礦井涌水量預測及防治水建議

崔耀明

（山西鄉寧焦煤集團通合煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

煤炭資源在推進國家經濟發展過程中扮演至關重要的角色，然而伴隨著多年的開采，開采難度越來越大，賦存地質構造也越來越復雜。含水層、老窖水以及采空區積水等水源對煤礦安全生產帶來巨大隱患，影響到煤炭資源的開采生產工作[1-2]。準確地預測礦井涌水量，是后期生產中的排水防水設施進行合理安排、制訂相應排水方案的前提條件，也是煤礦安全生產和提高經濟效益的重要保證。本文結合山西省某煤礦進行實例分析，為今后水治理提供了針對性意見。

1 工程概況

1.1 地質構造情況

山西省某煤礦14152（以下簡稱14152）綜放工作面位于太行山脈西側，煤層頂板到地面的垂直厚度約為180～152 m，井下與地面相較于基礎面標高分別為739～809 m、919～968 m，地面無水體、建筑等，均為植被覆蓋區與耕種區。14152 工作面南側為運輸巷道，北側為安全煤柱，東側采空區，西側為基礎工作面。該工作面長為302.7 m，區段運輸平巷長1 235 m，區段回風平巷可采長度1 209 m，15 號煤層平均長度為1 222 m，平均煤層厚度為3.0 m，夾矸總厚度為0.34 m；最低傾角為2°，最高傾角7°，煤層平均傾角3°，煤層頂部部分區域存在溶洞及破碎現象，已探明可采煤炭儲量約209 萬t。14153 工作面回風平巷斷面為4 m×3.5 m 的矩形，方位角92°，巷道掘進作業中每間隔150 m 布設一個規格為4 m×4 m×3 m的鉆場。14153 工作面回風平巷與14152 工作面運輸平巷兩巷道之間凈煤柱約20 m。該工作面頂板、底板圍巖情況見表1。

表1 某煤礦14152 工作面圍巖情況表

1.2 水文情況

14152 工作面地表為荒山、荒溝、荒丘等地貌特征，無水體存在，平均厚度約為168 m。進入雨季后，因地面持續積水滲水，同時采空區雨水積聚，導致15號煤層上部含水層富水性加強，出現部分煤層老頂K2 灰巖富水情況，礦井水文地質條件中等（受采掘破壞或影響的孔隙裂隙，溶隙含水層補給條件一般，且有一定的補給水源）[3]。預計該工作面正常水流量為3 m3/h。

2 礦井涌水量預測與分析

常用的礦井涌水量預測方法有富水系數比擬法、垂直滲流-側向徑流法、地下水數值模型法、灰色系統理論、時序分析法等，目前富水系數比擬法研究進展迅速，且預測準確率高[4-5]。本文結合14152 工作面冒落帶與導水裂隙帶測量參數，利用富水系數比擬法對該礦井涌水量進行預測分析。

2.1 導水裂隙帶與冒落帶觀測方案設計

根據14152 工作面現場實際條件以及此次觀測的時間要求，確定導水裂隙帶高度觀測點設置在該工作面附近14153 工作面回風平巷中。

2.1.1 導水裂隙帶觀測孔

14152 工作面15 號煤層平均厚度3 m，根據現場分析，在14153 工作面回風平巷觀測點設置了2 個導水裂隙帶，在實際觀測中，必須嚴格控制觀測流速和精確度；通過對鉆孔觀測數據分析，可以計算出導水裂隙帶高度。如果所觀察到的數據錯誤或誤差較大，則必須重新觀測。

2.1.2 導水裂隙帶對比孔

若已布設的導水裂隙帶觀測孔獲取的觀測數據無法反映出其發育高度，則應在尚未掘進的位置重新設置觀測孔洞，作為導水裂隙帶觀測對比孔。最后，結合導水裂隙帶觀測孔與對比孔數據，可推算得出較為準確的導水裂隙帶高度。

