水文地质条件极复杂工作面水害探查与治理技术研究

卫皓皓

摘 要：辛安矿是峰峰矿区一个水文地质条件极复杂型的矿井，目前主要开采-500m水平的2#煤层。曾于2010年、2011年发生两起特大型奥灰水突水事故，导致-500m水平被淹，损失巨大。2012年年底，矿井在准备复产的第一个工作面（112121工作面）掘进时，又发现该工作面底板相对富水区面积占工作面设计开采面积的近二分之一，工作面内存在隐伏垂向导水通道，通道形式等情况不明。在初步探查中，又发现已有钻探地点岩体破碎，钻孔固管及成孔困难，井下探查工作缓慢。为确保矿井安全，并做到工作面按期衔接，开展了防治水技术攻坚和工程会战

关键词：水文地质条件；极复杂；水害探查治理

中图分类号： P641.4 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）04-79-2

1 矿井概况

辛安矿布置有四个水平：+32m水平、-100m水平、-280m水平和-500m水平，现主要生产水平为-280m水平和-500m水平，采用走向长壁后退式轻型综采放顶煤工艺采煤方法，顶板管理为全部跨落法。

2 112121工作面水文地质条件概况

①112123老空水。112123老空水通过216轨道下山泄水孔组长期疏放，目前稳定在-560米水平，其动水量1.0m3/min，水源为8411钻孔。对工作面的安全开采不会造成太大影响。②工作面上覆60米顶板内的砂岩弱含水层水。按照规程规定取煤厚4.5米、中硬质覆岩岩性计算，工作面采动引起顶板采动裂缝带发育高度在60米以内。根据地质条件工作面顶板采动裂缝带内共有两层砂岩弱含水层，112123工作面开采中就已经基本疏干。③野青石灰岩含水层。层厚2.5～3.0米，为承压溶隙裂隙含水层，位于工作面底板以下36～47米。工作面附近，-500水平外水仓巷道揭露野青含水层点，多年以来以0.5m3/min的水量长期疏放野青水，目前，其水位在-475米以下。单孔实测水温19.5～21.5℃之间。④山伏青石灰岩含水层。层厚3.5～5.5米，为承压岩溶裂隙含水层，位于里工作面底板以下80～84米。有XD5、XD6、XSH2、8411等水文钻孔揭露山伏青含水层，多年来，它们以约0.8 m3/min的水量长期疏放水，目前水位在-80米。水温20.0～22.1℃之间，矿化度230～850mg/l，水质类型属HCO3·SO4-Na 或SO4·HCO3-Na型水。⑤大青石灰岩含水层。层厚5.5～7.0米，为承压岩溶裂隙含水层，位于里工作面底板以下114.5～126米。自2009年7月2123工作面揭露8411钻孔以来，工作面所在区域大青含水层水就处在长期疏水降压状态，疏放水量约0.8m3/min，目前其水位在-192～-42米之间。水温23.0℃，矿化度334～486㎎/l，水质类型属HCO3·SO4-Na型水。⑥陶系石灰岩含水层。为石炭二叠系煤系地层的基底，是一区域性、巨厚、承压、岩溶裂隙强含水层，位于工作面底板以下150米。

3 112121工作面存在的主要水害问题

①掘进前工作面内没有巷探工程，且区内煤岩层倾角较大，对隐伏断层的分析判断有一定的不可靠性。②8411、XSH4等七个地质、水文地质钻孔都位于工作面外围，工作面内部没有水文地质钻孔。

