矿井奥灰水带压开采技术分析及防治水措施

何志远，索涛涛

(中煤科工山西华泰矿业管理有限公司 河曲分公司，山西 忻州 036504)

随着煤矿采掘活动进行，奥灰水已经给矿井带来了严重危害，在奥灰带压区，应进行以掘进工作面钻探为主的构造超前探测，特别是隐伏导水构造的探测。开拓掘进前，应使用钻探、井下物探等手段探测煤层中是否有隐伏的导水陷落柱、导水断层等，根据探测结果及时采取相应的防治水措施。应加强矿井地质、水文地质工作，配备专职或兼职的水文地质技术人员，在开采过程中认真贯彻《煤矿防治水细则》中坚持“预测预报、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原则，采取探、防、堵、疏、排、截、监的综合治理措施，严格按照《煤矿安全规程》进行生产，确保安全生产[1-3]。

1 井田水文地质条件

1.1 井田主要含水层

(1)奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。根据井田内施工的YZK-1水文钻孔，孔径为110 mm，抽水试验结果表明奥灰溶裂隙含水层静止水位标高为+831.881 m，涌水量为1.04 L/s，单位涌水量为0.128 L/(s·m)，渗透系数为0.011 m/d，水质类型为HCO3-Ca、Mg型，矿化度小于0.5 g/L，总硬度14.0，水温18 ℃。

为获得准确可靠的奥陶系岩溶水文地质资料，公司收集了与本井田南部相邻的上榆泉煤矿和磁窑沟煤业有限公司水井资料。相关资料如下：①上榆泉煤矿白家焉水井。水井在揭露奥灰+147 m，即深440.3 m为上马家沟组下段时，水井才开始有漏水现象，裂隙及溶洞开始发育，终孔450.66 m。出水量达1 440 m3/d，静水位标高为+839 m。②磁窑沟煤业吃水井。取水层为奥陶系中统上马家沟组地层，孔深505.84 m，揭露奥灰深度194.50 m，揭穿奥灰上马家沟组厚度311.34 m，静止水位埋深151.20 m，奥灰水位标高+856.10 m，进行了一次最大降深抽水，降深2.39 m，出水量为90.75 m3/h，单位涌水量为10.55 L/(s·m)，富水性极强。结合区域资料，由此推测井田内奥灰水位标高在+825～+865 m，奥灰水流向由东向西(图1)。

图1 井田奥灰水等水位线示意

(2)石炭系太原组层间灰岩裂隙岩溶含水层组。根据钻孔揭露，井田内太原组的灰岩位于13号煤层以下，岩溶裂隙亦不发育，10号煤层以上含水层以中细粒砂岩为主，厚度6.88～19.72 m，全区平均厚度10.74 m。YZK-1水文钻孔抽水试验结果表明，太原组碎屑岩裂隙含水层静止水位标高+840.641 m，涌水量0.32～0.67 L/s，单位涌水量0.014～0.019 L/(s·m)。渗透系数0.002 99～0.003 60 m/d，水质类型为HCO3、SO4-Ca、Mg型，矿化度1.38g/L，总硬度30～40，pH值为7.7，水温14～26 ℃，属弱富水性含水层。

(3)二叠系山西组砂岩裂隙含水层组。据井田南部相邻的上榆泉煤矿SZK5-4水文孔抽水试验资料，单位涌水量0.005 L/(s·m)，水位埋深79.28 m。

(4)二叠系下统下石盒子组砂岩裂隙含水层。该地层主要由砂岩、泥岩、砂质泥岩组成。井田内最大残留厚度为126.40 m。井田北部磁窑沟煤矿补3号孔未对该含水层进行抽水试验。涌水量0.374～0.610 L/s，单位涌水量0.000 9～0.187 0 L/(s·m)，渗透系数为0.0023～2.0160m/d，水位标高为+968.69～+972.69 m，矿化度0.35 g/L，总硬度11.16，pH值为6.8，水质类型为HCO3-Ca·Na型，富水性弱—中等。

