陳四樓煤礦高承壓水工作面水文地質特征分析

劉 洲，冉德立

（河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南永城476600）

陳四樓煤礦高承壓水工作面水文地質特征分析

劉 洲*，冉德立

（河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南永城476600）

根據21503工作面巷道掘進揭露地質構造情況、鉆場鉆孔施工情況、以及結合區域地質和水文地質資料。利用綜合水文地質分析的方法研究了21503工作面含水層巖性及富水性、補給條件及構造對水害發生的控制作用。利用“下三帶”理論對底板突水性進行預測，并提出21503工作面防治底板突水的防治方法，為21503工作面的水害防治提供參考依據。

防治水；控制因素；底板擾動

1 概述

陳四樓煤礦位于豫、皖兩省交界的河南省永城市北部，為城廂、陳集、順和鄉所轄，地勢較為平坦，村莊密集，農業發達，地面標高+32～+35m，開采深度由-300～-900m。井田內部構造近東西向以斷層表現為主，近南北向構造以褶曲表現為主，礦井次級褶皺發育，一般較為寬緩。

21503工作面位于十五采區，工作面標高為-509～-680m，工作面北為落差19m的Fs1及Fs20正斷層，南為南十五皮帶下山和南十五軌道下山及其保護煤柱，西為未開采的實體煤，東為未開采的實體煤及2502采空區。工作面外段走向長829～904m，傾斜長185m，工作面里段走向長100～126m，傾斜長469～510m。外段采用走向長壁采煤法、里段采用傾斜長壁采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2 21503工作面地質特征

2.1 地層及二2煤層頂、底板巖性特征

21503工作面地層從下到上為，奧陶系中統馬家溝組（O2m）、石炭系中統本溪組（C2b）、上石炭統太原組（C2t）、二疊系下統山西組（P1s）、二疊系下統下石盒子組（P1x）、二疊系上統上石盒子組（P2s）、二疊系上統石千峰組（P2sh）、新生界（Cz）。

21503工作面開采二2煤層，直接頂板巖性為砂質泥巖：灰色，含植物化石碎片及煤屑，平均厚度3.8m。基本頂板為粉砂巖：灰色及深灰色，含植物化石，水平層理，平均厚度9.2m。直接底巖性為砂質泥巖，砂質分布不均，含植物化石，平均厚度2.72m；直接底板巖性為細砂巖，淺灰色，主要成分為石英、暗色巖屑及云母碎片，泥質膠結，平均厚度5.3m。

2.2 構造

21503工作面位于陳四樓向斜的東翼，屬一單斜構造，地層傾角5°～25°。工作面外段揭露斷層3條正斷層，里段揭露9條正斷層，共12條，其中大于2m的7條正斷層，以近東西向為主。見表1。

3 21503工作面水文地質特征

3.1 含水層、隔水層

（1）新生界底部孔隙承壓水，由于采區位于深部，該組含水層對煤層無充水影響。

（2）二2煤層頂、底板砂巖裂隙含水層，該段砂巖水以靜儲量為主，在巷道掘進過程中以淋水為主，是二2煤層直接充水含水層。

（3）太原組上段灰巖裂隙承壓水，主要是L11、L10、L8灰巖含水層，對采掘有較大威脅。開采煤層標高-510～-680m，根據鉆孔施工實測水壓為3.0～4.5MPa，為二2煤層主要的間接充水含水層。

（4）斷層水，21503工作面里段斷層構造發育，大斷層可使太灰含水層直接與煤層接觸，中小型斷層使二2煤底板有效隔水層厚度減小，受采動影響后，灰巖水沿斷層裂隙導升，可構成工作面底板突水的主要因素。

（5）山西組底部隔水層，二2煤與太原組L11灰間距46.3～51m，一般51m左右，層位穩定。其間巖層以泥巖、砂質泥巖為主，次為砂巖，平均抗拉強度21.2MPa。泥巖與砂質泥巖累計平均厚度26.5m，直接或間接與L11接觸，形成了良好的隔水層。

