杨村煤矿16 上煤带压开采水害防治技术研究

马海涛，张振国，刘 亚，张 民

（兖州煤业股份有限公司杨村煤矿，山东 济宁272118）

0 引 言

底板突水是我国煤矿开采水害事故的主要类型，并且这类突水往往造成重大的灾害性损失，防治底板突水对煤矿安全生产具有重要意义。

杨村煤矿10602 工作面回采面临底部的十四灰岩水，特别是采动影响下可能通过构造导通深部的奥陶系灰岩含水层，在构造或隔水层薄弱位置仍存在潜在的奥灰突水威胁，符合带压开采条件，属于带压开采。为此，通过对工作面地质、水文地质条件分析，对工作面开采突水危险程度进行评价，进而提出科学、合理和有效的防治水措施，指导工作面水害防治，保障矿井安全生产。

1 工作面概况

10602 工作面走向长1256m，倾向长127m，面积162813m2。工作面标高-306.9～-371.5m，平均-339.2m，煤层平均厚1.28m，煤层倾角5～15°，平均9°。

2 工作面水文地质条件分析

2.1 含水层特征

10602 工作面直接充水含水层为十下灰含水层，间接充水含水层为十四灰含水层和奥灰含水层。

十下灰含水层厚度5.41～5.65m，水质类型为HCO3-Na.Ca 型，富水性弱，补给条件较差，以静储量为主，受矿井长期疏水影响，水位已大幅度下降；十四灰含水层厚度6.08 ～7.38m，水质类型为HCO3SO4-Ca 型，富水性弱，径流补给差；奥灰含水层厚度450～750m，水质类型以SO4.HCO3-Ca.Mg 型为主，由多层厚层状石灰岩组成，距离顶界面50m 以下的半晶质石灰岩中, 发育较多的小溶洞及半闭合状裂隙，含水较强，属裂隙溶洞承压水，采区内奥灰上部50m 段富水性极弱，通常视为隔水层。

2.2 隔水层特征

16 上煤至第四系隔水层间距为207.03 ～214.81m，以铝质泥岩、粉砂岩为主，对第四系底部含水层水下泄起良好的隔水作用；16 上煤层至十四灰隔水层厚度为32.54m～42.22m，岩性以铝质泥岩及粉砂岩为主，对16 上煤层的开采起良好的隔水作用；十四灰至奥灰隔水层厚度为10.38m～12.19 m，以铁质泥岩和铝土岩为主，正常地段可以有效地阻隔奥灰与十四灰间的水力联系。

2.3 充水通道分析

1）采动顶底板破坏带。根据杨村煤矿与中国矿业大学合作的《杨村煤矿四采区16 上煤采动底板变形破坏与阻水能力研究》项目，可知16 上煤开采底板破坏深度不超过10m[1]。根据《“三下”开采规范》导水裂缝带高度计算公式计算16 上煤顶板导水裂缝带高度为27.5m，正常开采产生的导水裂隙带高度不会波及到松散层底部含水层。

由此可见，正常情况下16 上煤顶板以上27.5m和底板以下10m 范围内的含水层将会对工作面开采进行直接充水。

2）其他情况。通过资料分析，工作面周围无封闭不良钻孔和采空区；断层经实际揭露，均不富水、不导水。

2.4 涌水量预计

10602 工作面直接充水含水层为十下灰，间接充水含水层为十四灰、奥灰。工作面回采过程中奥灰水不具备突水条件，十下灰水已疏干，工作面预计涌水主要为十四灰涌水组成。

采用大井法计算工作面十四灰突水涌水量，用裘布依承压井流公式计算最大涌水量为41.96m3/h；根据计算结果及结合工作面实际涌水情况，预计工作面正常涌水量为10.0m3/h，最大涌水量为80.0m3/h。

3 开采突水危险程度评价

10602 工作面16 上煤底板至十四灰顶界面间距32.54m～42.22m，至奥灰顶界面间距54.81～63.3 m，采用突水系数法进行十四灰和奥灰这两个含水层的突水危险性评价。

3.1 十四灰水害分析

10602 工作面附近穿过十四灰钻孔3 个，为L14-11、Y-8、Y-7 钻孔，钻孔突水系数计算结果见表1。

表1 10602 工作面十四灰突水系数表

经内插计算，十四灰突水系数为0.014 ～0.016MPa/m, 符合《煤矿防治水细则》中底板受构造破坏的地段突水系统一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m 的要求。

