深部復雜條件下煤礦充水因素與防治技術研究

姬永飛,張 軍

(銅川礦務局有限公司 冶坪分公司，陜西 銅川 727100)

我國煤礦水文地質條件復雜，嚴重影響著煤礦安全生產。許多學者對煤礦水害防治進行了研究并取得了有效的成果。黃選明等[1]從充水水源、充水通道、充水強度方面分析了露天煤礦水害特征，提出露天煤礦由遠及近、由上而下、由面至點的立體防治水技術體系。崔芳鵬等[2]對依據充水水源、煤層與含水層相對位置和導水通道等分類的諸多礦井水害的防治技術與方法進行了分析與探討，為不同類型煤礦水害的精細化防治提供技術支持。梁敬東[3]通過對煤礦斷層充水基本特征的分析，提出斷層充水的防治建議。

近年來，冶坪煤礦逐漸向深部開采，水害嚴重影響工作面的正常回采，本文從該礦地質概況、水文地質條件等方面，分析了水害的危險性并提出具體的防治措施。

1 工程概況

冶坪煤礦隸屬于陜西美鑫礦業有限公司，為原薛家寨煤礦和玉峰煤礦產能異地置換而新建的礦井。礦井主采煤層為3#煤層和4-2#煤層，均屬局部可采煤層，3煤厚度0～4 m，平均厚度2.05 m，4-2煤厚度0～9.90 m，平均厚度3.26 m，開采標高為+990～+780 m.冶坪礦井在2020年底正式開始首采面1301工作面的回采，工作面目前未見明顯的頂板涌水，建井階段礦井涌水主要為井筒及大巷涌水，礦井總涌水量27.7～46.9 m3/h，在雨季會出現涌水量增大現象，2020年礦井平均涌水量36.65 m3/h.洛河組含水層厚度大，富水性較好，補給條件好，若導水裂隙帶波及洛河組含水層后可能出現涌水增大現象。相鄰崔家溝煤礦、下石節煤礦等在回采4-2煤時均出現過明顯的涌水量波動現象，下石節煤礦回采3-2煤層時，在工作面回采末期也出現涌水量波動現象，最大涌水量可達200 m3/h以上，說明了洛河組含水層富水性相對較好，且富水性不均一，在局部區域可能出現涌水量突增，影響工作面回采。

根據井田及周邊施工的42個鉆孔統計數據及地層覆巖發育特征綜合分析，得出一采區頂板覆巖厚度變化規律。一采區內華池組厚度變化較大，為140～280 m，采區西南部由于地表溝谷區域剝蝕，華池組厚度減小，向東部、北部方向存在厚度較大區域；采區華池組地層底板標高+1 300～+1 365 m，呈傾向NW的單斜構造，見圖1,2.

圖1 華池組地層厚度等值線圖

洛河組厚度變化為276～295 m，采區北部、西南部洛河組地層厚度較小，向東南方向地層厚度逐漸增大，采區東南部分厚度接近300 m，見圖3,4.洛河組地層整體呈一NNW傾向單斜，一采區內底板較為平緩，標高+1 020～+1 065 m，采區南部洛河組地層底板標高平緩，在+1 065 m附近，向北西方向地層底板標高逐漸減小，未見明顯褶皺發育。

圖2 華池組底板標高等值線圖

圖3 洛河組地層厚度等值線圖

圖4 洛河組底板標高等值線圖

2 深部煤礦充水因素分析

2.1 充水水源

根據井上下基礎資料，主要分析礦井一采區東部充水水源及充水通道，對已采區域礦井充水強度進行總結。

1)大氣降水和地表水。礦井區域屬大陸性半干旱季風氣候，一次性最大降水量294.8 mm.在基巖出露區域，對地下含水層具有一定的補給。據礦井涌水量相關因素曲線圖(圖5)，目前礦井涌水主要以井筒及大巷涌水為主，在8—9月份降雨量較大時間，礦井涌水有隨之增大的現象，大氣降水為間接充水水源。

圖5 涌水量相關因素曲線圖

2)地下水。現有的規程規范中收錄的導水裂隙帶發育高度經驗公式，均有一定的適用條件，目前的限制條件大部分為采厚。冶坪煤礦一采區范圍內3煤厚度為1.50～3.50 m，大部分區域內煤層厚度在2～3 m，局部存在薄煤帶，采區所布設均為綜采工作面，3煤頂板為中硬頂板，根據經驗公式預測，導水裂隙帶發育高度最大為47.4 m.

冶坪礦井煤層采厚以2～3 m為主，一采區工作面采寬為180 m，周邊礦井采寬與采厚一般均大于冶坪礦井(表1)，僅下石節煤礦回采3-2煤的2301工作面，采厚、采寬與冶坪煤礦最為相近，且覆巖結構類似，2301工作面寬度215 m，煤層采厚4.2 m，實測裂采比26.7 m，冶坪礦導水裂隙帶發育高度預測采用下石節煤礦2301工作面實測裂采比26.7倍計算。冶坪礦井3#煤厚度總體較小，且含多層夾矸，在預計導水裂隙帶時僅考慮可采煤厚，可采厚度小于綜采支架最低高度2.1 m時，按2.1 m采厚計算，則一采區導水裂隙帶發育高度為56.07～85.44 m.

