果通常都非常嚴重。煤礦透水事故具有隱蔽性強、事先不易預測和不確定性高等特點。隨著煤礦開采深度加大，礦井防水壓力也會隨之增加。很多大型煤礦已經開采多年，工作面深度很大，深部煤層礦井的防治水問題因此變得非常嚴峻。煤礦礦井的防治水問題已經成為采煤行業中需要高度重視的問題，值得深入研究。我國在煤礦的防治水方面歷來遵循防治水相結合的策略。但不同煤礦可能所處的地質條件完全不同，因此煤礦的防治水策略的因地制宜就顯得非常重要。目前已經成功應用到煤礦防治水的方法有注漿技術、可控疏放技術、疏干降壓技術等。不論采用何種防治水技術，都是依賴于準確全面的礦區水文地質條件探測，根據具體地質條件來制定最合理的防治水策略。因此準確全面的地質條件勘測也成為煤礦防治水的基礎。本文結合礦區的具體地質條件，參考實踐中已經證明行之有效的煤礦防治水策略，以煤礦隔水關鍵層機理為基礎來探討煤礦的防治水問題。

1 煤礦防治水原理

1.1 煤礦水害機理分析

煤礦水害是在煤礦建設或者生產過程中進入礦井的非可控水源給生產建設所帶來的災害事件。從構成元素上看，形成煤礦水害的幾個關鍵因素是進入礦井的水量、充水途徑以及充水強度。這3類因素不同組合會形成不同的事故形式。

煤礦水害的水量來源主要有地表水、地質夾層內的地下水和礦區老空積水等類型。其中地質夾層內的斷層水、裂隙水和奧灰水是形成煤礦水害的主要水量來源。從機理上看，形成煤礦水害的主要條件是短時間內大量水填充坑道。就常見的奧陶系灰巖水害而言，常見的水害類型有正常底板型突水、溝通斷層型突水、裂隙型突水、溝通陷落柱型突水、封閉不良鉆孔導通型突水等。從形成機理上看，主要是由于奧陶系灰巖的富水特性，加上地質構造裂隙和高水壓。而在采礦過程中的采礦動壓影響，加上礦山壓力、地應力等環境因素，是誘發礦井突水的主要因素。通常情況下，奧陶系灰巖的突水災害都和礦區地質構造之間具有高度的相關性。形成突水災害的導水通道主要是斷裂構造帶、網絡裂隙、陷落柱等。其中斷裂構造帶富水性強，容易成為溝通奧灰水的主要通道，奧灰水沿著裂隙進入礦井后成為突水的潛在危險源。陷落柱在奧陶系灰巖中成為通道和突水口時比斷層的潛在危害大，但形成導水陷落柱的條件更為苛刻。采煤過程中的底板奧灰水突出是隔水層轉化為透水層的外在表現，在采動和裂隙共同影響下，礦壓和高壓奧灰水耦合作用的結果。發生突水前，高壓奧灰水沿裂隙（采動引起的原生裂隙擴展）導升，并與采動裂隙溝通形成貫通的導水通道。這種導水通道的產生通常較為緩慢且具有一定的滯后性。

1.2 煤礦隔水關鍵層原理分析

鑒于以上幾類容易造成煤礦水害的潛在危險，保水采煤就成為了煤礦生產中的迫切需求。經過研究和實踐，隔水關鍵層模型在煤礦保水采煤中具有實際作用。隔水關鍵層的基本原理可簡述如下：由于煤系地層具有明顯的分層特性，各層之間的承載力和抗滲流能力都存在差異。水源和礦井之間存在著若干隔離層，水最終需要穿透的那部分巖層或最終被阻隔住的巖層即為隔水關鍵層。水突破隔水關鍵層的主要途徑有兩個：一是地質構造中的天然通道，二是采動裂隙貫通。二者之一滿足條件都可能形成突水通道而造成突水事故。因此從隔水關鍵層的原理可知，保護隔水關鍵層的完整性，避免采動破壞、控制該層中不形成突水通道是避免突水事故的關鍵因素。

從地質勘測的角度上看，應用隔水關鍵層原理來避免突水事故的步驟應當是首先通過地質勘探確定隔水關鍵層的準確位置，在找到隔水關鍵層后，需要進一步判定其穩定性，這一步的工作往往是最困難的。當檢測到隔水關鍵層中存在滲流突變通道時，就需要采取必要的注漿、加固甚至改造的輔助措施來降低突水事件發生的可能性。由此可見，地質條件的準確勘測是煤礦防水治水的關鍵前提。在本文中將以某地煤礦的地質勘測和防水治水措施為例來進一步探討隔水關鍵層原理的實踐應用。

