基于煤礦頂板導水裂隙帶發育的探放水技術分析

魏天瑋

（晉能控股煤業集團四老溝礦，山西 大同 037000）

四老溝煤礦地形褶皺較多，地質變化復雜，煤層傾角為4°～6°，東西向呈波狀起伏分布，西部為南北向的褶皺彎曲，并在北部伴隨有較大的斷層及陷落區分布。礦井可劃分為多個含水層分布，礦井內的隔水層自上而下主要分布有本溪組泥巖隔水層及3號煤層底板隔水層。在煤礦的生產過程中，據統計共有36個涌水點，其中頂板的涌水點約占90%以上，發生底板涌水1次，陷落柱涌水1次，頂板的砂巖涌水量較多[1]，影響煤礦的安全生產。

8407工作面的煤層平均厚度為6 m，進行工作面的巷道掘進時，所在煤礦未發現異常，回采過程中發現該區域陷落柱，為潛在的導水因素[2]，通過地質勘探等確定導水水源為K8、K10頂板砂巖水。由于8407工作面處于承壓的開采區域，隔水層厚度為78 m，突水系數為0.02 MPa/m，具有一定的危險性[3]，對于頂板的水害防治要采取一定的措施。

1 導水裂隙帶的發育分析

依據8407工作面的地質條件，對其充水通道進行分析，主要包括采動裂隙、斷層及褶皺、陷落柱等異常地質及封閉不良的鉆孔。采動裂隙的影響主要集中在初次及周期來壓時，斷層及褶皺形成地下水的富水帶，暫未發生突水事故，陷落柱等異常的地質條件一般富水性較弱，但一旦發生富水，容易造成較大的影響，安全隱患較大。鉆孔封閉不良或者鉆孔未封閉，常造成多個含水層之間的聯系[4]，造成相互之間的流動。煤層的突水主要受到傾斜構造及采動作用的影響，采用回歸分析的方法對頂板的導水裂隙發育進行分析。經現場測量，得到頂板導水裂隙的發育如圖1。

圖1 頂板導水裂隙的發育

從圖1中可以看出，在工作面6 m采高的條件下，頂板導水裂隙的發育高度與工作面開采的推進距離呈現非線性的關系。對圖1中的數據進行多階擬合，如圖2所示，得到導水裂隙帶的擬合公式：y=3e-7x4-2e-4x3+3.92e-2x2-2.223 8x+41.83，式中y表示導水裂隙帶的高度，x表示工作面推進的距離。

圖2 頂板導水裂隙發育高度擬合

分析頂板的導水裂隙發育可知，在回采的初期階段，導水裂隙帶的發育較慢，推進到100 m時，導水裂隙帶的高度上升加劇，隨著推進距離的增加，當推進160 m時，導水裂隙帶的發育開始減緩，并逐漸穩定在95 m。此時，8407工作面的導水裂隙帶的最終高度約為95 m，超出了隔水層的78 m厚度[5]，需對頂板的砂巖水進行探放水作業。

2 頂板探放水技術分析

對8407工作面進行探放水作業，基于工作面所處的地質條件，在作業過程中要設計較多的打孔位置，穿透含水層，并且打孔的方向要垂直于水位的等高線，從而可以增加含水層之間的穿越距離。探放水的位置應選取勘探分析確定的富水區域，特別是褶皺構造的軸部、斷裂的發育地帶及陷落柱的發育位置等異常的富水區域[6]。

對8407工作面進行地面電磁勘探，確定工作面的異常富水區，得到如圖3的煤層砂巖水富集區域，所在圓圈的位置即為8407工作面。頂板含水層的鉆孔影響半徑為60 m，頂板進行探放水的鉆孔間距約為120 m，垂直探放水高度為95 m。

圖3 礦井砂巖水富集區示意圖

從圖3中可以看出，礦井內的富集水區域主要集中在工作面的北部及西南區域，中部位置的裂隙發育較弱。8407工作面受到K8、K10砂巖水的影響，對其進行鉆孔及探放水作業，依據工作面的地質分布，選取鉆孔布置如圖4。

圖4 工作面鉆孔布置示意圖

進行探放水鉆孔作業施工過程中，嚴格依據設計要求進行鉆孔定位，進行鉆孔作業前，剩余超前距離保證不小于30 m。對工作面迎頭進行標準化的檢查作業，保證迎頭的潔凈有序，從而保證鉆探作業安全順利進行。在進行鉆孔時，依據鉆孔位置的實際情況，對超前的鉆孔參數進行補充調整，并詳細記錄各項變更參數，便于對探放水作業進行統計。同時，在進行探放水作業過程中，要采取相應的技術措施，對出水量及巷道內瓦斯變化情況進行監測，保證施工作業的安全。

通過圖4看出，對工作面進行探放水作業，共設計有23個位置進行鉆孔作業，鉆孔直徑60 mm，鉆孔深度為100 m，掘進進尺70 m，預留30 m安全距離，鉆孔深度不足100 m時，允許掘進進尺為鉆孔深度減去30 m安全距離的深度。進行現場鉆孔排除水害隱患的同時，對不同鉆孔位置的出水量進行統計，數據顯示位于褶皺軸部位置的鉆孔其探放水量較大，通過地面勘探確定的富水區域中，一處鉆孔位置位于地面斜軸部位置的出水量較大，其余位置的出水量較小或無水。8407工作面進行探放水作業共計水量為240 m3/h，大于測量估算的正常涌水量180 m3/h，這是由于工作面處于礦區的底部位置造成的。進行探放水作業中，進行鉆孔的中前期涌水量較多，而鉆孔后的涌水量減小明顯，說明8407工作面的頂板砂巖水以靜態存水為主，沒有較大的動態水補給，呈現中前期大、后期少的趨勢。

3 結論

（1）8407工作面的地形復雜，頂板砂巖水含量較高，在工作面6 m采高的條件下，對工作面導水裂隙帶的發育高度進行擬合，確定工作面推進距離為160 m時，導水裂隙帶的穩定值為95 m左右。

（2）導水裂隙帶的高度大于隔水層的厚度，采用地面電磁勘探對礦井內的富水區域進行探測，確定富水區域主要集中在礦區的北部及西南部位置，8407工作面主要受到K8、K10砂巖水的影響。

（3）對工作面采取探放水作業，共進行23處鉆孔作業，通過探放水作業，確定工作面主要以靜態水存儲為主，褶皺區域的軸部及斜軸位置的儲水量較大，探放水作業中的涌水量呈現中前期大、后期少的趨勢。