侏罗系煤层工作面顶板涌水技术探析

摘 要：矿井涌水量的准确预测是矿井防治水工作的基础和依据，针对跃进煤矿2-1煤开采时的顶板水害问题，利用水文地质比拟法和解析法预测顶板砂砾岩的正常涌水量和最大涌水量，为水害的防治提供了可借鉴的技术保障，同时为其他类似水文地质条件的采区工作面的涌水量预测提供科学依据。

关键词：涌水量；比拟法；解析法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.060

0 引言

河南大有能源跃进煤矿目前主要在23采区和25采区生产，主采煤层为侏罗系2-1煤和2-3煤，最大开采深度大于900m，自2001年以来，频繁发生了顶板砂岩的突水事故，随着开采深度的增大，面临着越来越严重的顶板砂岩裂隙水水害威胁问题，以跃进矿25110工作面为典型，利用地质和水文地质资料分析工作面顶板水的突水特征，估算涌水量[1-3]，为工作面排水方案的制定提供了有力的科学保证。

1 工作面概况

跃进煤矿25采区主采2-1煤层，其顶板发育有大面积巨厚的侏罗系上、中统砂砾岩孔隙裂隙含水层，尽管接受浅部含水层和大气降水补给微弱，加之岩性结构致密整体上属弱含水层，但在局部构造裂隙发育地带存在富水条带，并且由于含水层储水空间较大，地下水静储量较丰富，生产过程中，当采动裂隙带沟通富水条带时，就会发生顶板滴淋水。

25110工作面位于跃进煤矿25采区东翼，采用综放工艺，与之相邻且地质和水文地质条件相似的25080、25090工作面，在回采过程中均发生顶板砂砾岩裂隙水（以下简称顶板水）突水现象，其中25080和25090工作面总涌水量分别为260万m3和8.8万m3，25080工作面曾因顶板突水而被迫停产，因此顶板水对矿井的安全生产威胁巨大。 25110工作面在地面瞬变电磁勘探时，已探测有4个富水异常区[4]，顶板水严重影响和威胁矿井的安全生产。

2 影响涌水量的主要因素分析

2.1 顶板冒裂带高度估算

跃进矿井2-1煤层直接顶板为泥岩，但是上覆老顶岩层属于细纱岩和砂砾岩，抗压强度高，顶板采用全陷落法管理。因此选用煤层覆岩为坚硬岩层类型公式进行计算顶板冒裂带高度：

25110工作面煤层厚度约11m，计算表明，采动冒裂带高度为81.3m，回采后将影响到上覆中侏罗系砂砾岩段含水层，预计采动过程中煤层顶板85m范围内的含水层中赋存水都将随着工作面的开采而涌入矿井。

2.2 充水水源分析

排除了大气降水、地表水和底板水后，经过系统分析认为其突水水源有两种：一是周边的老空水，主要是指东邻常村矿老空水；另一是顶板含水层水。根据收集及专门检测的水质资料并经系统分析，确定常村矿老空水的水质类型或为HCO3·SO4-Na·Mg型或为SO4·CL-Mg型，而跃进矿工作面突水的水质类型为HCO3-Na型，由此基本排除周边老空水的影响，又根据水文地质钻孔中所取的侏罗系中统砂砾岩含水层水样的水质化验资料，发现工作面涌水的水质类型与顶板含水层的相一致，所以可以确定顶板水害源自煤层老顶的砂砾岩层裂隙水。

据顶板冒裂带发育高度的预测及充水水源分析[5]，工作面顶板涌水水源应为顶板砂砾岩含水层，因此顶板涌水量仅为顶板砂砾岩含水层的涌水。

3 工作面涌水量预测过程

3.1 水文地质比拟法

根据25090工作面水文地质参数的矿井涌水量，通过相似比拟关系，近似地推算20110的涌水量。 25090工作面煤层顶板砂砾岩含水层存在富水条带，且发生了较大的突水，因此可以依据砂砾岩富水区的面积预测工作面的涌水量。水文地质比拟法预测工作面正常涌水量的公式为：

Q0——已知的工作面正常涌水量，m3/h；F——工作面富水区面积，m2；F0——已知的工作面富水区面积，m2。25090工作面富水区面积约为32040m2、正常涌水量60m3/h，25110工作面富水区面积约为73870m2，将有关参数代入计算公式，可得25110工作面的正常涌水量为138.33m3/h。

3.2 解析法

（1）数学模型的建立。根据水文地质勘探资料，将原含水层概化为理想的均质、等厚含水层。同时将矿井工作面概化为一个理想的“圆形大井”。据邻区3402钻孔抽水试验资料：q=0.0056L/s·m，K=0.0312m/d，水位标高+439.69m，属弱富水含水层。

当顶板砂砾岩裂隙承压水疏水时，水位将降至含水层底板以下，含水层内承压水变为无压水，因此采用承压转无压的“大井法”公式计算顶板涌水量：

K——渗透系数，m/d；H——疏降水头高度，根据水位标高和工作面标高计算，m；M——含水层厚度，m；h——工作面内水位标高，0m；——预测区折算半径折算系数，1.075；a——工作面设计走向长度，1200m；b——工作面设计倾向长度，150m。r0——工作面的折算半径，362.8m；R——影响半径，m；R0——引用半径，m。

（2）矿井涌水量计算。将有关参数代入所建立的数学模型，可以预测25110工作面的正常涌水量为126.4m3/h。见表1

3.3 预测结果评价

以上用两种方法对25110工作面顶板砂砾岩含水层的正常涌水量进行了预测，可以看出：两种方法预测的工作面顶板正常涌水量差别不大，可以用来指导生产实际，取最大值为138.33m3/h。

根据河南省其他矿区的经验数据，最大涌水量一般为正常涌水量的1.2～1.4倍。鉴于顶板砂砾岩含水层涌水量的难以预测性，故跃进矿井25110工作面的最大涌水量为193.66m3/h。

4 结束语

煤层顶板砂岩水是采（掘） 工作面直接充水水源，由于顶板砂岩裂隙含水层富水性弱且不均匀，具有出水时间短，水量迅速增大，储量以静储量为主等特点，虽然不会造成淹井事故，但常给采煤工作面的正常生产带来危害，选择合理的水文地质参数和数学模型预测工作面顶板水正常涌水量和最大涌水量，可为防治水措施的制定提供科学的理论依据，为水害的防治提供了可靠的技术保障。

参考文献：

[1]郭武松，杨帆.巴愣矿井水文地质特征及矿井涌水量预测 [J]. 山西焦煤科技，2013（07）：17-20.

[2]郭天辉，樊雪莲.宁夏红柳煤矿水文地质特征及首采工作面涌水分析[J].中国煤炭地质，2012，24（05）：30-34.

[3]杜敏铭，邓英尔，许模.矿井涌水量预测方法综述[J].四川地质学报，2009，29（01）：70-74.

[4]张良，王心义，贾宏昭等.瞬变电磁技术在顶板砂砾岩富水区探测中的应用[J].矿业安全与环保，2011，38（01）：27-30.

[5]杨海军，王广才.煤矿突水水源判别与水量预测方法综述[J].煤田地质与勘探，2012，40（03）：48-54.

作者简介：陈广强（1972-），汉族，山西芮城人，本科，助理工程师，研究方向：矿山地测防治水技术。