双马煤矿首采工作面防治水研究探讨

摘 要：文章针对双马煤矿首采工作面水文地质条件和工作面开采可能受到的水害原因进行了分析，结合周边矿区工作面疏放水经验，对首采工作面防治水技术工作进行研究探讨，通过防治水方案的实施有效解决含水层水对开采的影响，确保了矿井安全生产。

关键词：首采工作面；防治水研究；探讨

1 矿井概况

双马煤矿是宁东煤田马家滩矿区新建的三个矿井之一，矿井设计生产能力为4.0Mt/a，设计可采储量为539.81Mt，服务年限为96.4a。井田内可采煤层11层，其中主要可采煤层共6层。根据开拓布置，矿井一期布置3个井筒，分别为主斜井、副斜井、回风斜井，其中主斜井、副斜井进风，回风斜井回风。矿井首采工作面为I0104103工作面。

井田内构造总体为NNW向，断裂、褶曲发育，规模较大。区内煤层的赋存形态以周家沟于家梁背斜和长梁山马家滩向斜及鸳鸯湖冯记沟背斜为主体构造的背向斜相间的构造形态。区内断裂构造主要发育有F9断层、杜窑沟断层、李新庄断层、F1断层、F2断层、F5断层、马柳断层等253条断层。井田内地质构造属中等，局部偏复杂。I0104103工作面位于鸳鸯湖冯记沟背斜西翼，为单斜构造，并且切眼处标高低于停采线处标高，整个工作面回采期间为仰采。根据工作面巷道掘进揭露资料，工作面内部尚未发现断层，工作面西南部存在一条F1逆断层。

2 矿井水文地质条件

双马井田含水层组按岩性组合特征及地下水水力性质、埋藏条件等，由上而下划分为以下五个主要含水层组：第四系孔隙潜水含水层组（Ⅰ）、直罗组砂岩含水层组（Ⅱ）、2～6煤间砂岩含水层组（Ⅲ）、6～18煤间砂岩含水层组（Ⅳ）、18煤以下砂岩含水层组（Ⅴ）。

2.1 第四系孔隙潜水含水层组（Ⅰ）

本含水层组井田内广泛分布，沉积物为松散堆积，厚度0～24m，一般厚7m左右。岩性以风积沙为主，多为沙丘或冲积沙土，少量现代河床冲积砂层堆积，地下水主要赋存于风积～冲积层。含水层地下水补给以大气降水为主，部分人工开采或沿地层裂隙及风化破碎带补给下伏基岩含水层。

本含水层富水区主要分布于地形低洼地带，富水性弱，水位埋深2～30m，涌水量平均为0.06L/s、单位涌水量平均为0.0115L/s、平均渗透系数为0.057m/d。

2.2 侏罗系中统直罗组下段砂岩裂隙孔隙含水层组（Ⅱ）

本含水层组全井田内广泛分布，属干旱条件下的河流沉积相。上部为土黄、绿色、绿带紫斑、紫红色带绿斑及紫红色、砖红色的粉砂岩、细粒砂岩为主，夹薄层长石石英中粒砂岩及泥岩，上覆古近系红色粘土层，局部与古近系底砾岩直接接触。中部以灰绿色及灰绿带紫斑的粉砂岩、细粒砂岩为主，夹薄层中粒砂岩，富水性中等。下部为浅灰、灰绿色粉砂岩与石英长石粗、中、细粒砂岩互层。主要含水段为粗粒含砾长石石英砂岩（又称“七里镇”砂岩），泥、钙质胶结，胶结程度较差，具大型交错层理，局部地段裂隙发育，钻探上表现为钻孔漏水现象。本含水层是影响本井田煤层开采的主要含水层。含水层富水性为弱～中等，含水层厚度3.5～290.35m，平均厚度104.34m，其厚度变化规律表现为长梁山马家滩向斜轴部一带相对较厚，两侧周家沟于家梁背斜、鸳鸯湖冯记沟背斜轴部相对较薄。

2.3 2煤～6煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层组（Ⅲ）

本含水层组主要由三角洲平原相组成，岩性以灰、灰白色粉～细粒砂岩为主，夹有砂泥岩互层，岩性较致密，钙、泥质胶结，颗粒支撑。含水层厚度2.76～188.35m，平均厚度59.06m。根据含水层富水性、岩性组合特征及埋藏条件等，可划为上段（2煤～4煤之间）、下段（4煤～6煤之间）。平面上该含水层富水性西北部较强，东南部富水性弱，地下水由西向东迳流，东部地下水由南北向中部迳流。

2.4 6煤～18煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层组（Ⅳ）

本含水层组由三角洲平原相和河流冲积平原相组成。含水层厚度6.44～192.40m，平均厚度60.39m。其中6煤～12煤间含水层厚度相对较小，厚度6.8～77.59m，平均厚度28.67m；12煤～18煤间含水层厚度较大，岩性以灰、深灰色中、粗砂岩为主，分选性、渗透性中等，局部地段裂隙发育，厚度8.56～155.50m，平均厚度31.72m。平面上该含水层富水性西北部和东南部较强，中部富水性弱，地下水由西向东迳流，东部地下水由南向中部迳流。

