某煤矿10＃煤层底板奥灰突水防治探讨

朱晓明

（1.山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045；2.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024）

某煤矿10＃煤层底板奥灰突水防治探讨

朱晓明1，2

（1.山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045；2.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024）

摘 要某煤矿10＃煤层底板标高为370～620 m，奥灰水位为517.88～520.96 m，低于奥灰岩溶水水位标高，奥灰含水层富水性强、水量大，属于强径流区。10＃煤层底距奥灰界面平均距离只有34.81 m，奥灰岩溶水成为煤层底板突水的主要水源。介绍了底板突水的几个通道，分析了对应底板突水的几种防治水措施，最后采用回采工作面斜长缩小、隔水岩段隔水层加固与含水层改造、地面帷幕注浆截流与井田内疏水降压联合工作的防水措施，最终实现煤层在承压下的安全开采。

关键词底板突水；隔水层；疏水降压；注浆堵水

随着煤层开采水平的延深，煤层底板突水对越来越多的煤矿安全生产造成威胁。底板突水灾害是常见的矿井灾害，其突水水量可高达每分钟几十、几百，甚至上千立方米。像开滦范各庄矿1984年2171采煤工作面，实际高峰突水水量达2 053 m3／min，矿井即刻被淹，造成重大经济损失。某煤矿目前开采下组的太原组10＃煤层，主要充水含水层为奥陶系（O2f）灰岩岩溶含水层，其水位标高高于10＃煤层底板，煤层底板至奥灰界面平均厚度仅30多m，存在奥灰水突水危险。为了有效防止奥灰突水事故发生，实现煤层在水压下的安全开采，对矿井内的水文地质勘查成果、奥灰含水层的富水性及水文地质特征等情况进行分析研究，提供矿井奥灰突水防治的技术方法。

1　水文地质概况

矿区为侵蚀的低山丘陵地貌，地表河流为季节性河流。主要含水地层为：第四系全新统松散岩类孔隙含水层组、二叠系砂岩裂隙含水层组、太原组层间灰岩裂隙岩溶含水层组、奥陶系中统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组。开采10＃煤层的直接充水含水层为太原组的K2灰岩，间接充水含水层为奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层，属强富水性含水层，静水水头高于煤层底板，对矿井突水影响大。区内断裂构造较发育，含水层之间局部地段存在水力联系，使矿区内的水文地质条件变的复杂。

2　底板突水水源

矿区开采下组的10＃煤层，其下含水层为奥陶系峰峰组含水岩组，井田内奥灰水位标高为517.88～520.96m，煤层埋深标高为370～620m.10＃煤层底板至奥灰界面之间平均距离只有34.81 m，单位涌水量为1.247～1.401 L／s·m，奥灰水含水层属强富水性。煤层底板突水水源主要是奥陶系峰峰组含水岩组。该矿区内水文孔抽水试验成果见表1.

3　底板突水通道

3.1底板隔水层突水

矿区隔水层原生沉积厚度是不可改变的，底板采动诱发的采动裂隙是构成底板承压水进入矿井的主要通道之一，按“突水系数法”分析判断，底板隔水层承受的水压大于临界水压时，会发生底板突水。10＃煤层底距奥灰界面平均距离只有34.81 m.揭露钻孔中煤层底板至奥灰界面距离只有29.05 m，底板采动诱发的采动裂隙有导通到奥灰界面的危险。

表1　水文孔参数统计表

3.2岩溶陷落柱、封闭不良导水钻孔

岩溶陷落柱、强导水钻孔（位置偏斜难定时）是导致煤层底板水害事故发生的重要导水通道。充水含水层在正常情况下存在一个背景水位（压）值，如果发现在一定范围内存在异常的高水位区，往往是陷落柱或强导水钻孔影响控制的结果。

3.3断裂带型突水切割较深或隐伏在底板的断层

受底板强充水含水层威胁的大中型矿区，断裂带型突水是煤矿防治水工作一项长期性工作。井田内断层较发育，落差最大达45 m，部分断层可以切穿下部的奥灰含水层，使奥灰含水层与煤层相通。2011年在上仓皮带巷主井底煤仓口下山巷处，导通了断层水，水量达到170 m3／h，采区处理后水量稳定在150 m3／h.通过取水对比水质化验结果，确定突水来源为奥灰峰峰组水。水质特征表见表2.

表2　水质特征表

4　底板突水防治措施

4.1合理选择采煤方法

煤层开采首先开采带压相对小的采区，合理确定采区工作面的斜长、宽度，越小则回采相对越安全，合理确定工作面边界和推进方向。一采区位于矿区的中南部，处于不带压和带压相对小的区域。底板采动导水破坏带深度采用回归分析，考虑采深、倾角和工作面斜长，采用下述统计公式：

式中：

L—壁式工作面斜长，m.

按不同工作面斜长计算结果如下：

1）工作面斜长按120 m，计算得出煤层采动底板破坏深度为13.65 m.

2）工作面斜长按150 m，计算得出煤层采动底板破坏深度为16.89 m.

3）工作面斜长按180 m，计算得出煤层采动底板破坏深度为20.12 m.

