兰花宝欣3103工作面顶板富水性及突水安全性评价分析

吕育强

(山西古县兰花宝欣煤业有限公司，山西 临汾 042405)

1 工程概况

山西兰花宝欣煤矿3103工作面位于井田北翼，工作面开采3号煤层，煤层厚度1.5～1.9 m，平均厚度1.7 m，直接顶为泥岩，均厚3.29 m，基本顶为中细砂岩，均厚3.12 m，工作面倾斜长度150 m，走向可采长度710 m，采用综合机械化开采方法，全部垮落法管理顶板。根据矿井地质资料可知，3号煤层顶板主要存在两个充水含水层，为山西组砂岩含水层和基岩风化带含水层，其中风化带含水层的水量较多，平均涌水量可达25 m3/h，现为有效掌握3103工作面顶板含水层的富水性和突水危险性，特进行含水层富水性分析和突水安全性评价。

2 顶板充水层富水性分析

根据众多理论研究和工程实践结果可知[1-3]，开采煤层的突水条件为垮落带裂隙带的高度发育到充水含水层底板标高以上，且触及到的含水层富水性较强，导水通道的存在是导致矿井涌水的必要条件，因此需掌握工作面开采期间垮落裂隙带的发育高度。基于邻近工作面的开采经验可知，3103工作面回采后其覆岩垮落带高度为25.4 m，导水裂隙带的高度为94.7 m。在3103工作面回采期间，通过钻孔观测的方式进行导水裂隙带发育高度的修整，根据回采期间的观测数据得出工作面导水裂隙带的发育高度如表1所示。

表1 3103工作面回采后导水裂隙带发育高度数据

通过分析表1中的数据，能够得出工作面各个区域导水裂隙带的发育高度如图1所示。

图1 工作面回采后导水裂隙带发育高度

基于工作面顶板含水层特征，根据矿井地质资料可知，工作面存在着导水断层和基岩风化带，故而在进行冒裂安全性分区时，基于相关规定在考虑保护层厚度的基础上进行间接含水层冒裂安全性的分区，相对安全区为覆岩厚度-导水裂隙带高度-保护层厚度的结果大于0的区域，危险区域为断层分布区域及覆岩厚度-导水裂隙带高度的结果小于0的区域，其余区域为过渡区域[4-6]。

为有效掌握3103工作面顶板含水层的富水性，现采用多元地学信息复合叠加技术，通过建立含水层厚度、岩芯取芯率、塑脆岩性比、断层及冲洗液消耗量等地学信息数据库，结合目前使用的地理信息系统中的分析功能及层次分析法进行顶板含水层层富水性的分区分析，基于3103工作面的地质条件，将顶板风化带含水层划分为间接充水含水层，将顶板山西组砂岩含水层划分为直接充水层，基于地学信息的叠加处理得出3103工作面直接和间接含水层富水性的分区情况如图2所示，图中根据顶板直接含水层和间接含水层的含水特征依据含水层的特征将含水层划分为5个等级，分别为强富水区、较强富水区、中等富水区、较弱富水区和弱富水区。

图2 工作面顶板含水层富水性分布

3 突水安全性评价

3.1 突水危险性划分

基于上述分析得出的工作面顶板含水层富水性分布图，通过将富水性分区图与顶板充水含水层安全性分区图相叠加能够得出工作面顶板区域的综合分区图。该图的划分依据为：工作面开采垮落裂隙带发育高度超过含水层底板标高的，且裂隙带触及到含水层富水性较强区域时，可在一定程度上引起工作面突水现象的出现[7-8]。在进行工作面开采煤层突水条件分析时，主要包括两方面的内容，分别为：①含水层冒裂安全性分区，即决定开采煤层导水裂隙带是否导通顶部充水水源的关键；②顶板突水水源富水性分区，顶板突水量的大小主要取决于顶板含水层充水水源富水性的综合分区。

若导水裂隙带与含水层导通区域为富水性较弱的区域，此时不会存在较大的突水，只有当导水裂隙带贯通富水性较强的地段时，才会造成较大的突水隐患。现通过叠加富水性分区图和顶板充水含水层安全性分区图，进一步考虑构造影响因子对煤层顶板含水层涌水条件进行评价，根据评价结果得出3103工作面直接充水含水层和间接充水含水层的综合分区图如图3所示。

图3 工作面顶板含水层充水条件综合分区

分析图3(a)可知，在3103工作面回采作业时，覆岩会逐渐垮落形成的导水裂隙带已经与直接充水含水层间相贯通，故而顶板直接含水层的综合分区图与直接含水层的富水性分区图相一致，从图中能够看出在A6勘探线两侧500 m的范围内为危险区域，除去该区域和断层区域外其余区域均为相对安全区，相对安全区域范围内顶板直接含水层的富水性较弱。

分析图3(b)可知，在工作面突水危险区为工作面区域6号勘探线和7号勘探线西部，在工作面东半部除断层破碎带外，基本均处于相对安全区，这些区域在工作面开采后导水裂隙带的发育高度并未与间接充水含水层间相导通，因而其属于相对安全区。

综合上述分析结果可知，在3103工作面中部由于受到地质构造、富水性等综合因素的影响导致中部突水危险性高于南部，其中在工作面北部切眼处的突水可能性最低；针对工作面西侧靠近风化带的位置其突水危险性明显高度工作面东侧区域，工作面回采期间需根据突水危险性区域划分结果，在突水危险区域采取有效防治水措施，防止顶板突水现象的出现。

3.2 防治水建议

基于上述3103工作面含水层突水危险性的分析结果，针对工作面回采期间提出防治水措施如下：①工作面回采前及回采期间加强探放水的作业，尤其在工作面断层构造区域，应坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则；②加强排水能力，确保工作水泵能欧在20 h内排出矿井正常24 h的涌水量；③加强工作面区域内的钻孔管理，防止钻孔出现突水现象；在探放断裂构造水时，探测钻孔应沿着掘进方向正前方和下方布置，并且保障工作面底板方向的钻孔不少于2个；在煤层内严禁探放水压高于1 MPa的含水层和充水断层水。

4 结 语

根据3103工作面开采条件和地质水文赋存条件，基于工作面山西组砂岩含水层和基岩风化带含水层的含水特征，基于导水裂隙带的发育高度与含水层间关系，将工作面直接和间接含水层划分为5个等级，通过分析顶板含水层充水条件综合分区图，得出直接含水层的突水危险区域为A6勘探线两侧500 m的范围内，间接含水层的突水危险区域为工作面区域6号勘探线和7号勘探线西部及断层破碎带区域，并给出防治水建议，为工作面安全生产提供一定的参考与借鉴。