2.5 18煤以下至底部分界线砂岩含水层组（Ⅴ）

本含水层组主要为河流体系的冲积平原相，整体呈现下粗上细的沉积特点。岩性特征表现为下部以灰白色砂岩为主（宝塔山砂岩），夹粉砂、泥岩，含水层厚度0.49～70.23m，平均厚度34.79m，具大、中槽状、板状交错层理。平面上该含水层富水性中南部较强，西部富水性弱，地下水由南向北迳流。

2.6 隔水层

双马井田侏罗系为陆相地层，岩性、岩相变化较大，垂向上具明显的沉积旋徊特征，岩性多为中细砂岩与粉砂岩、泥岩互层，特别是煤系地层各旋徊上部多由泥岩、粉砂岩或砂泥岩互层组成，岩性致密，和煤层本身形成良好的隔水层。较为稳定的隔水层有：直罗组底部砂岩含水层顶板的粉砂岩、泥岩为主的隔水层，各主要煤层及其顶底板泥岩、粉砂岩组成的隔水层。

3 矿井水害类型分析

根据《双马煤矿勘探地质报告》，首采工作面开采煤层为侏罗系延安组上部4-1煤，其直接顶板延安组地层，由三角洲平原相组成，岩性以灰、灰白色粉～细粒砂岩为主，夹有砂泥岩互层，岩性较致密，钙、泥质胶结，颗粒支撑，局部含水，4-1煤距直罗组含水层36.58～59.51m，平均49.50m；I0104103工作面上覆直罗组砂岩含水层厚度8.70～57.52m，平均厚度28.74m，厚度变化较大，总体分布规律为工作面南北两翼厚，中部薄，处于4-1煤导水裂隙带发育范围之内。本矿4-1煤开采主要充水水源来自煤层顶板直罗组下段粗砂岩（“七里镇”砂岩）含水层。

工作面涌水量预测：工作面采后总涌水量Q（m3）由静储量Qj（m3）和动储量（动态补给量）Qd（m3）两部分组成。

Q=Qj+Qd

对首采工作面回采300m范围内的动态补给量预测，采用直罗组底部含水层和4-1煤顶板以上延安组含水层混合抽水试验所得水文地质参数，计算对首采工作面回采300m范围后的动态补给量，计算的正常涌水量为187.51m3/h，最大涌水量为237.39m3/h。

当4-1煤回采过程中，顶板含水层静储量水进入矿井。根据4-1煤I0104103工作面的统计数据，含水层疏水面积总计687600m2，含水层厚度直罗组底部60.64m，延安组4-1煤以上25.73m，通过计算，双马煤矿I0104103工作面4-1煤以上含水层的静储量为：2055332m3。对I0104103工作面300m范围内顶板直罗组底部砂岩含水层和4-1煤顶板延安组含水层的总静储量、顶板初次来压步距（按60m考虑）范围内以及周期来压步距范围内含水层的静储量进行估算。工作面前300m范围内静储量为：378874.54m3。

4 矿井首采工作面防治水技术

4.1 I0104103工作面防治水目的和任务

I0104103工作面回采的4-1煤顶板距离直罗组粗砂岩含水层36.58～55.99m，平均49.50m，包括2～4煤间延安组含水层和部分隔水层，岩性以粉砂岩、细砂岩为主，夹有泥砂岩互层，间夹3-2煤和煤线，岩性较致密，钙、泥质胶结，颗粒支撑。2～4煤间含水层位于I0104103工作面的导水裂隙带影响范围之内，是工作面开采的直接充水含水层。

对2～4煤间延安组含水层和直罗组下段粗砂岩含水层进行提前疏放，减小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，实现“消峰平谷”，对I0104103工作面通过施工顶板水探放钻孔对煤层顶板的砂岩水进行疏放，以保证工作面在回采期间，顶板水不会对工作面对安全生产造成较大的威胁。

4.2 I0104103工作面钻孔布置

对于首采工作面，由于水文地质条件掌握程度不够，钻孔布置的主要目的是疏放4-1煤顶板延安组与直罗组含水层中的静储量，降低顶板水水压，疏放水钻孔施工的目的层为直罗组粗砂岩含水层顶部，在对直罗组粗砂岩含水层水疏放的同时，也对4-1煤顶板延安组含水层进行疏放。

由于双马煤矿未开展过煤层顶板水疏放工程，缺少疏放水经验，为了更好的开展工作面超前预疏放顶板水工作，将I0104103工作面距离切眼300m范围内作为顶板水疏放试验段，根据试验段疏放水情况及效果，对未来疏放水钻孔参数的优化提供依据。