3.2 奥灰水害分析

10602 工作面附近施工至奥灰钻孔有3 个，为L14-11、Y-8、井下O-3 钻孔，钻孔突水系数计算结果见表2。

经内插计算，奥灰突水系数为0.0617 ～0.0689MPa/m。根据中国矿业大学与杨村煤矿在附近10605 工作面开展的《弱渗断层裂隙带阻渗性及其渗透破坏临界条件研究》成果可知，断层破碎带原始状态具有很强的阻渗能力，即便导通状态的渗透阻力也大都超过0.1MPa/m，在考虑断层破碎带结构影响效应基础上将断层破碎带安全带压状态的阻渗能力考虑为0.08MPa/m[2]。另根据兖州矿区奥灰钻孔揭露的情况，区内奥灰顶部风化壳可作为相对隔水层考虑，可有效减缓奥灰水对构造破碎带的高压渗流破坏作用，是下组煤底板带压开采的有利条件因素。在此基础上10605 工作面已实现安全回采，回采过程中揭露3 条断层（落差0.5～1.4m），工作面底板无涌水现象。

综上考虑，10602 工作面回采过程中奥灰不会发生突水，可实现安全回采。

表2 10602 工作面奥灰突水系数表

4 水害防治技术与措施

4.1 十四灰含水层探放水

工作面回采前在10602 运输巷累计施工4 个十四灰放水孔，1-4 号孔水量分别为12m3/h、1m3/h、8m3/h、7m3/h， 水 压 分 别 为 1.44MPa、1.45MPa、0.8MPa、1.4MPa。对10602-2#.3#.4# 放水孔取水样分析，水质类型为HCO3SO4-Na 型。目前4 个放水孔均已封闭，4 孔累计疏放十四灰水量22.438 万m3;有效降低了底板十四灰水害威胁。

工作面回采至十四灰放水孔前30m 时，对放水孔进行全段注浆封堵。封堵采用泥浆泵，用水泥浆、水玻璃混合液进行封堵，注浆压力达到5MPa，稳定30min 后停止注浆，确保不漏水、不渗水。

4.2 水文物探与钻探

1）坑透探测。利用无线电磁波透视成像技术查清工作面是否存在地质异常体和工作面内断层的延伸方向及尖灭点位置及面内断层的组合情况。通过本次CT 探测工作，结合掘进阶段10602 工作面内揭露的断点情况，共组合解释断层12 条，经实际揭露证实，均不富水、不导水。

2）瞬变电磁探测。采用瞬变电磁技术探明工作面底板含水层富水性，对探测区域地层、断层异常区的电性特征进行总体控制，重点对底板十四灰含水层、奥灰含水层等富水异常区岩层的电性特征、参数进行查明，总结本矿井不同条件下电性特征规律。探测结果表明，十四灰含水层所在层位（垂直底板下方40m）存在1 个低阻异常区A，异常区面积最大为42500m2，视电阻率最小值相对较低，推测为相对较强富水异常区。

3）钻探验证。物探前10602 运输巷施工的4 个十四灰疏放水孔均在物探圈定的十四灰含水层富水异常区A 位置（具体见图1），且1-4 号孔水量分别 为 12m3/h、1m3/h、8m3/h、7m3/h， 水 压 分 别 为1.44MPa、1.45MPa、0.8MPa、1.4MPa，对物探结果进行了验证。

图1 十四灰疏放水孔位置与物探成果对比图

4.3 建立健全工作面排水系统

现场排水能力按最大涌水量1.5 倍配备，满足120 m3/h。10602 运输巷为主要排水点，选取BQW60-100-37 型水泵2 台使用，1 台备用，安装2路 Φ108mm 排 水 管；10602 轨 道 巷 选 取BQW60-100-37 型水泵1 台使用，1 台备用，安装1路Φ108mm 排水管。工作面水泵实行双回路供电。

4.4 建立地下水位自动监测系统

10602 工作面附近有O-6（奥灰）、L14-9（十四灰） 地面水文观测孔，其中O-6 孔距离工作面1400m，L14-9 距离工作面900m。工作面回采期间每天对奥灰、十四灰含水层水位进行动态观测，发现水位变化异常时，要及时分析原因并采取措施。

4.5 加强过断层管理

过断层期间合理确定推采方向和角度，尽可能减轻或避免开采对断层的扰动作用，在开采过程中密切监测断层导水性变化，以防断层活化和滞后突水发生，必要时对断层超前预注浆，技术人员及时进行现场指导，修订过断层安全技术措施并监督各项措施的落实情况。

4.6 加强工作面涌水监测

加强回采过程中涌水量监测，对于涌水量发生异常时及时进行水质化验分析，掌握工作面出水地点的水质特征情况，以便确定突水水源和采取安全可行的防治措施。

加强工作面涌水量实时观测，对出现的底板异常底鼓或产生裂隙、底板涌水等煤层底板突水征兆要引起高度重视，发现异常情况及时汇报，以便查明原因、及时处理，必要时采取停产撤人的紧急措施。

5 结 论

通过对工作面地质、水文地质条件进行分析，采用突水系数法科学的对工作面底板十四灰、奥灰含水层突水危险程度进行评价，进而采取水文物探与钻探、疏放十四灰含水层水、健全工作面排水系统、建立地下水位自动监测系统、加强过断层管理及涌水量监测等有效的防治水措施，实现了工作面安全回采。该面的底板水害防治经验可进一步推广到类似地质条件受承压含水层影响的工作面中。