表1 21503工作面揭露斷層基本特征表

（6）太原組灰巖巖溶裂隙承壓含水層埋藏在本區達到560～730m，基本不受上覆含水層越流補給，其動態變化受大氣降水影響變化幅度較小，主要為側向補給。由于G5鉆場往里斷層較為發育，從鉆孔施工出水情況來看，斷層具有導水性，且單孔涌水量最大達到80m3/h。

3.2 含水層巖性、厚度對水害發生的控制作用

3.2.1 頂板砂巖裂隙含水層

頂板砂巖裂隙含水層為中—細粒砂巖，是二2煤層的直接充水含水層，其厚度較大，分布穩定，一般為6～20m，富水性弱，地下水徑流不暢，單位涌水量0.00313～0.0470L/（s·m），滲透系數0.00149～0.371m/d，水質以SO4-Na型為主，屬富水弱的含水層。在巷道掘進中主要以頂板淋水為主，對采掘施工影響不大。

3.2.2 太原組上段灰巖巖溶裂隙承壓含水層

（1）L11灰巖為生物碎屑灰巖，厚度0.85～4.98m，平均2.2m。以含大量海百合莖、腕足、蜓等海相生物化石為主要特征。L10灰巖平均厚2.28m，L8灰巖平均厚10.6m。太原組上段灰巖巖溶、裂隙發育，屬于富水性中等的含水層。根據21503工作面G1、G2、G5、LP1鉆場施工鉆孔出水情況分析，二2煤層距L11灰巖45～51m，距L10灰巖59～67m，距L8灰巖71～89m，三層灰巖鉆孔出水量均在15m3/h以上，最大達到60m3/h，主要分布在G5和LP1鉆場，水壓在3.0～4.5MPa。主要因為G5鉆場往里至工作面里段斷層分布密集，太原組灰巖巖溶裂隙發育較好，富水性較強，在斷層L8灰巖水進行補給。

（2）底板灰巖突水性預測：

①根據《陳四樓煤礦煤層底板擾動規律及突水預測預報研究》的結果，得到底板破壞深度(h1)和采深(H)之間的預測公式：

式中：ln——以e為底的自然對數。

工作面采深，H為542.8～713.8m，則工作面采動對底板破壞深度（h1）為13～14.8m。

②根據底板導水破壞帶、完整巖層帶（底板巖層保持采前的完整狀態及原有阻水性能不變的部分）、太原組灰巖承壓水導升帶即“下三帶”理論。根據經驗公式：

式中：h1——底板導水破壞深度，m；

L——工作面斜長，m，外段185m，里段128m。

21503工作面二2底板導水破壞帶深度工作面外段20m，工作面里段14.5m。

③有效保護層帶厚度計算。

式中：h2——有效保護層帶的厚度；

h——隔水層總厚度，51m；

h1——底板破壞深度，21503工作面里段取14.8m，外段取20m；

h3——承壓水原始導高，根據鉆孔出水情況確定為5～10m，取10m。

計算結果為工作面外段21m，工作面里段為26.2m。

④有效保護層帶的阻水能力。根據《煤礦防治水規定》突水系數計算公式，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m。

T=P/M

式中：T——突水系數，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，3.0～4.5MPa；

M——底板隔水層厚度（有效隔水層厚度），m。工作面外段21m，工作面里段為26.2m。

計算結果為21503工作面外段0.14～0.21MPa/m，21503工作面里段0.11～0.17MPa/m。

因此，需要對21503工作面實施全面底板改造，改造后的底板均屬于無構造破壞的正常地層塊段，按照突水系數按0.1MPa/m計算，臨界隔水層厚度在30～45m之間；工作面外段采動對底板破壞深度取最大值20m，里段取14.8m，考慮太原組灰巖含水層的原始導高10m左右，則安全隔水層厚度應為外段60～75m，里段54.8～69.8m。L11灰距離二2煤51m，即在無褶曲、斷層等構造破壞的正常地層塊段內，工作面也存在底板太原組灰巖突水威脅。

3.3 斷層對水害發生的控制作用

（1）根據表1（21503工作面揭露斷層基本特征表）在21503工作面里段小斷層較為發育，由于斷層破壞了隔水層的完整性，降低隔水層的阻水強度，造成礦井易于突水的軟弱帶。尤其是斷層密集帶、斷層交匯處和斷層尖滅處，更容易發生突水。因為：①斷層密集帶、轉折部位、斷層交匯處，構造應力集中，巖石破壞更嚴重。②斷層尖滅處，不是以位移使構造應力得以釋放，而是以破裂變形使應力得以釋放，巖石破碎、裂隙張開，抗壓強度顯著降低。

