礦井水害發生機理及防治技術研究

申紹鋒

(山西鄉寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司，山西 鄉寧 042100)

引 言

綜采工作面瓦斯、水害以及頂板支護效果等決定著煤礦生產的安全性。其中，水害事故在煤礦生產中不可避免，其不僅會對工作面人員的安全造成威脅。而且，礦井水害事故還會導致多種環境負效應，制約工作面煤炭的高效開采[1]。因此，在實際生產中應采取合理發生的水害防治措施。本文著重研究了礦井水害的發生機理，并針對性地提出相關防治措施。

1 礦井地質及水文條件分析

本文以61101工作面為例開展關于礦井水害發生機理的研究并制定相應的防治水措施。61101工作面的走向長度為2.2 km，走向寬度為220 m。經探測，該工作面煤層的傾角范圍為0°～3°，煤層平均傾角為1.5°，可開采煤層的厚度為15.4 m。61101工作面的頂底板情況如表1所示。

表1 61101工作面頂底板情況

目前，61101工作面可開采煤層有4#、5#、6#煤層。經探測，4#煤層頂板的涌水量為0.036 L/s；5#煤層頂板的涌水量為0.082 L/s；6#煤層頂板的涌水量為0.06 L/s。

2 礦井水害發生機理研究

礦井水害主要分為工作面頂板突水和底板突水[2]。本節著重對頂板和底板的突水機理展開研究。

2.1 礦井底板突水機理

目前，我國針對礦井底板突水的研究缺乏一個規范。一般的，底板突水類型可根據突水與斷層的關系、突水量的大小、突水的動態特征以及水層性質等進行劃分。結合61101工作面的水文條件可將其底板突水分為斷層性底板突水和正常底板突水。

其中，正常底板突水的底板無斷層以及陷落柱等構造，其主要成因為采掘導致工作面底板應力場發生變化，進而底板出現位移變化最終引起底板突水。實際上，正常底板突水是承壓水壓著煤層的間隙緩慢滲入至工作面巷道內，隨著承壓水不斷擠入間隙造成裂隙被擴大，進而導致大范圍的突水事故。

根據斷層底板突水發生機理可將其分為導水斷層引發的突水和采動引起的斷層突水。顧名思義，導水斷層是由于底板導水層出現斷裂而導致的突水事故；采動引起的斷層突水其底板斷層并不導水，隨著工作面開采的導致斷裂層不斷被擴展最終導致突水事故的發生[3]。

2.2 礦井頂板突水機理

結合相關理論研究，礦井底板突水的發生需滿足以下兩種情況：

1)礦井工作面頂板含水層的位置高于冒裂帶，由于開采的影響導致含水層被導通；

2)礦井工作面頂板含水層的位置高于冒裂帶，而且在含水層和冒裂帶中間存在一定厚度的隔水層。當隔水層的厚度大于頂板突水的臨界隔水層厚度時，不會發生突水；反之，會導致頂板突水事故的發生。

總而言之，工作面頂板突水現象的發生與其工作面頂板的雙層結構覆巖運動、斑裂線以及斷裂構造等相關[4]。

3 礦井水害的防治

3.1 61101工作面突水危險性分析

經分析，61101工作面存在頂板、底板突水的隱患。以下將著重對61101工作面頂板突水和底板突水的危險性進行分析。

3.1.1 頂板突水的危險性分析

對于61101工作面而言，頂板突水主要為其砂巖含水層斷裂所導致。因此，結合砂巖含水層的相關參數對其危險性進行分析，其對應的安全水壓計算公式如式(1)所示：

(1)

式中，P為砂質含水層所承受的安全水壓；t為頂板和含水層中間的隔水層厚度，取t=11.9 m；L為61101工作面巷道的寬度，取L=5.5 m；γ為頂板與砂質含水層中間隔水層的平均重度，取γ=0.002 5 MN/m3；為隔水層的抗拉強度，KP=1 MPa。

經計算可得，砂質含水層實際承受的安全水壓為9 MPa。而對于首采面砂質含水層的實際水壓為12 MPa。因此，在實際開采過程中對含水層采取適當的探放水操作降低頂板突水的危險性。

3.1.2 底板突水危險性分析

對于61101工作面底板突水而言，其主要是由于奧灰含水層被導通所導致突水現象的發生。因此，結合底板奧灰含水層的相關參數對其奧灰含水層的安全水壓進行計算，計算公式同樣采用式(1)。式中，P為底板熬水含水層所承受的安全水壓；t為底板與奧灰含水層中間隔水層的厚度，取t=30 m；L為61101工作面的寬度，取L=5.5 m；γ為底板與奧灰含水層中間隔水層的平均重度，取γ=0.002 5 MN/m3；KP為隔水層的抗拉強度，KP=1 MPa。經計算的，61101的工作面奧灰含水層的安全水壓為60.25 MPa，而實際生產中奧灰含水層預計的最大水壓為1.2 MPa。因此，對于61101工作面而言發生底板突水的事故較小，僅需對底板導水斷層和導水陷落柱進行重點探查。

3.2 61101工作面水害的防治措施

在上述對61101工作面頂板和底板突水現象危險性分析的基礎上，對頂板突水現象進行重點防治，對底板突水現象采取重點探查的防治手段[5]。

3.2.1 頂板砂質含水層的防治

結合61101工作面頂板突水危險性分析的結果，根據《礦區水文地質工程地質勘探規范》得出該工作面頂板的在首次開采時對應的冒落帶高度為64.4 m；導水裂縫帶的平均高度為227 m。因此，可得出工作面頂板砂巖含水層的位置處于冒落帶和導水裂縫中間。

因此，對于61101工作面頂板突水采取如下防治措施：在工作面巷道內盡可能地采取涌水自流進行防治，若由于現場情況無法采取涌水自流的方式應為其配置相應的水泵和管路。

3.2.2 底板奧灰含水層的防治

結合61101工作面底板突水危險性分析的結果，現有奧灰含水層被導通的概率較小。因此，在綜合考慮技術、成本以及防治必要性的基礎上在當前帶壓開采的情況下無需對底板奧灰含水層進行防治，僅需采取探查并封堵垂向導水通道的方式保證工作面的安全生產。

4 結語

水害事故為煤礦生產中不可避免的事故之一，為保證工作面的安全生產需結合實際情況采取有效的水害防治措施。對于61101工作面而言，其頂板突水事故發生的概率較大，而底板突水事故發生的概率較小。因此，需重點對61101工作面底板砂質含水層進行防治，同時加強對底板奧灰含水層的探查，綜合保證工作面的安全生產。