表1 導水裂隙帶發育高度實測結果統計表

3)頂板含水層水。

預測導高與洛河組底板距離等值線見圖6.如圖6所示，采厚較小工作面導水裂隙帶發育高度也能達到較大值，相鄰井田實測值也說明經驗公式計算結果在該區域地質條件下并不適用，因此，選用實測裂采比預測冶坪礦導水裂隙帶發育高度，即56.07～85.44 m.冶坪煤礦一采區范圍內，3煤頂板與洛河組底界面的間距為85～125 m.前述分析，井田內導水裂隙帶發育高度最大為85.44 m，預計導水裂隙均未發育至洛河組底部。在相鄰礦井較薄煤層工作面開采中，出現過導水裂隙帶波及洛河組造成工作面回采末期涌水量增大的現象，冶坪礦井回采中也應注意局部構造區域導水裂隙帶發育高度異常造成的涌水量增大現象。

圖6 預測導高與洛河組底板距離等值線圖

4)采空區積水。

根據前述分析，崔家溝井田采掘工作不受下石節、陳家山煤礦采空區積水影響，井田內也未見以往生產小窯，目前僅崔家溝煤礦一盤區采空區積水可能對冶坪礦井東部1307、1308工作面回采有一定影響。據礦井提供數據，崔家溝煤礦的一盤區現已經回采完并封閉，閉墻已開始涌水，采空區內完全充水，積水標高+1 000 m；崔家溝一盤區2116工作面進入冶坪礦井田邊界內約233 m，該工作面回采延安組4-2煤，進入冶坪礦的采空區最低點為+892.813 m(巷道控制點推算)，以此計算2116采空區最低點水頭壓力達1.072 MPa，采空區積水量大、積水壓力高，可能威脅冶坪礦鄰近工作面回采。崔家溝一盤區采空區積水對3#煤采掘活動具有一定威脅，采前應采取相應水害防治措施。

2.2 充水通道特征分析

1)采動裂隙。崔家溝煤礦2116工作面開采4-2煤，煤層采厚7.5 m，以實測裂采比27.55倍計算，2116采空區導水裂隙帶已波及頂板洛河組含水層，崔家溝礦一盤區充水通道也主要以采動導水裂隙帶為主。相鄰礦井常以留設煤柱方法作為防隔水措施，若煤柱寬度不足，可能存在兩礦頂板導水裂隙帶發育區域互相溝通，相鄰已采區的采空區積水或含水層水會經導水裂隙帶側向補給本礦回采工作面頂板含水層，造成工作面充水強度增大。

2)構造裂隙。礦井正在進行首采面1301工作面回采，以往掘進或回采期間并未揭露斷裂構造，一采區內構造以褶曲為主，據覆巖底板等值線推斷，褶皺主要在侏羅系地層內發育，未波及白堊系地層，褶皺軸部可能存在裂隙發育區域，回采至褶皺軸部可能出現淋水增大現象。另外，在1301工作面切眼部位揭露一薄煤區，推斷為受背斜構造影響的構造薄煤區，薄煤區或無煤區也有可能是古河流沖刷形成，對應區域可能存在河流相沉積的砂礫巖區域，富水性相對較好，回采至該區域可能出現頂板淋水增大現象。

3)封閉不良鉆孔。一采區內有以往勘探時期施工的10個鉆孔，均為2013年由陜西省一九四煤田地質有限公司施工的勘探鉆孔，根據鉆孔柱狀圖，所有鉆孔均為洛河組底板以上10 m至終孔為水泥砂漿封閉，頂部黃泥封堵，全孔封閉，但由于部分煤層較厚處導水裂隙帶頂部距離洛河組含水層較近，黃泥封堵效果難以保證，因此在回采至對應鉆孔時，應加強水情觀測，必要時采取治理措施。

3 復雜條件下深部煤礦防治水關鍵技術措施

3.1 防治水思路

根據冶坪礦井一采區可能面臨的水害威脅，提出了防治水技術措施，具體防治水思路見圖7.巷道掘進前分析地質及水文地質條件，做好掘進探放水設計及掘進中超前段水情探查工作，加強鄰采空區巷道淋(滲)水情況觀測；回采前探查并確定2116采空區具體位置，進行采前防治水安全評價；對采空區積水區域留設合理防隔水煤柱，必要時可采取注漿充填技術進行采空區水害治理。

