超千米埋深巷道淋水水源及变形机理分析

2012-03-12钱增江戚春前

采矿与岩层控制工程学报 2012年3期

钱增江，戚春前，朱斌

(1.开滦赵各庄矿业有限公司，河北唐山 063101;2.神华乌海能源有限责任公司，内蒙古乌海 016000;3.桂林理工大学广西地质工程中心区重点实验室，广西桂林 541004)

超千米埋深巷道淋水水源及变形机理分析

钱增江1，戚春前2，朱斌3

赵各庄矿在－1100m水平开采过程中，在150m范围的岩巷内出现了顶部淋水和底鼓严重变形的现象。论文从开采破坏机理、地质条件、水压、水质4个方面对巷道淋水水源与变形机理进行了分析研究。结果表明，超千米巷道由于开采深度、应力集中造成水文地质条件的变化已不同于浅部，在导致煤层底板地应力重新分布，巷道围岩发生变形的同时，还会造成奥灰水对上部砂岩裂隙水的间接补给，一旦有大型构造发育，将会造成与奥灰水的直接导通，引发重大灾害。

超千米;淋水;变形机理;应力集中

Analysis of Water Dripping and Deformation Mechanism in 1000m Depth Roadway

开滦赵各庄矿已延伸至十四水平，埋深达1254m，是全国最深的矿井之一。水文地质条件属极复杂型，受煤层底板高压奥灰水和多层煤系含水层威胁。随着开采水平向深部转移，开采遇到水压高、矿压大、构造复杂等诸多威胁矿井安全的难题。开采煤层受底板高压奥灰水威胁的程度日趋加大。在十三水平东翼一石门的开采过程中，石门以西巷道出现顶部淋水和底鼓严重变形现象，给矿井生产形成了极大压力。对巷道淋水水源和变形机理进行研究，对指导矿井的安全生产具有重要的现实意义。

1 概况

1.1 区域地质及水文地质条件

赵各庄矿十三水平东翼一石门区域处于井田东翼倾斜区，地层倾向为210～215°，倾角25～34°。巷道、风道开拓施工层位均在赵各庄灰岩 (K6)～唐山灰岩 (K3)之间。各层位情况详见表1。

十三水平的含水层主要为砂岩裂隙含水层、奥灰岩溶含水层。巷道的充水因素主要包括地质构造和深部采掘活动等因素。砂岩裂隙含水层以煤系地层K6灰岩薄夹层－12煤间浅灰色中、粗砂岩层为主，地下水赋存类型为裂隙型。其中以5，7煤顶板含水性较强，9，12煤底板较弱。随着开采活动的进行，煤系地层含水层涌水在矿井涌水量中所占得比重逐步增加。奥灰岩溶裂隙含水层为煤系地层基底，距最下一个可采煤层 (122煤层)105～140m，岩溶裂隙发育，水力联系好，水压高，对煤层开采构成很大威胁［2］。

表1 赵各庄矿十三水平东翼地层情况

本区发育有东Ⅶ、东Ⅷ两条断层。总体上表现为拉开正断层，一般均表现为单一断层面。十三水平东Ⅶ断层已向西延展至井口煤柱区域内，在井口中石门揭露时落差较小，在十三水平巷道、风道通过断层延长区域时未见，说明该断层没有往深部层位发展;东Ⅷ断层进入十三水平后，在风道、巷道开拓工程及采掘工程中均未见，仅局部出现煤层产状变化、裂隙发育。本次出水地点位于东Ⅷ断层及其分支的影响带内，前期勘探结果显示该断层不含水也不导水。

1.2 区域开采情况

本区为赵各庄矿十三水平东翼首采区，工作面位于十三水平东一石门上方60m。主要开采煤层为121及下伏122煤层。121煤层 (3122工作面)于2003年12月回采完毕，122煤层从2003年7月9日开始掘进，2004年5月进入回采。8月8日开始，巷道变形底鼓加剧，同时巷道淋水增大。8月18日停止了采掘活动。当时3132西1面、西2面已收尾，西3面残余长度50m，3132东1面、东2面已经回采完毕，东3面已经开始回采，残余长度220m。具体采掘布置见图1和图2。

