礦井回采工作面上覆基巖水位變化規(guī)律研究

韓 強 曹祖寶 王國強

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦井回采工作面上覆基巖水位變化規(guī)律研究

韓 強 曹祖寶 王國強

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了分析預(yù)測頂板水對煤礦生產(chǎn)的危害，以陜北某國有煤礦為例，通過對礦區(qū)南翼水文監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合煤礦生產(chǎn)狀況，分析得出礦井正常開采下，基巖含水層水位的變化特征，研究結(jié)果在該煤礦S1224工作面的回采過程中，起到了很好的預(yù)測預(yù)報作用，安全回采煤炭資源近千萬噸。

實時監(jiān)測，預(yù)測預(yù)報，安全回采，水位降幅

煤層頂板突水具有突發(fā)性、水量大的特點，給礦井造成的災(zāi)難是極其嚴(yán)重的，近年來分布在內(nèi)蒙古、陜西、寧夏三省(區(qū))的部分煤礦一直深受著煤層頂板砂巖裂隙水突水危險的嚴(yán)重影響,使煤礦基建速度明顯放緩、生產(chǎn)進度受阻。因此在煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)中有必要建立突水預(yù)警系統(tǒng)，以保證工作面的安全回采。

煤層開采后，引起頂部巖體的開裂、垮落和移動，形成冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶的巖塊間空隙多而大，透水、透砂，故一般不允許冒落帶發(fā)展到上部地表水體或含水層底部，以免引起突水和潰砂。導(dǎo)水裂隙帶其斷裂程度、透水性能由下往上由強變?nèi)酢?dǎo)水裂隙帶與采空區(qū)聯(lián)系密切，若上部發(fā)展到強含水層和地表水體底部，礦井涌水量會急劇增加。煤礦頂板突水前，在工作面煤壁環(huán)境和頂板水壓等方面都會有一些征兆[1]，具體概況為以下四點：1)煤層變潮濕、松軟；煤幫出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象，且淋水由小變大。有時煤幫出現(xiàn)鐵銹色水跡；2)工作面氣溫降低，或出現(xiàn)霧氣或硫化氫氣味；3)有時可聽到水的“嘶嘶”聲；4)礦壓增大，發(fā)生片幫、冒頂及底鼓。以上預(yù)兆是典型的情況，在實際具體的突水事故過程中，并不一定全部表現(xiàn)出來，很難形成規(guī)范的預(yù)警系統(tǒng)。因此，通過對煤層頂板上覆主要含水層的水位進行監(jiān)測，分析其水位變化，可以直觀的掌握頂板水是否要潰入礦井，從而對突水的可能性進行評價。本文結(jié)合煤礦南翼布置的地面水位監(jiān)測站的監(jiān)測結(jié)果，分析南翼2-2煤上覆基巖含水層的水位變化，根據(jù)統(tǒng)計的水位變化規(guī)律，得出礦井正常生產(chǎn)下基巖水位變化的規(guī)律。

1 監(jiān)測區(qū)域地質(zhì)概況

該煤礦位于陜西省神木縣境內(nèi)，井田東西寬約9.9 km，南北長約19.305 km，面積約119.773 5 km2。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為12.00 Mt/年，主要開采侏羅系延安組煤層。本區(qū)地處我國西部內(nèi)陸，為典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季冷熱多變，晝夜溫差懸殊。干旱少雨，蒸發(fā)量大，降雨多集中在7月～9月這三個月。井田處于黃河支流窟野河流域，區(qū)內(nèi)水系由北向南主要為廟溝、考考烏素溝及其支溝，河流流量與季節(jié)相關(guān)。井田南翼地表水系主要為考考烏素溝及其支溝肯鐵嶺河、小侯家母河溝，最南部為麻家塔溝的支溝蘆草溝。本區(qū)地表水受季節(jié)影響較大，一般規(guī)律是每年冬末(3月份)和雨季(7月份～9月份)為豐水期，而冬季和春季之交則為枯水期。

