永定庄煤业公司山4#层8115工作面防治水评价与措施研究

朱 玲

（大同煤矿集团永定庄煤业有限责任公司，山西 大同 037024）

我国煤矿数量众多，煤炭资源赋存多样化，地质情况复杂化，不同地区矿井水文地质类型迥然不同[1-4]。矿井水害是威胁煤矿安全生产的重要因素，其中断层突水极其严重，约80%的煤矿突水事故均为断层突水。国内外针对煤矿水害的研究历史悠久，针对底板突水主要有突水系数法、“下三带”理论、原位张裂与零位破坏理论、板模型理论、关键层理论、岩体工程地质力学理论和脆弱性指数法等多种方法准确地对底板突水进行评价[5]。本文以永定庄煤业公司山4#层8115工作面为研究对象，在对矿井水文地质特征研究的基础上，对其顶板水害危险性进行了评价，提出了防治水措施。

1 矿区地质

永定庄煤业公司现开采山4#煤层。8115工作面位于301采区，矿井东部出现煤层露头，南部为8105工作面，西部为山4#煤层盘区大巷。煤层厚度0～2.8m，平均厚度2.12m，倾角1～10°，可采系数97%，煤的结构主要以原生结构为主，煤层稳定性较差。煤层顶底板岩性见图1。

8115工作面是一个以2115距切巷315m、5115距切巷341m位置连线为轴部的向斜构造。左翼煤层倾角较小，约为2°～5°，走向为NW16°～9°；右翼煤层倾角较大，为5°～10.5°，走向为NW9°～NE39°。预计回采至距切巷272～360m范围时，工作面正处于该向斜的核部。揭露的断层为68断层，走向134°，为一逆断层，断层落差为1.5m，该断层在相邻巷道并未揭露，分析其延伸范围不大，对工作面回采工作影响不大。

2 水文地质特征

2.1 地表水体

永定庄煤业公司范围内，地表为丘陵地貌，雨季大气降水沿着沟壑流出，水源由口泉河排泄，因此，地表水不会对该工作面造成较大的影响。

2.2 主要含水层

该工作面含水层有奥陶系灰岩含水层、太原组砂岩含水层、山西组砂岩含水层。

（1）奥陶系灰岩含水层，总厚度约为120～180m，以灰色厚层状灰岩为主。

（2）太原组砂岩裂隙含水层内裂隙发育相对较少，地下水补给条件较差，富水性弱。

（3）山西组砂岩裂隙含水层裂隙不发育，埋藏较深，富水性较弱，补给条件差。

（4）侏罗系采空水，在8115工作面上覆侏罗系采空区内，探明积水量大，水量约为29682m3。

2.3 主要隔水层

隔水层由泥岩、砂质泥岩组成，厚度约30m，岩性致密，隔水性能良好，在近地表处裂隙发育，隔水性能变差。

2.4 充水通道

充水通道是矿井水害的重要影响因素。在8115工作面范围内，山4#煤层的直接顶为粉砂岩、高岭岩、泥岩，性脆易碎，尤其在回采至切巷320～390m范围内时，工作面处于向斜的核部，顶板可能受应力影响较为破碎，因此矿井的主要充水通道为顶板岩石破碎形成的裂隙和破碎裂隙带。

图1 8115工作面地层综合柱状图

3 防治水评价与措施

3.1 超前探测工程量及其成果

8115掘进工作面总进尺为1460m，在2115和5115巷分别设计2个超前探放水孔，其中2115巷道正前方1个，巷道右手帮1个，5115巷道正前方1个，巷道左手帮1个。5115辅助巷和切巷设计3个超前探放水孔，分别在正前方、左手帮、右手帮各1个。按照超前探测50m，保留安全煤柱30m，整个工作面共施工了162个超前探放水孔，合计进尺8184m，所有超前钻孔均未探测到异常。

3.2 顶板突水危险性评价

3.2.1 导水裂隙带厚度

8115工作面煤层厚度为0～2.8m，由于煤层开采后上覆岩层呈现垮落带、断裂或弯曲，通常形成导水裂隙带。依据经验公式可以计算得出，该工作面导水裂隙带的最大高度为40.2m，主要水源来自采空区水。

