山西经坊煤矿3-807工作面顶板富水异常区验证及涌水量预算

李强强

(山西省煤炭地质114勘查院，山西 长治 046011)

煤矿的开采总是伴随着各种水害的威胁，顶板砂岩裂隙为重要的水害之一[1]。煤矿开采过程中做好顶板水的探放，对煤矿安全生产具有重要意义[2]。经坊煤矿3号煤层顶板砂岩富水性具有不均一性，工作面回采过程中涌水量变化较大，对安全、经济的排水产生了影响[3-4]。通过分析煤矿3-807工作面地面电法解释的顶板砂岩富水异常区、构造及可能的富水砂岩层段，布设探放水钻孔，对3-807顶板砂岩水进行井下钻探探放，对各探放水钻孔出水深度、层位及水量进行分析，找到合理布设井下探放水钻孔的原则，并对探放水后工作面回采过程中的涌水量进行预测。

1 矿井地质

1.1 地层

矿井位于沁水煤田东南部，地表大部为第四系黄土所覆盖，仅有零星基岩露头，地层由老至新为奥陶系中统上马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组， 新近系上新统，第四系中上更新统、全新统。

1.2 含煤地层

矿井内主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。含煤地层总厚158.46m，煤层平均总厚16.31m，可采煤层厚13.76m。

山西组厚度38.14～72.90m，平均56.58m，含可采煤层1层，为3号煤层。太原组厚度73.93～123.95m，平均102.74m，含煤10层，可采煤层4层，为8-2、9、14和15号煤层，含煤平均总厚10.03m。

经坊煤矿目前只开采3号煤层。该煤层位于山西组中下部，上距K8砂岩标志层24.60～51.55m，平均37.13m，层位稳定。煤层厚度3.27～7.95m，平均6.28m。煤层结构简单-较简单，有时含有0～2层泥岩、炭质泥岩夹矸，夹矸厚度0～0.40m，下层夹矸一般距煤层底板0.55～1.10m。煤层伪顶一般为泥岩，时有炭质泥岩，随采随落；直接顶板一般为粉砂岩或砂质泥岩，放顶后随之垮落；老顶为砂岩，胶结坚硬，强度较大[5]。底板多为粉砂岩或砂质泥岩，局部为细粒砂岩，多年生产中没有出现底鼓现象。该煤层属全矿井稳定可采煤层

1.3 构造

矿井位于晋(城)-获(鹿)断褶带与武(乡)-阳(城)凹褶带之间，受区域构造带的控制。矿井总体上为一向NW倾伏的单斜构造[6]。矿井发育有次一级低序次构造，主要表现为走向NE的断裂和宽缓褶曲，断层总体倾角70°～75°。无岩浆活动。3-807工作面中部为上村向斜轴部(轴向为S30°W)，两侧为该向斜两翼(地层倾角5°以下)。

2 工作面水文地质

3-807工作面位于经坊煤矿八采区，标高460～560m。工作面设计走向长度为1985m，切眼设计长度为110m，开采煤层为二叠系山西组3号煤层，煤层结构简单，赋存比较稳定。工作面中部为一向斜轴部。工作面在掘进过程中发现有淋水现象，充水水源为顶板砂岩裂隙水[7]。另据工作面地面电法勘查工程报告，在3-807工作面上部发现富水异常区(图1)。

图1 工作面富水异常区分布及探放水钻孔布置Figure 1 Face water yield abnormal places distribution and exploration, drainage boreholes layout

3-807工作面3号煤层回采时，对矿井充水有影响的含水层主要有以下4层：

1)二叠系上统上石盒子组K10砂岩含水层。区内K10砂岩呈厚层状，中、细粒砂岩，以中粒砂岩为主，局部发育细粒砂岩，分选差，为裂隙含水层，平均厚度为7.35m，局部富水性较强，距3号煤层顶板平均108.30m。

2)二叠系下统下石盒子组上部K9砂岩含水层。区内K9砂岩为中厚层状，中、粗粒砂岩，分选中等，磨圆度差，多为钙质胶结，局部松散结构，属裂隙含水层，厚度为6.75m，下距3号煤层顶板平均48.20m。

3)二叠系下统下石盒子组K8砂岩含水层。区内K8砂岩为下石盒组与山西组的分界，中-厚层状，中、细粒结构，节理发育。富水性总体弱，但局部较强。平均厚度15.35m，距3号煤层顶板平均18.20m。

4)二叠系下统山西组3号煤层顶板砂岩含水层。该砂岩位于山西组中上部，是3号煤直接顶板，为3号煤层直接充水含水层，中-厚层状，中、细粒结构，裂隙发育，多被方解石充填，钙质或硅质胶结。富水性总体弱，但局部较强。平均厚度3.85m，距3号煤层平均8.75m。