4 水害探查与治理技术方法

①目标。通过对工作面进行，综合探查和注浆改造加固底板，查清工作面水文地质条件，实现工作面无水害安全开采。②原则。依照“物探指导、钻探超前、查治结合、改造薄灰、适量加固”的原则，以查清隐伏断层（含导水裂隙带、陷落柱）、查清工作面正下方含水层具体水文地质特征。③路线。施工探查孔→进行疏放水试验→查明含水层富水性和水力联系→进行注浆加固（改造含水层和加固隔水层）→施工检查孔→进行采前综合评价→实现安全开采。④工程设计。a利用现有巷道对工作面运料巷进行超前物探，探测的范围是“整条运料巷及其两侧各60米范围以内、工作面底板下80米以浅”区域。b分井上、井下同时施工钻孔，开展全工作面的水文地质条件查证及相关治理工作。井上主要是探查工作面底板80米以下（即伏青石灰岩层位以下）地层条件，重点是其中大青、奥灰两石灰岩含水层特征，同时进行注浆治理等相关工作。井下主要是探查工作面底板80米以浅（即伏青石灰岩层位以上）地层条件，重点是其中野青、山伏青两石灰岩含水层特征，同时进行注浆治理等相关工作。c工作面形成后进行瞬变电磁和无线电坑道透视两种探测，进一步探查区域有无隐伏构造（陷落柱）及其含（导）水性、山伏青野青含水层有无富水区域、地层的完整性等，如有异常，继续进行钻探验证和注浆治理等相关工作。⑤完成的工程。2121工作面防治水工作井下于2012年12月开始，地面于2013年4月开始，截至2014年1月，累计完成钻孔125个，钻探进尺23700米，注水泥11194吨，累计资金2357.1万元。其中，井下完成钻孔111个，钻探进尺19552米，注水泥4470吨。地面完成钻孔14个，钻探进尺4148米，注水泥6724吨。

工作面里段（切眼往外300米）治理已结束，且完成采前评价并报集团公司审批，工作面里段正在进行回采。

5 水害探查与治理取得的成果

5.1 查明并封堵了主要导水通道

通过施工探查孔，查明了工作面主要导水通道：工作面外段的f2断层，该断层为山伏青与大青、大青与奥灰含水层间的垂向水力联系通道。通过井下和地面钻孔同时对f2断层时行注浆加固，已经基本上切断了山伏青与大青含水层之间水力联系，大青与奥灰含水层间的水力联系也得到了进一步弱化。下伏野青、山伏青、大青含水层都得到了弱化改造，富水性都大为降低，达到了改造目的。

5.2 含水层特征已查明，并且已经得到有效治理改造

①野青含水层富水性和获得补给的能力较弱，野青水中多含硫化氢气体，处于停滞径流状态。经过注浆改造，野青含水层富水性又得到了进一步弱化。②山伏青含水层水以静储水为主，山伏青含水层层内水力连通性较好，但富水性和获得补给的能力较弱，且随着注浆改造变得更弱。经过近期疏放水和注浆改造，其水位已经由元月份以前的-240～-300米下降到目前的-350～-460米。③大青含水层层内水力连通性较好，但富水性和获得补给（主要是奥灰水）的能力较弱，它与山伏青含水层之间水力联系不密切。其裂隙发育程度和富水性较野青、山伏青含水层好，是良好的注浆改造目的层。④本区奥灰顶部古风化壳多被充填，富水性较差，可视为相对隔水层。另外，各钻孔施工中未发现奥灰水有原始导高现象。

5.3 隔水层得到了加固，大面积富水区水位大幅度下降

在对含水层进行注浆改造的同时，也对隔水层进行了加固，工作面内施工的高密度的钻孔和高压注浆，对底板隔水层的完整性和整体阻隔水能力有了较大的提高。

5.4 工作面开采安全性评价

方法一：依照《煤矿防治水规定》附录四，计算出治理后里工作面底板隔水层能够承受的最小水压力（H安）和实际承受的最大水压力（H实），相应对比表两者的大小，可以发现，无论对底板哪一个含水层的隔水层都有H安始终大于H实，所以，据此判断里工作面开采后底板各含水层水突然涌出的可能性都小。（参见表1）

方法二：底板伏青煤以上厚约80米的隔水层经过33个钻孔水泥注浆加固，变得更加完整，阻水能力进一步加强，其突水系数按0.1MPa/m计算，仅这80米厚的隔水层就可以承受8.0MPa的水压力，这比里工作面底板隔水层实际承受的大青水最大水压力（参见表1，640mH2O=6.23MPa）大。里工作面底板隔水层实际承受的奥灰水最大水压力为8.1MPa（参见表1，827mH2O=8.1 MPa）因而，据此推断里工作面开采后底板大青、奥灰两主要含水层水突然涌出的可能性都小。

综合分析表明：工作面内隔水层相对完整阻隔水能力强，底板各隔水层能够承受的最小水压力（H安）均大于相应实际承受的最大水压力（H实），开采后底板各含水层水突然涌出的可能性都小，可以进行带压开采。

6 结语

针对水文地质条件极复杂工作面，坚持“预测预报、逢掘必探（钻）、先探后掘、先治后采（掘）、采前評价”的防治水原则，加强地质构造勘探工作，采取多种物探手段、方法和钻探验证、底板注浆加固手段，完全可以实现无水害安全开采。