1.1 地質(zhì)概況

1.2 水文地質(zhì)概況

總體上，本區(qū)域地下水主要接受大氣降水入滲補給，區(qū)域內(nèi)多年平均降水量為436.6 mm，并多以暴雨形式集中于7月～9月，沙漠灘地區(qū)地形平緩，透水性好，入滲系數(shù)0.3～0.6；黃土丘陵區(qū),地形破碎，溝谷坡度大，入滲系數(shù)一般小于0.1。礦井主要包括四個含水層[2]，其中潛水含水層包括河谷沖積層潛水和薩拉烏蘇組潛水。基巖含水層包括侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)含水層和侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)含水層。J2z含水層分布普遍，零星出露于考考烏素溝一帶。巖石受到不同程度的風(fēng)化，一般表現(xiàn)為上強下弱，巖石結(jié)構(gòu)雜亂，松軟易碎，孔隙度增大，巖石透水性增強。含水層厚度一般為14.7 m～49 m，平均厚26 m。其巖性由一套黃綠色、紫雜色泥巖、粉砂層和灰白色砂巖組成。J2y含水層厚度21.75 m～114.13 m，平均66.5 m。本組地層為一套灰白色中細(xì)粒砂巖，青灰色粉砂巖及砂質(zhì)泥巖為主。本組地層含水微弱，以裂隙承壓水為主，局部為潛水。據(jù)以往資料，該組地層單位涌水量為0.000 065 2 L/(s·m)～0.000 58 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.000 269 m/d～0.004 356 m/d。

2 水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

對該礦井來說，水害主要來自于煤層頂板砂巖裂隙水，只要是煤層回采導(dǎo)致頂板垮落破壞形成導(dǎo)水裂隙帶波及至侏羅紀(jì)中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層，才會造成頂板涌水。因此在礦井整個南翼采區(qū)共布設(shè)了28個水文長觀孔，24個2-2煤上覆基巖J2z含水層監(jiān)測孔，4個第四系薩拉烏蘇松散砂層含水層監(jiān)測孔，重點對回采工作面區(qū)域附近的地面水文監(jiān)測孔加強、加密監(jiān)測，并且每天對這些監(jiān)測孔的水位監(jiān)測信息進行分析、解讀，以起到水害預(yù)報的作用[4]。目前礦井南翼正在回采S1224工作面，在S1224工作面附近布置有J2，J4和J5三個重點水位監(jiān)測孔。每小時進行1次水位監(jiān)測，監(jiān)測站采集15條數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送回主站(礦區(qū)地測科辦公室)，可以隨時觀察這三個重點觀測孔水位有無異常變化，以達(dá)到水情水害預(yù)報的目的。其余監(jiān)測孔附近沒有采掘活動，每月的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其水位沒有異常變化。

對于S1224工作面，提前對工作面進行疏放水，降低采面上覆基巖含水層的水頭高度，減弱工作面回采時頂板垮落導(dǎo)致的峰值涌水量，消峰平谷，同時加強對J2孔，J4孔和J5孔的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，加密監(jiān)測頻率、認(rèn)真分析各孔有無水位變幅過大等異常現(xiàn)象。各監(jiān)測孔的參數(shù)詳見表1。

表1 水文監(jiān)測孔參數(shù)一覽表

3 回采工作面附近監(jiān)測孔水位變化規(guī)律

3.1 一年內(nèi)監(jiān)測孔水位變化和礦井生產(chǎn)情況

2014年3月～2015年2月期間，項目監(jiān)測區(qū)域內(nèi)水位監(jiān)測情況匯總見表2。

表2 一年內(nèi)各監(jiān)測孔監(jiān)測情況匯總表(2014年—2015年) m

由各監(jiān)測孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，各監(jiān)測孔整體水位呈下降趨勢，其中J5和J2號孔水位一直呈緩慢下降趨勢，且每月降幅較小。J4號監(jiān)測孔從3月～6月孔水位一直在1 252 m上下波動，每月最大變化幅度不超過2 m，在6月下旬水位有下降趨勢，在7月份水位緩慢下降，最低降到1 250.01 m，比上月最高水位下降了3.22 m。因此為了更好的分析出S1224工作面生產(chǎn)情況下，基巖含水層水位變化規(guī)律，以7月份獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)情況為依據(jù)，進行分析。7月份中旬，項目檢測區(qū)域的S1224工作面開始回采，截至月底回采至80 m處，在工作面回采前礦方對S1224工作面施工了50個放水孔，并進行放水，降低采面上覆基巖含水層的水頭高度，減弱工作面回采時頂板垮落導(dǎo)致的峰值涌水量，消峰平谷。從6月下旬開始水位的下降是由于S1224工作面頂板疏放水導(dǎo)致水位變化異常。