式中：

Hli-导水裂缝带高度，m；

ΣM-累计采厚，m。

3.2.2 富水性指数法评价

采用了富水性指数法对含水层富水性进行评价。首先，建立层次结构分析模型，将其划分为A、B、C三个层次，分别对应含水层富水性评价为A级别，含水层、渗流场和岩性场为B级，单位涌水量、物探工程、渗透系数等C级。其次，依据1-9的标度方法，对各影响因素进行评价，建立评价判断矩阵，并计算出相应的权值和一致性检验，计算得出的随机一致性比率小于0.1，一致性较好，由此得出含水层富水性评价中叠加权重值（表1）。

表1 富水性分析中的权重

采用GIS软件的空间分析工程，生成各个参数信息等值线，计算叠加后富水性指数大小，依据其大小，将研究区划分为富水性差区、富水性较差区、富水性中等区、富水性相对较好区和富水性较好区共5种区域（图2）。

3.2.3 顶板冒裂安全性评价

由于导水裂隙带高度距离上部含水层距离较远，并未导通上部含水层，因此，在该工作面内划分为相对安全区。

由上述分析可知，该工作面内顶板突水的危险性分区与含水层富水性分区相一致，对该工作面威胁较大的区域主要为中西部和东部相对富水的区域。

图2 含水层富水性评价分区

3.3 防治水措施

3.3.1 排水系统

根据《大同煤矿集团永定庄井田灰岩承压水突水危险性评价报告》，山4#煤层奥灰水最大突水系数为0.018（MPa/m），小于受构造破坏块段临界突水系数值0.06MPa/m，对开采煤层的开采影响小。最大涌水量为0.012m3/min，正常涌水量为0.006m3/min，故突水危险性评价为突水安全区。根据《煤矿安全规程》及《煤矿防治水细则》必须建立完善独立的排水系统，即两巷必须铺设4寸排水管路各一趟及各配备2台45kW以上水泵备用，并在工作面配备1台45kW以上泥砂泵一台，以备排水。

3.3.2 矿井探放水

在掘进过程中，需执行“有掘必探、先探后掘”的方针，在该工作面施工探放水孔，对存在采空水隐患进行排查。其次，在2115巷施工1个井下探放水孔，在5115巷施工2个井下探放水孔，终孔均到14#层，均见空无积水。因此预计8115工作面上覆层无大面积采空积水，但不排除局部低洼处存有少量积水。在5115巷向同层8105工作面施工了1个探放水孔，已累计排水1500m3，现在每日排水3m3。对工作面进行物探工作，超前物探结果显示无异常。针对400～450m异常区，设计了一组100m的验证钻孔，实际施工92m，未显示异常。

3.3.3 制定防治水方案

对矿井防治水工作需要从预报、合理的措施和方法、矿井涌水量监测、避灾路线以及组织管理等方面进行设置，降低突水事故发生的概率，避免不必要的损失。

在对同层采掘范围内采空区积水防治时，在回采工作面两顺槽掘进过程中，采用全方位瞬变电磁仪YCS512在工作面迎头每隔80m循环进行一次井下物探工作，对存在的低阻异常区通过超前钻探及时验证，在局部有异常区域加直流电法超前物探，最后采用钻探进行验证。

3.3.4 加强超前探测

工作面位于向斜核部，顶板受构造应力影响较大，可能出现裂隙发育情况，在回采工作中需要超前探测，就可能存在的断层和其他构造进行准确判断。如上覆 14#层 8214、8216、8218、8220、8101、8103采空区，留有煤柱，在回采过程中应经常观察顶板，并加强顶板的支护及管理。本工作面2115巷回采至261～312m，5115巷回采至179～196m将遇到煤层变薄区，煤层厚度1.4～1.7m，采至该区域时，需要做好相应措施。

4 结论

在对永定庄煤矿地质特征研究的基础上，对山4#层水文地质特征进行了分析，分析了8115工作面突水的危险性因素，包括含水层、隔水层和充水通道等水害发生的条件，该工作面可能的突水水源来自于顶板侏罗系采空积水，主要导水通道则为顶板裂隙和破碎裂隙，需要加强对顶板的支护，建立合适的排水系统，并进行合理的探放水工作。