2.1.3 冒落帶觀測孔

沿14153 工作面回風平巷到14152 工作面鉆冒落帶觀測孔2 個，要求兩孔傾斜。因鉆孔需要穿越14152 工作面采空區上部的破碎巖層，所以在完成鉆孔后需用高壓水沖孔，并在鉆具撤離后盡快開展觀測工作，以避免出現破裂的巖體和不規則孔壁對觀測造成影響。在鉆井過程中，對鉆機的卡鉆、鉆速等也需進行詳細的記錄。

導水裂隙帶觀測孔、對比孔與冒落帶觀測孔相關參數如表2 所示。

表2 14153 工作面導水裂隙帶與冒落帶觀測孔參數表

導水裂隙帶觀測孔、對比孔與冒落帶觀測孔布設刨面示意圖如圖1 所示。

圖1 14153 工作面導水裂隙帶與冒落帶觀測孔布設刨面圖

2.2 觀測結果分析

將觀測孔觀測數據通過GMS 軟件分析可得，該導水裂隙帶發育高度為41.99 m，因該工作面15 號煤層平均厚度3 m，計算可知裂采比為13.99。對冒落帶高度觀測兩鉆孔（4 號鉆孔與5 號鉆孔）孔壁微觀分析，發現兩鉆孔中巖層都存在著明顯的斷裂分區，并且兩個鉆孔的斷裂區域對比明顯。根據冒落帶高度觀測兩鉆孔全長測段孔壁裂隙分布，計算得出冒落帶上部邊界分別為4 號鉆孔孔深35.7 m，5 號鉆孔孔深30.3 m。結合現場測量鉆孔軌跡，兩鉆孔實際傾角為：4 號鉆孔21.83°，5 號鉆孔27.42°。計算可得14152工作面兩鉆孔冒落帶距煤層垂直距離：H4=35.7 m×sin21.83°=13.28 m，H5=30.3 m×sin27.42°=13.95 m。

由上述計算結果可知，冒落帶發育高度實際值約為13.95 m。

結合上述14152 工作面冒落帶與導水裂隙帶測量數據分析結果，利用水文地質比擬法進行涌水量預測計算：

式中：Q 為礦井涌水量；P 為同時期內礦井開采量，Kp為裂采比擬系數。

計算可得結論：該煤礦14152 工作面正常生產情況下，15 號煤層產量為每小時90 萬t，此時礦井平均涌水量預測值為10.13 m3/h，最大涌水量預測值為12.96 m3/h。

3 礦井防治水建議

通過對14152 工作面冒落帶與導水裂隙帶觀測數據分析，結合礦井涌水量的預測結果，提出下列防治水措施保障該工作面安全生產：

1）加強地面監測，并安排專業人員及時對塌陷裂縫特別是溝壑內裂隙進行填充，防止地表積水滲入。

2）定期開展礦井及周圍區域內采空區積水調查與治理工作。

3）配備符合工作要求的防治水技術人員并配置專業探放水設備，加強培訓，提高其防治水技術水平。嚴格落實“有掘必探、先探后掘”原則，堅持掘進作業前進行探放水，防止透水事故發生。嚴格按照礦井設計留設防水煤柱。

4）對主排水系統、抗災排水系統和工作面排水系統進行定期維護，確保排水作業可以正常進行。用于排水的電力輸送線路，也須定期進行檢修。

5）礦方應按照應急管理部2022 年《煤礦安全規程》相關要求，對該煤礦14152 工作面15 號煤層因開采產生對導水裂隙帶高度開展實測。同時應制定水災事故應急預案。

4 結語

含水層、老窖水以及采空區積水等水源對煤礦安全生產帶來巨大隱患。根據統計表明，在煤礦井下水災害事故發生頻率僅低于瓦斯爆炸與頂板塌陷事故，而因水災害事故導致的傷亡人數大于瓦斯或頂板事故。本文對某煤礦14152 工作面導水裂隙帶與冒落帶相關數據進行實測，預測涌水量并針對該煤礦實際提出防治水建議，對綜采工作面安全生產具有重要意義。