2 應用

2.1 礦井水文地質條件概況

本例中的煤礦位于山西境內，井田內廣為第四系黃土覆蓋，主要分布于中西部的山梁及溝谷地段，地層為二疊系下統下石盒子組(P1x)及上統上石盒子組地層(P2s)。井田內發育地層由老到新的順序為奧陶系（O2）、石炭系（C）、二疊系（P）、第三系（N）、第四系（Q）。井田主要含煤地層為上石炭統太原組和下二疊統山西組，含煤地層總厚度134.85m，共含煤層13層，其中可采煤層7層。煤層總厚12.62m，含煤系數9.3%。可采煤層是1、2、6、7、9、10、11號煤層。在上述11個煤層中，大多數煤層都較為穩定，不穩定煤層是6號和7號煤層。這兩個煤層的特點如下：①6號煤層：位于太原組上段下部，上距2號煤層平均間距33.16m。煤層厚度0～2.20m，平均0.89m，一般不含夾矸，個別孔含一層夾矸，結構簡單，井田內大部分在可采厚度以上，西部及中部有變薄、尖滅現象，屬不穩定的全井田局部可采煤層。頂板為黑色泥巖，局部為粉砂巖，厚3.11～12.5m；底板為灰黑色泥巖，下部夾粉砂巖，厚度2.5～11.5m；②7號煤層：位于太原組中段中部K3與K4石灰巖之間，上距6號煤層平均間距29.46m。煤層厚度0～1.35m，平均厚度0.68m，個別孔含一層夾矸，結構簡單，中、東部局部尖滅，屬不穩定的全井田局部可采煤層。頂板為粉砂巖及泥巖，厚1.2～12.5m；底板為粘土質泥巖，局部為粉砂巖，厚0.5～14.5m。

2.2 巷道掘進階段防治水方案

依據隔水關鍵層的基本原理，避免突水事故的重要環節就是避免遭遇突水通道。在巷道掘進階段，應當對掘進前方可能存在的導水構造做嚴格檢查，遵循掘進之前先探測，物探先于鉆探的原則。在巷道掘進防水治水工作中包含了超前探測、鉆探驗證異常體治理等內容。

其中超前探測可實現圈定可能存在異常的地質體，采用直流電法、音頻電穿透式法等不同方法來綜合評判，增加探測的可靠性。對于需要進行鉆探驗證的前方區域，布置傾角在-10°～-20°之間、數量不低于2個，鉆孔探查距離不低于30m的探查孔。對于孔口治水套管的長度，根據煤礦防治水規定的有關條款來實施。一旦確定了異常體及突水潛在風險源，就需嚴格遵守有關固定，采用超前預注漿加固后再行掘進。

2.3 工作面回采前防治水方案

當采煤工作面已經形成，在回采之前需要對工作面影響范圍內的裂隙、薄弱地帶、以及富水區進行必要的探測工作，必要時輔以鉆探驗證，以確定具體異常范圍。對于已經確定的導水構造等潛在突水風險的趨于，必須按照規定進行局部注漿加固，并事后檢驗加固強度是否滿足要求。判斷依據是依據巷道底板厚度、底板隔水層的抗拉強度等計算安全隔水層厚度。當滿足實際隔水層厚度超過安全隔水層厚度并有足夠富余時，才能考慮繼續掘進。如果資料不足，也可采取較為簡單的突水系數法來計算。

2.4 工作面回采過程中防治水方案

從奧灰含水層突水機理可見（主要是形成緩慢，但又往往爆發突然），工作面回采過程中的水情監測（水位、水溫等）就顯得很有必要，在奧灰含水層和開采層之間布置監測點具有重要意義。這一過程中的關鍵問題是選擇合適的監測層。其基本思路是選擇一個和奧灰含水層在水位、水質等存在較大的差異的含水層作為監測層，把奧灰含水層作為目標層，實現對目標層的間接監測。

3 小結

煤礦的防水治水是煤礦生產中的關鍵問題之一。由于各個煤礦地質構造都不相同，因地制宜的采取防治水措施就特別重要。在對礦區地質構造已經做了較為詳盡的勘測基礎上，必要的超前探測、設置監測層和必要時注漿加固是煤礦防治水的主要途徑。尤其是對監測層的合理設置值得深入研究。

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