图1 区域采掘工程布置

图2 A－A 剖面

2 淋水区域水量、水压变化情况

2.1 淋水区域水量变化情况

2006年7月27 日最初巷道淋水区域水量为0.02m3/min，之后淋水逐渐增大，范围逐渐扩展，到8月21日淋水范围扩展到1石门至石门以西150m处，总水量为1.2m3/min，之后淋水区总水量一般在1.1～1.6m3/min之间，水量基本稳定(见图3)，并且淋水范围没有变化。从2006年9月以后淋水区总水量开始减小，目前总水量稳定在1.0m3/min左右。水量较大的钻孔都集中在3132西面采动影响范围内，并且终孔位置都在13东巷道侧向或侧下，而周边区域无论钻孔层位深浅其水量均较小。

2.2 钻孔水压变化情况

图3 淋水区域总涌水水量变化曲线

在十三水平东1石门以西巷道发生顶部淋水增大以后，先后对相邻区域的十三水平西原2石门配电室 (孔深130.2m，终孔层位K1底)、十三水平西3道半 (孔深178.28m，终孔层位进入奥灰0.6m)、十三水平东1～2石门之间3个 (其中2个无水，1个孔深196.00m，终孔层位K1板)奥灰孔，十三水平东1石门以里下探孔进行水压观测，其结果在0～0.2 MPa之间。十三水平东1石门以东30m处平探奥灰孔水压从2006年8月15日进行观测，为2.9MPa，到8月24日最大为3.89 MPa，之后逐渐下降，到8月26日至9月3日期间稳定为3.58～3.70 MPa之间。对十三水平东1石门以东70m处下探孔水压从8月12日进行观测，为2.6MPa，到8月18日最大为3.70 MPa，之后逐渐下降，到8月26日至9月3日期间稳定为3.2～2.9 MPa之间。从总的情况看，两钻孔水压到达一个最高值后开始逐渐下降，并趋于稳定。具体变化情况见图4、图5。

图4 十三水平东1石门以东30m孔水压变化曲线

图5 十三水平东1石门以东70m孔水压变化曲线

3 巷道变形情况

2003年，在煤层开采过程中，十三水平东1石门附近巷道已变形，曾多次进行卧底，该段巷道自开拓移交以来，底鼓量达700mm。2004年5月，随着采面由西向东推进，巷道底鼓加剧，石门以西15～150m范围，底鼓量达260mm，并伴随巷道变形破坏、淋水加大，尤其90m左右巷道底鼓、变形最为严重。2004年8月13日开始对该区域进行变形监测。布设8组观测点对巷道的底鼓、巷宽、巷高和巷顶以及巷道两帮所设监测点的高程变化进行观测。观测数据显示，13日至20日十三水平东1石门以东50～100m变形比较严重。在117m位置所设的观测点观测结果底鼓最严重，底鼓值为73mm，巷道宽度缩小了20mm。从8月21日至9月19日变形观测数据显示，此范围内的巷道变形趋于缓慢，底鼓值最大为29mm，巷道宽度缩小了4mm。从9月20日至10月23日变形观测数据显示，1石门以西92m处底鼓最为严重，累计底鼓28mm，其他区域巷道变形缓慢。

4 淋水水源分析

4.1 地质情况分析

本区域地层产状、层位正常，无突变现象，122煤层至奥灰 (O2)顶界面间距为132.9m，属正常间距。根据已有地质资料，作为本区域的2条主要断层东Ⅶ、东Ⅷ，其主干断层面在十三水平均未延伸至122煤层以下的层位，因此，可以认为这2条断层对122煤层底板隔水层完整性的影响较弱，但会造成深部区域局部裂隙比较发育。采掘工作面内揭露的断层，落差普遍较小，不会对煤层底板完整性构成较大破坏。但由于十三水平大巷处于14煤－唐山灰岩 (K3)弱含水层之中，受采动逐渐影响，特别是122煤层的放顶煤影响，使122煤层以下至K3之间层位的原有裂隙连通性加强。

4.2 水压分析

从水压观测结果来看，水压大于2.0MPa的钻孔都集中在十三水平东1石门附近，在区域开采过程中水压逐渐加大，最大水压为4.7MPa，并且终孔层位都在K2灰岩附近。砂岩裂隙水压一般小于1.0MPa，而周边区域无论钻孔层位深浅其水压都在0～0.2MPa之间，说明十三水平东1石门附近钻孔水压大与同层位水压关系不大，在纵向上与底部奥灰含水层产生了联系。另外，十二水平东1石门西回风巷90m和30m处钻孔施工后，十三水平东翼以东30m处平探奥灰孔、70m处下探孔水压都有所减小，说明该两孔在水压方面与十三水平东1石门淋水区有较大联系。

