龍泉礦4301工作面涌水原因及水害治理研究

薛丁華

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 晉城 048006）

1 概述

1.1 礦井情況

龍泉礦位于婁煩縣城北10km處，行政區劃屬婁煩縣靜游鎮管轄，于2009年7月1日開工建設，2016年11月28日正式投產。礦井設計能力為500萬t/a，井田面積35.2373km2，可采煤層共3層，分別為4號、7號、9號煤層。目前僅開采第一水平4號煤層，平均厚度6.47m，現開采采區為二、三采區，回采工作面有4202和4301工作面。

1.2 礦井水文地質特征

龍泉礦4號煤水文地質條件為中等，屬全井田帶壓開采，突水系數值0.0135～0.0904MPa/m。

4號煤頂板充水水源主要有山西組、下石盒子組、上石盒子組的K4、K5、K6砂巖含水層。其中K6砂巖厚度1.38～29.73m，平均厚度11.0m；K5砂巖厚度10.0～19.0m，平均厚度17.0m；K4砂巖是4號煤層的直接頂板，厚度3.87～11.0m，平均厚度8.6m。K4、K5、K6砂巖含水層均屬于承壓裂隙含水層，富水程度與地質構造關系密切，在正常天然條件下各含水層之間的聯系較差，但是，一旦存在地質構造，構造發育地段富水性相對較大。

4號煤層底板充水水源主要為K3砂巖含水層、太原組薄層L3～L1灰巖以及奧陶系多層特厚含水層。由于4號煤層開采后底板的破壞深度有限，而K3砂巖含水層沒有足夠的動態補給水量，底板充水在短時間內主要以含水層靜儲量的疏干為主，因此，一旦產生突水情況，涌水量的大小主要取決于巖層裂隙的空間延展度以及各裂隙之間的網絡連通條件。

2 4301工作面出水經過

4301工作面是4號煤三采區的首采工作面，工作面走向長1200m，可采長度為715m，傾向寬250m。該工作面內均無地質鉆孔和封閉不良鉆孔，掘進過程中僅揭露了三條隱伏斷層，斷距均小于5m。因該工作面底板承受太灰水壓高達5.4～6.4MPa，工作面回采后初次來壓即發生底板涌水。隨著工作面回采至128m位置，涌水越來越大，最終達到最大值190m3/h，后穩定在180m3/h左右，目前處于停產狀態。具體涌水經過為：

4301工作面初期涌水量為40～50m3/h，主要為工作面頂板淋水、瓦斯鉆孔出水、探放水鉆孔出水。走向推進至102m處時揭露工作面“有采必探”鉆孔，致使工作面水量增加至70m3/h，然后25#和46#支架煤壁出現涌水，當時實測涌水量約50m3/h，這時工作面總涌水達到120m3/h。繼續推進至128m處時，128#支架底板又發生出水，最終涌水增大至190m3/h，工作面停產后逐步穩定至180m3/h左右。

3 4301工作面涌水原因分析

3.1 涌水水源分析

（1）出水量分析。從涌水量變化情況來看，4301工作面的涌水量穩定在180m3/h左右，且長達10個多月水量基本穩定，說明補給水源穩定。初步判斷提供穩定水源補給的很可能為深部奧灰含水層。

（2）水質分析。通過采樣水質化驗，4301工作面底板涌水水質類型為 HCO3·SO4-Ca·Mg·Na 型水，陽離子Ca2+、Mg2+離子含量占41.83%～ 47.18%、21.06%～ 34.59%，Na+離 子 15.68%～ 31.50%， 陰離 子HCO3-占 50.92%～ 53.94%，SO42-占 40.88%～43.42%。與太原組含水層水（HCO3-Na）及與奧陶系（HCO3-Mg·Ca 型、HCO3·SO4-Mg·Ca 型 ） 灰 巖水質均有一定差異。

