工作面含水層和煤層底板的防治水研究

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

礦井突水事故為我國煤礦生產中主要地質災害之一，其發生次數僅次于瓦斯事故。因此，針對礦井突水的防治工作對保證工作面的安全生產尤為重要。在實際開采過程中，工作面頂底板的應力平衡狀態被打破，其對應隔水層存在被導通的風險，進而發生頂板潰水、潰砂以及底板突水事故的發生[1]。本文以某煤礦煤層開采為研究對象，結合理論分析和數值模擬的手段提出針對工作面含水層和煤層底板的防治水工作提出建議。

1 工程概況

某煤礦共有5個工作面，本文以其中的12211工作面為例開展研究。在工作面鉆孔探測得出該工作面基巖的最小厚度為18.71 m，最大厚度為198.93 m，平均基巖厚度為74.38 m。以12211工作面1#煤層開采為例，1#煤層的平均厚度為5.86 m，煤層傾角范圍為3°～6°。目前，1#煤層采用傾斜長壁綜放開采方式進行開采。12211工作面1#煤層的頂底板情況如表1所示。

表1 12211工作面1#煤層頂底板情況

經探查，12211工作面1#煤層含水層自上而下分為松散巖類孔隙含水層、碎屑巖類孔隙含水層、碳酸鹽巖類孔隙含水層、基巖裂隙含水層。綜合分析，12211工作面1#煤層在開采期間主要受松散巖類孔隙含水層和煤層底板含水層的威脅。因此，本文將從松散巖類孔隙含水層和煤層底板含水層的防治方案及效果進行研究。

2 松散巖類含水層防治水研究

對于松散巖類含水層的防治水效果需充分掌握其分布特征及含水層之間的相關聯系等。結合該工作面相關鉆孔資料和抽水試驗結果，本礦松散巖類含水層從上至下依次為強富水層組(厚度為34 m～52 m)，該層組較穩定，含水豐富；相對弱富水層組(10 m～50 m)、穩定隔水層組(40 m～50 m)；相對弱富水層組(主要成分為細砂、粉砂)，該層組的水量主要為靜儲量。

目前，針對松散含水層可采用的防治措施包括有限高開采法、充填開采法、疏干開采法以及留設安全煤巖柱法[2]。結合12211工作面1#煤層的巖層特征及現有生產工藝，采用疏干含水層的防治措施。

對于疏干含水層防治措施的實施需根據靜儲量采取合適的防治措施，疏干含水層中包括有礫石、粗砂、中砂、細砂以及粉砂等，根據不同巖性的給水度得出不同巖性的靜儲量，計算公式如式(1) 所示。

Vi=Si×di×μi

(1)

式中，Si為不同巖性的含水層面積；di為不同巖層的厚度；μi為不同巖性的給水度。

通過計算礫石、粗砂、中砂、細砂以及粉砂等的靜儲量得出松散巖類含水層的靜儲量的最大值為1 476 055 m3，最小值為1 014 443 m3。

根據12211工作面的實際情況，同時采用井下鉆孔和地面鉆孔方式進行疏干防水的操作[3]。其中，共在12211工作面井下施工57個新孔，且所有孔中最大涌水量為1.5 m3/h；在地面共施工鉆孔數量為4個，各個鉆孔的參數如下：

疏1孔位于工作面切口向外260 m的位置，鉆孔深度為245.8 m，在放水期間最初水量為40 m3/h，最終水量穩定于16 m3/h；

疏2孔位于工作面切口向外20 m的位置，鉆孔深度為250.31 m，在放水期間最初水量為12 m3/h，最終水量穩定于4.3 m3/h；

疏3孔位于工作面切口向外250 m的位置，鉆孔深度為259.7 m，在放水期間最初水量為37 m3/h，最終水量穩定于22 m3/h；

疏4孔位于探水巷前方15 m的位置，鉆孔深度為260.8 m，在放水期間最初水量為6 m3/h，最終水量穩定于2.3 m3/h。

經統計，自從工作面采用疏干含水層的防治措施總共疏放地下水量為11.58萬 m3；與工作面水量監測的數據相比對可知，工作面靜水儲量能夠被完全疏干，即可有效對12211工作面松散含水層進行防治，保證工作面的安全生產。

3 煤層底板的防治水研究

煤層底板突水的防治效果需探明煤層底板的含水層厚度及其相關的導水通道的特征[4]。因此，在制定煤層底板防治水方案之前需了解整個煤礦的地質水文條件，尤其是煤層底板的含水層和隔水層的特征，其特征如圖1所示。

圖1 煤層底板含水層、隔水層綜合特征圖

煤層底板上段含水層主要為灰巖巖溶裂隙承壓含水層，該含水層的厚度范圍為1.12 m～20.67 m，平均厚度為10.45 m；煤層底板下段含水層主要同樣為灰巖巖溶裂隙承壓含水層，該含水層的厚度范圍為1.32 m～32.69 m，平均厚度為20.8 m。

經對鉆孔所采集的數據進行統計，煤層底板與灰巖頂界之間隔水層的厚度范圍為0.35 m～16.97 m，其平均厚度為5.10 m。而且，在實際開采過程中受采動的影響煤層底板擾動深度可達20 m，遠遠大于其隔水層的厚度。因此，受采動影響煤層底板突水的危險性非常大。

針對煤層底板突水的防治工作可通過疏干降壓、對煤層底板及含水層進行改造以及采取合理的開采方式等實現。其中，疏干降壓主通過疏水巷道、抽水鉆孔以及放水鉆孔等將工作面的涌水排干；對煤層底板及含水層進行改造一般采用注漿方式將其底板及含水層凝固、硬化，提高底板的隔水性能；通過采取合理的開采方式，減小由于采動影響對底板擾動的深度，降低底板產生突水的風險[5]。

對于12211工作面煤層底板的防治工作而言，其最佳防治措施為疏水降壓，根據工作面實際情況施工1個截水孔和3個堵水孔，確保工作面的水位低于安全水位。

4 結語

煤礦水害事故嚴重威脅著采掘工作面的安全生產，其破壞能力僅次于瓦斯事故。因此，采取有效的防治水措施對保證工作面的安全生產意義重大。針對12211工作面松散工作面含水層采用井下和地面聯合疏干方式進行防治；針對煤層底板含水層分別采用疏水降壓的方式進行防治。