3 探放水钻孔布设与施工

3.1 钻孔布设

考虑到3-807工作面内有一处顶板富水异常区，存在向斜轴部以及回采后顶板初次来压等因素的影响，将探放水钻孔主要布设在3个钻场，1#、2#钻场布设在顶板富水异常区及向斜轴部，3#钻场布设在顶板初次来压区域(图1)。

3.2 施工情况

2016年11月24日—12月30日，山西省煤炭地质114勘查院在经坊煤矿井下3个钻场共计施工7个探放水钻孔，4个为顶板富水异常区探放孔，1个为向斜轴部探放孔，2个为顶板初次来压探放孔。其中，顶板富水异常区探放及向斜轴部探放的钻孔均出现了涌水且水量较为稳定(一直有水)，顶板初次来压区探放水钻孔在7～9d后均停止出水(表1)。

表1 钻孔探放水情况统计Table 1 Statistics of borehole exploration and drainage situations

通过对表1进行分析，可以得出以下结论：

1)3-807工作面地面电法勘探的成果较为可靠。在向斜轴部虽未发现有顶部富水异常区，但富水性较强；在非物探异常区及向斜两翼，岩层富水性明显变弱。

2)钻探出水的层位较为固定，初次出水层位均在K9砂岩，水量较小，水量明显变大层位在K10砂岩，水量较大且较为稳定。

4 回采时工作面涌水量预测

开采面积和水位降深是矿井涌水量变化的两个主要影响因素[8]。

由于3-803工作面与3-807工作面处在同一采区，且距离较近，在回采前亦进行顶板探放水作业，故其回采时涌水量数据可作为3-807工作面回采时涌水量的预测依据。可采用比拟法对3-807工作面回采时的涌水量进行预算[9-10]。比拟法公式如下：

Q—预计的矿井涌水量，m3/h；

Q0—生产矿井涌水量，根据原3-803工作面涌水量，正常70m3/h,最大80 m3/h；

F—新矿设计开采面积，3-807工作面面积358 808m2；

F0—生产矿设计开采面积，原3-803工作面面积233 156m2，

S—新矿设计水位降低,401.34 m；

S0—生产矿井水位降低，341.34 m。

经预算，未来回采3-807工作面时，正常涌水量为127 m3/h,最大涌水量145m m3/h。3-807工作面内排水设备的配置可参照此次涌水量预算的数据。

经过实际数据观测，后期3-807工作面在回采时矿井正常涌水量115 m3/h，最大涌水量130m3/h。由此可以看出，比拟法可以较为准确的预测回采工作面的涌水量，为煤矿下一步防治水工作提供依据。

5 结论

1)经坊煤矿矿井内地面电法勘探的成果可靠性较高，可做为一种长期的勘探手段解释3号煤层顶板富水性[11]。对电法解释的富水异常区进行钻探验证时，必须考虑矿井内构造的发育情况，对可能的储水构造，即使未解释出富水异常区也要进行钻探验证。

2)目前，对经坊煤矿3号煤层开采有影响的上覆含水层主要为K10砂岩，其次为K9砂岩，K8砂岩与3号煤层直接顶砂岩富水性较弱。

3)经坊煤矿内3号煤层工作面涌水量的预测采用比拟法较为准确，可以为后期排水设备的布设提供参考依据。

参考文献:

[1]景剑峰 ,冯宁.长治经坊煤矿矿井水源水害影响因素及防治技术[J].中国煤炭工业, 2014.

[2]李正昌 ,林来彬 ,王祥龙 ,等. 综放工作面顶板砂岩水的探放[J].《煤矿开采》,2003,8 (1):69-70.

[3]刘德民.潘谢矿区煤层顶板富水性评价研究[J].华北科技学院学报,2009,6 (4):27-29.

[4]王丽欣,梅花井煤矿首采区水文地质特征研究及富水性分区[J].西安科技大学学报,2017.

[5]刘兵昌,程乔,杨华泽.芦岭煤矿10～#煤层顶板特征[J].黑龙江科技大学学报, 2013,23(4):390-393.

[6]刘超.山西沁水盆地东缘太行大断裂构造变形特征及成因探讨[J].南京大学学报,2011.

[7]张育恒.长平矿井充水条件分析及水害防治[J].中州煤炭, 2012 (9):102-104.

[8]杨本钦,钟明洋,尚红光,等. 重庆磨心坡矿区水文地质特征分析[J].中州煤炭,2010,(11),:30-32.

[9]武强,赵苏启,董书宁,等.煤矿防治水手册[M].北京：煤炭工业出版社.

[10]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 (1) :70-73.

[11]江求. 矿井瞬变电磁法在煤层顶板富水异常区探测中的应用[J].煤炭工程 ,2012 ,1 (12) :41-44.