王楼煤矿13301工作面出水分析与研究

2019-05-07王乐义白建鲁

山东煤炭科技 2019年4期

王乐义白建鲁

（山东能源临矿集团王楼煤矿，山东济宁 272063）

1 矿井概况

山东能源临矿集团王楼煤矿（以下简称王楼煤矿）2007年7月投产，核定生产能力1.2Mt/a，开采山西组3上煤层，走向长壁综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板。矿井水文地质类型属复杂型。

王楼煤矿三采区13301工作面2013年发生突水事故，工作面回采过程中老空区水量逐渐增大，当推采至690m时，采空区水量增大至最大900m3/h，经过长期的疏放、治理，工作面涌水量减少到490m3/h。2015年实施了地面注浆堵水工程，工作面涌水量降至310m3/h，全矿涌水量降低了390m3/h，继续治理难度很大。结合以往的工作成果及本次工作的新发现，本文提出刘官屯断层对13301工作面充水的调节模式能够为工作面治水提供有效的思路。

2 矿井地层及含水层概况

井田内地层自上而下依次为：第四系、上侏罗统蒙阻组、二叠系上石盒子组、二叠系下石盒子组及山西组、石炭系上统太原组、石灰系中统本溪组、奥陶系中、下统。

含水层自上而下有：第四系松散层含水层、上侏罗统砂砾岩含水层、煤层顶（底）板砂岩裂隙含水层、灰岩含水层。隔水层有：第四系中组及下组下段隔水层、上石盒子组隔水层、下石盒子组隔水层。

3 13301工作面出水过程及充水特点

3.1 13301工作面出水过程

13301工作面是三采区首采工作面，走向长1160m，倾斜宽160m，煤层埋深-960m～-900m，煤层平均厚度2.15m。工作面南部为3上煤层露头保护煤柱。

13301工作面出水过程：（1）掘进过程中两条顺槽都出现顶板锚索淋水和底板渗水现象，直至回采时总水量约60m3/h，其他工作面掘进过程中极少见。（2）回采440～560 m过程中，水量从60m3/h逐渐上涨到190m3/h。（3）回采560～640 m过程中，水量急速增加，从190m3/h上涨到770m3/h，水平推进。（4）回采640～690 m过程中，水量增涨速度仍然较快，由770m3/h上涨到900m3/h。此后工作面长期停产。

3.2 13301工作面出水前后的探查治理工作及结论

13301工作面出水前后，做了大量针对13301工作面出水水源及出水通道的探查治理工作，包括确定工作面切眼距离侏罗系底界距离，探测顶底板砂岩含水性，进行综合电法勘探，补充施工水文观测孔，探查顶板“天窗”，进行地震资料解释，进行水质化验，地面施工3C-4探查注浆孔、1#探查注浆孔、2#探查注浆孔、3C-5启封注浆孔等工作。至2014年，工作面涌水量减少到490m3/h。

通过探查治理主要得出以下结论：13301工作面充水水源主要是3上煤层顶底板砂岩裂隙水、侏罗系砂砾岩水，奥灰水和其他灰岩含水层水基本未参与13301工作面突水；13301工作面充水通道可能有：F21、F22、F23断层组活化导水，13301上方垂向密集裂隙带导水，3C-4钻孔局部封闭不良导水，排除了顶板石盒子组局部变薄或存在“天窗”导水的可能性，排除了煤层露头方向隔水层变薄导水的可能性。考虑到13301工作面出水水源和导水通道的复杂性，13301轨道顺槽掘进期间揭露F21、F22、F23一组断层，工作面推过断层组后，导水裂隙带与断层带导通。活化为导水断层，成为导水断层组。江苏物测队提交的二、三采区三维地震勘探报告中，发现13301工作面上方发育有一个异常区，为垂直密集裂隙带，该异常区内裂隙向上很高，局部达到第四系底界。

3.3 13301地面注浆堵水工程

为了进一步降低矿井涌水量，减少矿井排水费用，结合前期所做工作，又考虑到在侏罗系下部石盒子组砂岩含水层内施工一主水平定向钻孔及多个水平分支钻孔，定向钻进，精准注浆，形成水平隔水层。该技术优势突出，施工场地占地面积小，水平段钻孔延展距离长，比较直孔能够更多地穿过垂直导水裂隙，一次可以探查多个通道并注浆，浆液扩散范围大，可大幅提高主孔的复用率及探查的全面性，堵水效果更加突出。因此采用水平定向钻进技术和注浆工艺来对13301工作面进行注浆堵水工作。从2015年11月开始实施地面注浆堵水工程（图1）对13301老空水进行进一步治理，本次治理的方案是就以上可能存在的导水通道施工水平定向钻孔及分支钻孔进行探查注浆，在13301工作面上方形成一个有效的隔水层。该工程于2015年11月25日开工，2017年5月1日结束，历时523d，共施工主孔1个，水平分支孔4个，钻探总进尺2897.57m，共注水泥9821.47t，注黄泥混合浆等其他注浆材料438.26m3。注浆工程实施后实测13301工作面涌水量减少183m3/h。