（2）斷層使二2煤層與太原組灰巖裂隙承壓含水層接近或直接接觸。由于斷層兩盤上下錯動，使上部煤層下降或下部含水層抬高，煤層與含水層距離拉近或者直接對接，成為礦井易于突水的地帶。

（3）在采掘過程中，一些斷層在天然條件下不含水，也不導水，由于采掘擾動、礦山壓力和太原組灰巖承壓含水層高靜水壓力的共同作用下，使原本不導水斷層轉變為導水斷層。

①采掘工作面底板發育未穿越煤層的隱伏導水斷層，在斷層帶發育異常導升區，在采掘擾動條件下，承壓水導升帶與底板擾動破斷帶導通形成采場突水水害，且具有一定的滯后性特點。

②采掘工作面底板發育穿越煤層的隱伏導水斷層，當采掘工程直接揭露或間接擾動斷層時形成導水通道，發生水害。

③在工作面煤層中發育未穿越含水層的隱伏導水斷層，但斷層與太原組高承壓灰巖含水層導升帶導通時形成采場的出水，具有一定的滯后性特點。

3.4 褶皺對水害發生的控制作用

21503工作面外段接近陳四樓向斜軸部，地層傾角10°～25°，工作面標高-600～680m，底板巖層容易形成與煤層走向一致的斷裂或裂隙。造成底板巖性破碎，隔水層強度降低，并且太原組灰巖巖溶裂隙承壓水受陳四樓向斜東翼及工作面北部含水層水的側向補給。

4 防治水方法

（1）帷幕注漿。根據實際揭露斷層和在工作面北部邊界鉆孔施工情況看，工作面北部邊界東西向斷層密集發育且具有導水性，對工作面里段有較強的水源補給作用。因此，在21503工作面里段北部邊界斷層發育密集處，實施高角度鉆孔和淺層鉆孔，密集鉆孔布置到L8灰巖形成帷幕墻。阻斷邊界水源對工作面灰巖水的側向補給，同時封堵斷層導水通道。

（2）底板注漿改造。根據底板突水性分析，為確保工作面安全回采，需要對21503工作面進行全面底板注漿改造。底板注漿鉆孔終孔層位確定為L8灰巖，有效底板隔水層厚度達到78～80m。滿足《煤礦防治水規定》對突水系數的要求。

（3）局部疏水降壓。在工作面通過注漿改造后，在工作面外段進行打孔進行局部疏放，降低水壓。

5 結論

（1）對開采二2煤層造成水害威脅的含水層為L11灰巖，L10、L8灰巖在斷層地帶或隔水層薄弱帶對L11灰巖直接補給，是造成底板突水的主要水源。

（2）對底板造成破壞的影響因素主要為煤層埋深、工作面斜長、煤層傾角、開采方法。經過計算21503工作面二2底板導水破壞帶深度工作面外段20m，工作面里段14.5m。安全隔水層厚度應為外段60～75m，里段54.8～69.8m。

（3）21503工作面里段小斷層密集發育，導致底板隔水層的有效隔水性能下降，裂隙發育，在斷層轉折、交叉、尖滅等位置在采動影響下容易形成導水通道，造成水害。

（4）通過對該工作面水文地質條件分析及水害控制因素的影響性分析，提出了高承壓水工作面水害防治措施，確定了邊界帷幕注漿，底板改造、局部疏水降壓等防治水害方法。

[1]山東科技大學.陳四樓煤礦煤層底板擾動規律及突水預測預報研究[R].2008.

[2]國家煤炭工業局.煤礦防治水規定[S].北京：國家安全生產監督管理總局，2000：225-245.

[3]張金才，張玉卓，劉天泉.巖層滲流與煤層底板突水[M].北京：地質出版社，1997.

TD74

A

1004-5716(2015)05-0142-03

2014-05-07

2014-05-10

劉洲（1986-），男（漢族），陜西商南人，助理工程師，現從事煤礦防治水工作。