煤层顶板水疏放试验段内（前300m）在风巷和机巷每隔100m设置一个钻场，每个钻场设计4个钻孔，均为上仰孔，终孔层位为直罗组下段粗砂岩含水层顶板；全面疏放水区域在风巷和机巷每隔100m设置一个钻场，每个钻场设计3个钻孔，均为上仰孔，终孔层位为直罗组下段粗砂岩含水层顶板。

各钻场钻孔深度、仰角、方位角、孔口管长度根据钻场进行布置。

机巷共计12个钻场，37个钻孔，钻孔总长5800m；风巷9个钻场，25个钻孔，钻孔总长3849m；切眼2个钻场，10个钻孔，钻孔总长1605m。合计72个钻孔，钻孔总长11252m。

4.3 离层水探放

临近矿区红柳煤矿2煤开采矿井充水水源同样来自其顶板侏罗系直罗组底部粗砂岩裂隙孔隙含水层。该矿工作面发生多次突水，经分析认为造成这几次较大突水的水源为顶板离层水。鉴于双马煤矿I0104103首采工作面顶板岩性组合与红柳煤矿相似，在延安组或者直罗组粗砂岩含水层中也出现了夹层隔水层，为了避免类似红柳煤矿离层水害的发生，考虑在I0104103工作面布置离层水钻孔。

结合临近矿离层水疏放经验分析，I0104103工作面离层水在距离切眼30～40m左右产生的可能性较大。因此I0104103工作面离层水的形成位置初步预计在距离机巷30～60m，距离切眼30～40m左右的区域。离层水探放钻孔要穿透直罗组底部粗砂岩含水层中夹层泥岩（或者隔水层）的顶部5m左右；平面上，最低点位置据机巷煤帮约30～60m范围。因此将离层水探放钻孔布置在穿过离层最低处。

钻孔施工时间一定要严格控制，施工时间不宜过早，否则离层空间尚未形成，如果施工时间过晚，不能在老顶垮落之前施工完毕，离层水会随着老顶垮落进入巷道，造成水害事故。建议在工作面回采之前可以先施工好止水套管，固管完毕等待工作面即将回采至离层水发育位置开始继续施工钻孔，具体施工时间可以根据现场实际情况调整。

4.4 老空水防治

I0104103工作面为仰采方式开采，因此采空区成为汇水区域，为了及时将采空区水经过联络巷排至I01采区边界泄水巷，主要采取以下措施：

4.4.1 保障采空区、联络巷至I01采区边界泄水巷畅通，可以采用在切眼位置处的联络巷搭木垛或者其他方法，避免煤层顶板垮落后堵塞排水通路，同时密切观测采空区水量的变化情况。

4.4.2 在I01采区边界泄水巷设置一个钻场，向采空区施工3个泄水钻孔，避免联络巷由于堵塞或者塌陷造成排水路线不畅，而使得采空区水位不断升高。钻孔布置以现场实测确孔钻孔位置、钻孔开孔和终孔坐标及其它参数。

4.4.3 在机巷与采空区交界区域设置临时排水系统，将联络巷或者泄水钻孔不能及时排走的采空区水通过临时排水系统的水泵和管路沿I0104103工作面机巷排至临时水仓内，然后通过经过井底甲水仓排至地表。

4.5 观测内容和要求

为了使得工作面回采过程受到的水害威胁降到最低，并为后续防治水措施和开采方式的优化提供必要的资料和参考，需要在回采过程对下列内容进行严密观测：（1）回采过程离层疏放钻孔水量观测；（2）提前预疏放钻孔水量、水压观测；（3）采空区涌水量观测；（4）顶板淋水变化异常现象观测；（5）矿压观测，掌握工作面初次来压、周期来压步距。

5 结束语

I0104103工作面试验段共施工的34个钻孔，通过近5个月的疏放，共计疏放水量79.11万立方米，试验段顶板含水层静储量约为37.89万立方米，从累计疏放水量和静储量的关系上分析，煤层顶板直罗组下段粗砂岩含水层和2～4煤间延安组含水层水得到了有效的疏放。现阶段顶板疏放钻孔残余总水量为243.5m3/h，试验段的正常动态补给量为187.91m3/h，最大动态补给量为237.39m3/h，所有钻孔残余总水量基本接近动态补给量，静储量已经得到了有效疏放，达到了顶板水疏放的目的，从最大程度上降低了顶板砂岩水对工作面安全回采所构成的威胁。

参考文献

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[2]煤矿防治水规定[Z].

[3]张荣立，何国维，李铎.采矿工程设计手册[M].煤炭工业出版社.

[4]贾悦谦.综采技术手册[M].煤炭工业出版社.

作者简介：张学明（1965-），男，宁夏银川人，工程师，神华宁夏煤业集团公司双马煤矿筹建处生产副处长。