图1 13301地面注浆堵水工程平面

4 刘官屯断层对采空区补水的调节作用

2008年王楼煤矿11305工作面发生突水事故，工作面推进至80m处时，老空水量短时间内迅速增大至450m3/h。矿井排水能力不足，导致淹井。当时的防治水副总吕玉广针对11305工作面突水的情况发表了“两水源三通道”的矿井突水模式，重点指出刘官屯断层在11305工作面突水过程中所起到的作用。

通过对13301工作面长期的探查治理，实践表明刘官屯断层对13301工作面的突水也起到很大的控制作用。

4.1 示踪试验结果

（1）2012年9月KI示踪试验：3 C-31孔投入KI试剂，一采区（11305工作面）出水中接收到碘离子，证明11305工作面水与上部侏罗水有连通，但不能确定侏罗水是从顶板冒落裂隙带直接进入11305工作面还是通过刘官屯断层绕流导入。

（2）2013年5月KI示踪试验：13301工作面出水后，从距离该工作面较近的3 C-5侏罗系水文孔投入KI试剂100kg，持续取样观测35d，从一采区出水中发现碘离子浓度异常，13301工作面出水中始终没有发现碘离子浓度异常。再次说明侏罗水与一采区水（11305工作面）有联系，不能证明与13301工作面之间有水力联系。

（3）2013年8月29日品红示踪试验：3C-4启封孔打到深度850m时（距离3煤顶板约98m）投入盐基品红100kg，4d后从一采区出水中发现水色异常，13301工作面出水中未发现。证明13301工作面上方侏罗水向一采区方向径流。

（4）2013年10月17日，3C-4启封孔再次扫孔到深度870m时（进入石盒子组泥岩），再次投入盐基品红100kg，井下任何地点均未发现异常。

（5）2013年11月1日，1#探查孔深度847.5m时（石盒子组泥岩）投入盐基品红100kg，井下任何地点均未发现异常。

（6）13301地面注浆堵水工程，在主孔1104m漏浆段先后投入盐基品红100kg和碘化钾100kg，同时在井下观察监测水质变化，均无异样，取水样进行化验，也未检测到碘离子。

综合上述历次示踪试验，前三次均能证明侏罗系含水层与一采区老空水（11305工作面）之间存在水力联系，13301工作面上方侏罗水向一采区方向径流。未能证明13301工作面上方侏罗系含水层与13301采空区之间有直接的水力联系。

4.2 水量变化分析

通过实施13301地面注浆堵水工程，在13301工作面上方基本形成了一个有效的隔水层，可以有效阻隔侏罗系含水层水直接通过13301工作面上方的冒落裂隙带进入13301采空区。治理后，13301工作面仍然有310m3/h的动水，这表明13301工作面发育的F21、F22、F23断层组、13301上方垂向密集裂隙带及3C-4钻孔均非13301工作面上方侏罗系含水层水进入13301采空区的主要导水通道，13301老空水的主要通道仍然是工作面回采后产生的煤层顶板冒落裂隙带和底板破坏带，侏罗系含水层水是通过其他通道对13301工作面顶底板砂岩裂隙水进行补给。

4.3 断层对顶底板砂岩水补给的连通作用

13301工作面上方侏罗系含水层水通过刘官屯断层局部管涌通道进入11305采空区，进入采空区内的水联同11305工作面顶底板一定范围内的砂岩含水层水通过刘官屯断层上盘3上煤层顶底板砂岩含水层进行补给。由于13301工作面所处的标高最低，3上煤层顶底板砂岩含水层水不断从13301老空区流出。三采区刚刚回采的13304工作面位于13301工作面与刘官屯断层之间，回采几十米，老空区水量即明显增加，进一步回采过程中其老空区水量应该会进一步增加，将流向13301工作面的水“夺”一部分过来。在刘官屯断层的作用下，13301工作面上方的侏罗系含水层水通过“迂回”的方式进入13301采空区，13301工作面老空水中侏罗系含水层水占很大部分，而多次示踪试验及其他探查注浆工程均未得出13301工作面上方侏罗系含水层水与采空区直接相连通的事实。如图2所示。