（3）從奧灰水位動態看，4301工作面開始出水至涌水量達到最大，奧灰觀測孔LS1觀測水位下降較明顯。說明4301工作面出水對地下水流動系統產生了一定影響，奧灰水對該工作面涌水有一定的補充。

綜合分析后認為：4301工作面的涌水水源主要為太原組砂巖、灰巖含水層組水、本溪灰巖含水層水、頂板砂巖水的混合型水源，后期奧灰水作為間接補充水源進入了開采空間。

3.2 出水通道分析

4301工作面奧灰突水系數為0.052MPa/m左右，出水點分散不集中，涌水為礦壓與水壓的共同作用所引起的彌漫型分散型裂隙型出水，出水過程伴隨著回采進程不斷發展演化。4301工作面底板破壞深度應該在30m左右，底板破壞直接溝通底板砂巖、灰巖含水層組而出水。因此，在無導水陷落柱、導水斷層或裂隙帶等導水構造情況下一般不會發生奧灰出水。而且如果出水水源主要為奧灰水，在工作面內部及其外圍附近應該存在導水隱伏陷落柱或垂直導水裂隙帶等垂直導水構造。但是，該工作面的井下槽波地震探測未發現陷落柱，且地面施工的三采區三維地震勘探也沒有探測到陷落柱的存在。

然而，在該工作面發生出水后井下施工的水文補勘孔3#孔鉆進至170m附近時，卡鉆現象比較嚴重，巖體破碎，拔鉆桿過程中水量逐漸增大，最后增大到100m3/h，同時從鉆孔噴出大量巖石碎塊，碎塊的巖性有泥巖、砂質泥巖、鋁土泥巖、細砂巖等。因此，該工作面的涌水通道可能為小型隱伏性導水構造或裂隙破碎帶。

綜上所述，該工作面涌水為礦壓與水壓的共同作用所引起的彌漫型分散型裂隙型出水，出水過程伴隨著回采進程不斷發展演化，水源為多個含水層參與的混合型出水，除了前期的頂板水外，既有底板砂巖水、底板薄層灰巖水，也有底部奧灰水，奧灰水是主要的補給水源。根據井下施工的水文補勘孔揭露情況分析工作面底板可能存在一小型隱伏性導水構造或裂隙破碎帶。

4 4301工作面底板水害治理方案

因4301工作面出水為彌漫型分散型裂隙型多個含水層的混合型出水，奧灰水是主要的補給水源，也就排除了疏水降壓的可行性。因此，工作面出水區域以封堵減水為主，待采區域以探查改造為主。

鉆孔布置原則：本著“針對性強、注漿效果好、確保全覆蓋”的原則，在工作面水平切面上采用放射狀展布，在垂直剖面上長短相結合，所有鉆孔都以斜孔為主，從而使鉆孔揭露的含水層段能夠盡量長，鉆孔盡可能與斷層、裂隙帶垂直或斜交，并穿過多個含水層。

鉆孔注漿層位：主要注漿層位為太灰L3+L2薄層灰巖以及本灰+K1含水層組，僅個別鉆孔到奧灰含水層。工作面采空區下的注漿點距30～50m，兩順槽外側鉆孔控制間距50m，目前停采位置外待回采超前壓力破壞區鉆孔控制間距100m。

鉆孔具體布置方案：在4301工作面的兩條順槽各布置3個鉆場，設計30個探查注漿孔，見鉆孔布置平面圖（圖1）及鉆孔參數設計成果表（表1）。

5 結論

（1）查明了4301工作面的涌水水源主要為太原組砂巖、灰巖含水層組水、本溪灰巖含水層水、頂板砂巖水的混合型水源，后期奧灰水作為間接補充水源進入了開采空間，而工作面的涌水通道可能為小型隱伏性導水構造或裂隙破碎帶。

（2）制定了4301工作面的底板水害治理方案，從鉆孔布置原則、注漿層位、鉆孔布置方案等方面進行了詳細設計研究，最終認為工作面出水區域治理工作以封堵減水為主，待采區域以探查改造為主。