4.3 水质分析

十三水平巷道水量增大后，相继取水样150次进行水质化验。将巷道淋滴水、附近钻孔水分别与上水平奥灰水水质进行了比较。上水平奥灰水水质:钙离子含量在60.85%～68.40%之间，镁离子含量在24.18%～30.27%之间，硝酸根离子含量在8.14%～12.45%之间。水质类型为重碳酸钙镁或重碳酸钙型，钙离子含量较高，硝酸根离子(NO3－)大于 8% 。

十三水平巷道淋水水质:在2005年7月27日刚出现淋水时，钙离子含量为38.16%，镁离子含量为42.44%，硝酸根离子含量为0%;从8月17日以后，钙离子含量在37% ～52.3%之间，含量有所增加;镁离子含量在42.08%～50.82%之间，硝酸根离子含量增加到1.03%～4.01%之间。通过分析对比发现，淋水不属于真正的奥灰水，基本可以排除出水水源直接奥灰水补给。但其硝酸根离子含量又明显高于砂岩裂隙水中的含量 (正常为0.02%左右)，说明淋水区水源有奥灰水间接渗透、参与。

另外，从十三水平1石门东30m水平、十三水平1石门配电室、十二水平1石门西回风巷90m处、30m处新施工的探测孔水质分析，其水质变化趋势与十三水平东巷道1石门以西淋水基本一致，说明上述各孔出水也有奥灰水间接渗透、参与。其他钻孔水质基本无变化，属砂岩裂隙水。

4.4 综合物探结果分析

采用高分辨矿井电法及瞬变电磁技术，对赵各庄矿十三水平东1石门附近巷道变形淋水段进行了综合物探。

(1)高分辨电法测深资料显示，测量巷段内存在4处低阻异常。其中，1号、2号异常在淋水巷段内，低阻富水区域主要分布在巷道底板以下60m以浅，对应地段深部奥灰岩层富水性较弱。因此，异常区与奥灰含水层无直接水力联系。

(2)瞬变电磁在十三东1石门巷道北帮共进行了侧方、斜下、斜上3个方向的探测。探测资料显示，在包括出水巷段在内的总计540m巷段内，视电阻率曲线层状反映明显，整个测段内未发现奥灰水集中过水通道存在。此外，巷道斜上和斜下对比测量资料显示，侧上方岩层视电阻率明显高于侧下方，分析认为是经过一段时间淋水顶、底板岩层差异性疏水造成的。

综合以上对淋水段地质条件、钻孔水压、水质以及异常区探测分析，由于十三水平东翼首采区较为特殊开采条件，导致122煤层底板至巷道之间地应力重新分布，巷道围岩发生变化，裂隙发育，奥灰水间接微弱渗入，从而引起巷道所处层位的水量、水压加大，导致巷道淋水，淋水水源不属于真正的奥灰水，但有奥灰水间接渗透、参与。

5 巷道变形机理分析

一般而言，煤矿开采过程中，巷道围岩中引起的采动应力达到原岩应力的2～6倍时，容易造成巷道严重底鼓［4－5］。从生产布局来看，除回采工作面的采动对下伏巷道有一定影响外 (周期来压步距26.30～32.30m)，原有巷道施工后也会造成巷道围岩压力重新分布。同时，赵各庄矿十三水平区域西边界为井口煤柱、采区上山煤柱 (上山煤柱留设为40～66m)、采区西二面内因构造影响跳采，所留下的煤柱等各类煤柱的存在、造成了本区域应力集中。而且，十三东1石门西翼采用放顶煤开采，开采强度大，造成采动压力增加，也是导致巷道出现底鼓和变形的因素。本次巷道底鼓现象，具备了大采深、高应力、采动及地下水渗流等诸多不利因素，是各种影响因素的综合体现，其中采动条件下导致的地下渗流的影响应是本次巷道变形的主要因素。目前巷道变形量不明显，主要原因是巷道变形区域的采掘活动已结束，采动压力逐渐减小。