4）工作面斜长按200 m，计算得出煤层采动底板破坏深度为22.28 m.

考虑到煤层底板距奥灰界面的距离因素，工作面斜长为120 m，煤层开采时相对安全。

4.2确定承压水上采煤的安全临界水头值

回采工作面安全水头值的计算：

式中：

Ts—突水系数，MPa／m；

P—底板隔水层承受的水头压力，MPa；

M—底板隔水层厚度，m.

矿井未做安全临界水压试验，本次按《煤矿防治水规定》隔水层完整无断裂构造破坏地段0.1 MPa／m，根据井田内施工钻孔计算最大突水系数为0.047 MPa／m.正常块段开采时能保证在安全临界水头下开采。

4.3隔水岩段隔水层加固与含水层改造

煤层底板隔水层原生沉积厚度是不可改变的，隔水层厚度不大，且隔水层的岩性为软弱－中硬，岩石较破碎，减弱了岩石的抗承压水突水的能力。针对这个问题，煤矿易采用在采掘和回采中对隔水层底板进行注浆加固，对其底板直接充水含水层进行改造，达到煤层安全开采的目的。

4.4堵截水源

矿井底板充水含水层径流强、水量大，水源主要为上游补给区的水径流补给。矿区防治水在地下水上游采用地面帷幕注浆截流方式，使水流绕过矿区，同时矿区井下进行疏水降压工作，保证煤层在安全水压下开采。

4.5井下防、治水措施

运用地下水动力学理论，利用“大井”法对一采区的奥灰岩溶水突水量进行粗略的预测。采用承压完整井计算公式：

式中：

Q—突水量，m3／d；

K—含水层渗透系数，m／d；

M—含水层厚度，m；

S—水位降深，m；

R0—引用影响半径，m；

r0—突水通道等效半径，m，假定等效半径为1.5 m.

R0＝R＋r0，R采用经验公式R＝10 S计算。利用已施工钻孔成果预算奥灰突水量结果见表3.

表3　奥灰岩溶水突水量预算成果表

井下矿井设置的强排水系统满足最大矿井涌水量540 m3／h，10＃煤层奥灰突水的涌水量为436 m3／h，设置的强排水系统能满足采区发生奥灰突水的排水量的需要。

4.6疏水降压

疏水降压开采分为疏干和降压两种。井田内10＃煤层隔水层的阻隔水能力不够，煤层底板受承压水威胁大，且承压水富水性强、水量大。单独进行疏水降压工程量大，不经济，可以与帷幕注浆结合进行。

4.7注浆堵水

矿井一旦发生突水灾害，就必须进行注浆堵水。注浆材料选用双液浆加骨料。首先要确定突水点的位置，其次选择注浆堵水的部位，最后布置注浆钻孔。

5　结 论

井田处于郭庄泉域的强径流区，奥灰水位标高高于10＃煤层底板标高，奥灰水流向由西北向东南方向。井田内水1、水2水文孔峰峰组抽水试验结果显示奥灰含水层属强富水性，水量大、岩石破碎，局部发育有小溶洞，裂隙发育不规则。煤层底板隔水层厚度小、岩石较软、破碎。井田内断层、陷落柱较发育，落差几米到几十米不等。综合以上地质条件，井田底板的突水防治可以优先采用减小回采工作面斜长来减小带压开采危险，其次为对底板隔水岩段隔水层注浆加固与含水层改造，再为地下水上游采用地面帷幕注浆截流与井田内疏水降压联合工作的方法，最终实现煤层在承压下的安全开采。

参 考 文 献

［1］ 庞玉峰，张怀松，刘玉良，等.煤矿防治水综合技术手册［M］.长春：吉林音像出版社，2003：27－28.

［2］ 李曦滨，常 辉.山西省霍州矿区水文地质条件及矿井充水条件分析［J］.中国煤田地质，2007，19（2）：34－37.

中图分类号：TD475＋.2

文献标识码：B

文章编号：1672－0652（2015）02－0047－03

收稿日期：2015－01－03

作者简介：朱晓明（1983—），男，河北武邑人，2006年毕业于河北工程大学，2012年太原理工大学在读在职研究生，工程师，主要从事地质勘查及研究工作，（E－mail）a20022680117＠163.com

Study of Ordovician Limestone Water Inrush Prevention in A Coal Mine No.10 Coal Seam

ZHU Xiaoming

AbstractA coal mine No.10 coal seam floor elevation is370～620 m which is below ordovician limestone karst water level elevation of which is 517.88～520.96 m.The ordovician limestone aquifer water yield property is strong and the water is rich，which belongs to strong runoff zone.The average distance from No.10 coal seam bottom to ordovician limestone interface is only 34.81 m，the ordovician limestone karst water becomes the main source of water inrush from coal seam floor.Introduces the several channels of floor water inrush.Analyzes the several corresponding water control measures of floor water inrush.Finally adopts the unite water control measure which are decrease the mining face inclined long，the aquiclude of water resisting rock section reinforcement，aquifer transformation，ground curtain grouting closure and hydrophobic buck in field.Eventually achieves the safe mining of coal seam under the pressure.

Key wordsFloor water inrush；Aquiclude；Hydrophobic buck；Grouting for water blocking