3.2 工作面附近基巖含水層降落漏斗半徑預(yù)測

位于S1224工作面附近共有J2，J5及J4三個水位觀測孔，結(jié)合井下疏放水資料可知，J2孔附近井下的出水點主要為NW2，NW3和NW4號疏放水孔，其流量在1 m3/h～3 m3/h，最近放水孔距J2孔的平距約500 m，其水位一直穩(wěn)定在1 235.4 m左右，后期有下降趨勢，但降幅很小。J5孔附近井下的出水點主要為JF45和JF46號疏放水孔，其初始流量在24 m3/h左右，衰減較快，最近放水孔距J5孔的平距約510 m，其水位一直穩(wěn)定在1 226 m左右，

且并無下降趨勢。從這兩個孔的觀測結(jié)果可推出，此處降水漏斗的影響半徑約510 m，J4孔距井下最近放水孔距離約150 m，在降水漏斗內(nèi)，因此水位下降3.22 m屬于正常情況。測區(qū)域內(nèi)基巖含水層的影響半徑?jīng)]有考慮各個疏放水孔的疊加效應(yīng)，可能會使預(yù)測值有些偏差。各放水孔、監(jiān)測孔及工作面位置如圖1所示。

3.3 在生產(chǎn)中的應(yīng)用

通過工作面頂板疏放水時，水位的變化幅度，運用統(tǒng)計規(guī)律定性的分析出了礦區(qū)S1224工作面附近基巖含水層的降落漏斗半徑約為510 m，在工作面回采的過程中一直對J2，J4和J5孔進行實時監(jiān)測，當(dāng)2015年2月份工作面回采至距J4孔500 m時，如圖1所示，J4孔的水位出現(xiàn)了明顯下降，這是由于采空區(qū)頂板冒落后，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至基巖含水層，造成基巖含水層水位下降，這與此處工作面疏放水時確定的基巖含水層降落漏斗接近。

4 結(jié)語

在煤礦生產(chǎn)過程中，通過對采區(qū)含水層水位的觀測，分析采煤過程中水位的合理變幅，可以對煤礦水害起到預(yù)測預(yù)報作用。

1)對于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的回采工作面，應(yīng)提前進行頂板水疏放，降低采面上覆基巖含水層的水頭高度，減弱工作面回采時頂板垮落導(dǎo)致的峰值涌水量，消峰平谷，同時密切監(jiān)測采面附近的水位監(jiān)測孔，水位出現(xiàn)突變應(yīng)及時預(yù)警；2)對于項目監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的巷道掘進頭，應(yīng)堅持“有掘必探、先探后掘”的原則，密切監(jiān)測采面附近的水位監(jiān)測孔，如水位出現(xiàn)下降趨勢，應(yīng)加強巷道迎頭煤幫出現(xiàn)滴水、淋水、掛紅等透水征兆的觀測工作；3)通過疏放水時數(shù)據(jù)的收集，結(jié)合各觀測孔的水位變化情況，統(tǒng)計得出該工作面降水漏斗的影響半徑約為510 m，如在影響半徑外的觀測孔水位降幅過大，應(yīng)加強防治水措施。

[1] 楊海軍，王廣才.煤礦突水水源判別與水量預(yù)測方法綜述[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012，40(3)：70-71.

[2] 曹祖寶.檸條塔礦南翼西大巷以南2-2煤水文地質(zhì)補充勘探報告[R].西安：中煤科工集團西安研究院有限公司，2012.

[3] 國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[4] 劉中寬，周 歡.礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2013，32(9)：23-24.

The mine’s bedrock water level variation law research on the working face

Han Qiang Cao Zubao Wang Guoqiang

(Xi’anResearchInstituteCo.,LtdofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCrop.,Xi’an710077，China)

Analysis and prediction of roof water hazards of coal mine production, taking a state-owned coal mine in North Shaanxi as an example. Through analysis the South Wing of the mining area of hydrological monitoring system’s data.Combined with coal production situation analysis that when the working face is normal mining, the bedrock aquifer water level changes. Results of this study in the S1224 coal mine working face of mining process played a very good role in forecasting, safety ming millions of tons of coal resources.

real-time monitoring， prediction and forecast， safety mining， water level decline

2015-04-06

韓 強(1987- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)17-0046-02

P641

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