煤層頂板導水裂隙帶發育規律及探放水技術

申 龍

(潞安環能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046102)

隨著我國采煤機械化程度的不斷提高，高產高效綜采技術得到全面推廣，同時由于礦井開采不斷向深部延伸，礦井水害問題愈加頻發，極大影響了礦井的安全高效生產[1-2]。許多學者對其進行了相關研究[3-5]。本文基于常村礦2305工作面水文地質資料，對頂板砂巖水控水規律進行研究，分析了礦井充水因素，確定了2305工作面導水裂隙帶高度，由此進行了頂板富水性探查和探放水技術，為礦井頂板水害的防治奠定了基礎。

1 地質概況

常村井田以褶曲為主，地層傾角3～6°，其中東部以單斜為主，伴有近東西向波狀起伏，西部為近南北向褶曲，北部和東南部有大斷層和陷落柱發育。礦井可劃分為15個含水層，即中奧陶統馬家溝組灰巖巖溶含水層，太原組K2、K3、K4、K5灰巖巖溶裂隙含水層，山西組K7砂巖裂隙含水層，3號煤層頂板砂巖裂隙含水層(S4)，下石盒子組K8砂巖裂隙含水層，上石盒子組基巖風化帶裂隙含水層，基巖風化帶含水層，第四系下更新統孔隙含水層和中更新統孔隙潛水含水層等。井田內主要隔水層自上而下主要有：本溪組鋁土質泥巖隔水層，3號煤層底板隔水層等。

據統計,常村煤礦自建井以來大小涌水點共計36個，其中頂板涌水點合計34個，占總涌水點的94.4%；底板K2灰巖涌水1次；陷落柱涌水1次；斷層帶無涌水情況。涌水點最大涌水量250 m3/h，頂板砂巖涌水量50 m3/h以下的涌水點25個，占總涌水點的69.4%。

2305工作面布置于3號煤層內，煤厚平均6.3 m，工作面掘巷期間未發現3號煤頂板富水異常區，但回采期間揭露有aXn8陷落柱，該陷落柱有潛在導水因素，依據礦井地質資料和物探等技術確定，導水水源為K8、K10頂板砂巖水，同時該工作面屬于承壓開采區域，3號煤底板標高為+408.0～+430.0 m，礦井奧灰水水位標高為+639 m，帶壓高度為209.0～231.0 m水柱，隔水層厚度為73.33 m，突水系數為0.026 MPa/m，因此須重視水患防治。

2 礦井充水因素分析

基于礦井地質資料和已有突水點監測分析，確定礦井充水通道如表1所示。

表1 礦井充水通道分析

基于表1可知，3號煤層突水主要受到褶曲構造尤其是向斜構造以及采動的影響，基于3號煤層相關工作面的統計調查，工作面發生較大突水水源來源于K8和K10砂巖水。

3 導水裂縫帶高度分析

基于2305工作面實際地質條件，通過采用回歸分析方法進行頂板覆巖導水裂隙發展分析，獲得6.3 m采高下頂板導水裂隙發育規律，如圖1所示。

分析圖1可知，在6.3 m采高條件下，工作面導水裂隙高度與工作面推進距離呈現非線性關系，因此基于數值計算軟件獲得4階多項式擬合公式，如式(1)所示，具體擬合示意如圖2所示。

y=3e-7x4-2e-4x3+3.92e-2x2-2.223 8x+41.83

(1)

圖1 頂板導水裂隙發育規律

圖2 頂板導水裂隙發育規律數據擬合示意

分析圖2可知，在工作面回采初期，導水裂隙發育緩慢，當工作面推進至100 m時，導水裂隙高度開始急劇上升，并在回采至160 m之后，覆巖導水裂隙發展趨于平穩，穩定值約為95 m。由此得出，2305工作面覆巖導水裂隙帶發育高度基本處于95 m左右，已超過隔水層厚度，因此在工作面回采前必須進行覆巖頂板砂巖水的探放作業。

4 探放水技術方案

4.1 頂板探放水設計原則

為保證探放水工作的安全高效，基于工作面實際地質狀況，制定以下探放水設計原則：

1) 設計采取多打孔、多穿含水層、打鉆方向盡可能垂直水位等高線以便在各含水層增加穿越距離，盡量在構造發育地段及工作面向斜軸部打孔的方法進行。

2) 探放水位置應為地質、水文地質分析和地球物理勘探確定的富水區域，即褶曲(向斜和背斜)構造軸部尤其是向斜軸部位置、斷裂構造發育地帶和陷落柱發育位置以及瞬變電磁勘探確定的富水異常區。

3) 目前礦井煤層頂板K10含水層的鉆孔單位涌水量為0.58，頂板鉆孔的影響半徑約60 m，即正常情況下頂板探放水鉆孔間距約120 m，同時頂板探放水垂直高度約為95 m，即頂板探放水含水層應為煤層頂板S4、K8和K10砂巖含水層。

4.2 頂板探放水工藝

根據探放水設計原則，首先進行2305工作面瞬變電磁勘探，確定工作面的富水異常區，圖3所示為3號煤層N3采區K8、K10、S4砂巖水富集區域，其中2305工作面位置已用圓圈圈出。

圖3 N3采區K8、K10、S4砂巖水富集區域示意

分析圖3可知，N3采區富水區域主要集中于測區的北部及西南部，在中部砂巖裂隙發育相對較弱，其中2305工作面主要受到K8和K10砂巖富水區域影響。

基于上述富水區域分布情況，對2305工作面進行了鉆孔設計和探放水，如圖4所示為向斜軸部、富水異常區的復合等部位設計的23個鉆孔布置示意。

圖4 鉆孔布置示意

通過對現場鉆孔數據統計分析，在排除水患因素的同時確定：①位于褶曲構造軸部尤其是向斜軸部的鉆孔，其探放水量較大；②地面瞬變電磁勘探確定的富水異常區中，除有一處富水異常區正好位于向斜軸部外，其它富水異常區施工的鉆孔，其探放水量均較小或基本無水；③2305工作面頂板探放水量為241.91 m3/h，大于估算的頂板正常涌水量188.70 m3/h，實際探放的水量與估算的正常涌水量不太吻合是由于2305位于礦區的底部；④所有探放水鉆孔中期涌水量較大，但過數天后涌水量明顯減少，表明頂板砂巖裂隙水以靜儲量為主，補給量不大，變化形式基本呈初期少中期大后期少的趨勢。

5 結 語

1) 在6.3 m采高條件下，確定了工作面導水裂隙高度與工作面推進距離擬合關系式，并基于擬合關系式確定在回采至160 m后，覆巖導水裂隙穩定在95 m左右。

2) 基于瞬變電磁勘探確定N3采區富水區域主要集中于測區的北部及西南部，中部砂巖裂隙發育相對較弱，其中2305工作面主要受到K8和K10砂巖富水區域影響。

3) 通過布置鉆孔探放水，確定工作面集水形式主要以靜儲量為主，且褶曲構造軸部尤其是向斜軸部區域水量大，涌水量變化呈現初期少中期大后期少的趨勢。