圖7 東部邊界3煤開采防治水技術路線圖

3.2 掘進防治水措施

崔家溝2116采空區與冶坪煤礦開采工作面位置明確，確定其采空區存在積水，3煤單軸抗壓強度6.63 MPa，屬碎軟煤層，探水線應為采空區積水邊界外推30～40 m，安全起見此處取40 m(考慮覆巖破壞裂縫角時，應自采空區邊界外推47.73 m)；警戒線應自探水線外推20～40 m，考慮采空區水頭壓力較大，警戒線外推距離取100 m.1308工作面巷道工程基本位于探水線以外，掘進過程中應自警戒線開始警惕積水威脅，注意觀察掘進頭及采空區一側煤壁出水情況，做好巷道滲水及掘進探放水鉆孔水情觀測。

掘進超前探放水：進入采空區積水警戒線以后，應編制每循環探放水設計，安排專用鉆機及專職隊伍，加密鉆探、物探相結合的掘進超前段水情循環探查，直至掘進工程安全掘進出警戒區域后，恢復正常探水循環。

探放水工程：巷道掘進超前物探建議選用瞬變電磁法進行，探查分析巷道掘進前方、右前方(采空區方向)的異常含水體(包括可能存在的導水構造或者盲巷)；掘進鉆探根據以往探放水加密布設鉆孔，向采空區一側施工的探查鉆孔應開展鉆孔測斜工作，確定鉆進方向準確性，見圖8.圖8中鉆孔數量不代表實際施工數量，具體鉆孔設計礦方依實際情況布設。

圖8 掘進超前物探方向示意圖

掘進水情觀測：掘進前編制好水害應急預案并進行相關培訓，掘進中做好采空區一側煤壁水情觀測，建立探放水臺賬，對巷道涌水、鉆孔水及時采取水樣進行分析對比，判斷充水水源。

3.3 注漿后工作面底板突水危險性分析

在冶坪礦采用超聲波法測量底板巖體受注漿加固及開采影響下巖體波速變化的實測值，進而利用公式將其轉化為巖體彈性模量，結果見圖9.

圖9 不同深度處底板巖體彈性模量圖

實測數據分析表明正常帶巖體，受注漿加固作用影響，巖體強度變化明顯，未經過注漿加固作用的巖體彈性模量最低值為0.2 GPa、最大值為4.3 GPa，小范圍深度內巖體彈性模量變化不大，大范圍對比下，巖體彈性模量變化較為明顯，其變化的差異性體現了底板巖體巖性的多樣性及巖層厚度的變化。注漿前底板巖體彈性模量平均值為1.9 GPa；分時實測數據表明，經過注漿加固作用的巖體，巖體的彈性模量顯著增大，最小值、最大值分別提高到3.1 GPa和11.7 GPa，平均值為6.3 GPa；受開采影響，底板擾動破壞使得其巖體彈性模量減少，最小值、最大值分別降低到1.8 GPa和9.0 GPa，平均值為4.8 GPa，整體巖體強度平均減弱24%，但仍高于注漿加固前巖體彈性模量。

3.4 注漿加固底板巖體富水性探測

工作面底板注漿加固后，利用井下瞬變電磁勘探技術探查冶坪礦工作面下順槽通尺1 770～2 270 m段所圈區域二1煤底板下方70 m范圍內的巖層賦水性情況，劃分探測范圍內底板巖層的相對貧、富水區域，檢驗工作面底板注漿加固的效果。勘探成果見圖10,11.由圖10看出，物探范圍內下順槽內幫俯角45°勘探成果中的主要相對低阻異常區為X1-1，位于通尺1 800 m～1 855 m段附近，異常范圍較小。該低阻區位于煤層底板下方L8灰巖附近、距離二1煤層較近，可能系附近巖層相對破碎、裂隙發育或具有一定賦水性引起，工作面回采時，該低阻區附近的區域不排除發生底板突水的可能性。

圖10 工作面下順槽瞬變電磁勘探(內幫俯角45°)視電阻率斷面圖

由圖11看出，物探范圍內下順槽俯角90°勘探成果中無需要關注的相對低阻異常區，巖層的賦水性較弱，發生底板突水的可能性較小。

圖11 工作面下順槽瞬變電磁勘探(俯角90°)視電阻率斷面圖

4 結 論

根據礦井勘探及揭露的地質、水文地質資料，分析了冶坪井田一采區東部3#煤覆巖結構特征及充水條件，據崔家溝礦2116工作面采空區基本情況，進行了采區東部1308工作面采空區防水煤柱寬度驗算，提出了相應防治水技術措施，主要結論如下：

1)依據崔家溝煤礦提供的2116工作面巷道拐點坐標及采空區范圍，計算2116采空區在冶坪井田內面積約3.7萬m2，估算一盤區采空區內積水量約413.76萬m3，在冶坪井田內最大水頭壓力約1.072 MPa.

2)通過底板注漿加固，可降低底板裂隙發育，減少底板巖層破碎區，有效改造底板裂隙含水層。通過實際物探探測效果對比分析可得，底板巖層視 電阻率變化明顯，低阻異常區變小，注漿效果明顯。

3)根據井田東部邊界3#煤回采面臨的水害威脅，提出了掘進和回采期間的防治水技術措施，具體包括水文地質條件分析及防治水工程設計，掘進超前探放水，采前防治水安全評價，排水系統建設，制定應急預案等。