(5)新生界松散岩类孔隙含水层。含水层由第四系中上更新统和第三系上新统组成，分布在全井田山顶，主要接受大气降水入渗补给。

1.2 井田主要隔水层

井田主要隔水层：①二叠系下统下石盒子组泥岩隔水层；②13号煤层下部砂泥岩及本溪组泥岩隔水层。

1.3 矿井充水通道

井田开采煤层的充水通道主要为废弃井筒、封闭不良的钻孔、断层、开采煤层的导水裂缝带等。

(1)构造对矿井充水的影响。井田位于河东煤田的北部，井田构造形态总体呈向北西倾伏的缓倾斜单斜构造，地层倾角3°～10°，一般8°，矿井生产建设中10号煤层南翼大巷揭露8条正断层，落差均小于5 m，断层对煤矿开采影响较小。

(2)封闭不良的钻孔。井田内有钻孔8个，其中YZK-1号为水文孔，其余5个钻孔为地质孔。钻孔突水的特点是水量不大，但水压高，来势凶猛，造成的危害不可小视。在无法确定其是否有威胁时，应设置防水煤柱或进行超前探放。

(3)废弃井筒。井筒也是井下各含水层水力联系的通道之一。井田及周边开采历史较长，关闭报废的井筒(包括老窑、小窑、生产矿井等)数量较多，地表水有可能通过未封堵或封堵不严的井口灌入井下。开采前应进行彻查，及时封堵井口并登记存档，按规定留设保安煤柱，确保矿井安全生产。

(4)煤层采动后的导水裂缝带。井田煤层倾角为3°～10°，各煤层基本顶为砂岩，上覆岩体主要为砂岩、泥岩、砂质泥岩，以中硬岩石为主。依据煤层顶板垮落带、导水裂缝带高度计算公式进行计算，10号煤层东部露头附近，地表水会沿着导水裂缝带进入井下，对煤层开采造成影响。

1.4 矿井水文地质类型

根据山西地宝能源有限公司编制的《山西华鹿阳坡泉煤矿有限公司矿井水文地质划分报告》结果，确定10、11、13号煤层矿井水文地质类型为中等。

1.5 矿井涌水量状况

据调查，该矿未发生过水害事故，尚未发现涌水突变情况，矿井水来源均为顶板水，形成原因主要是巷道和工作面回采后破坏了附近围岩的完整性、沟通含水层造成的。井下出水点情况见表1。

表1 井下出水点位置、水量统计

该矿从2010年停产至今，未记录矿井涌水量与掘开采煤量、降水量关系，但根据该矿以前开采经验邻矿开采经验，得出矿井涌水量受产量和降水量影响明显，其次还在一定程度上受开采面积和掘进量的影响。

2 奥灰含水层富水特征及隔水层分析

2.1 奥灰含水层富水特征

(1)奥灰含水层富水特征。奥陶系在井田内地表未有出露，岩性为灰色厚层状灰岩及泥灰岩，裂隙、溶洞较发育。2006年5月，在井田内施工了YZK-1号水文孔，钻进奥灰灰岩166.2 m。抽水试验结果表明，奥灰溶裂隙含水层静止水位标高为+831.881 m，涌水量为1.04 L/s，单位涌水量为0.128 L/(s·m)，渗透系数0.011 m/d，水质类型为HCO3-Ca、Mg型，矿化度小于0.5 g/L，总硬度14.0，水温18 ℃。井田北部磁窑沟煤业水源井资料，孔深505.84 m，揭露奥灰深度194.50 m，揭穿奥灰上马家沟组厚311.34 m，静止水位埋深151.20 m，奥灰水位标高+856.10 m，进行了一次最大降深抽水，降深2.39 m，出水量90.75 m3/h，单位涌水量10.55 L/(s·m)，富水性极强，水质类型为HCO3-Ca·Mg型，矿化度小于0.5 g/L。根据上述水井及水文孔资料，推测井田内奥灰水位标高在+825～+865 m。

(2)奥灰水突水量估算。根据预测涌水量计算公式[4-6]，预测奥灰岩溶水突水量采用数据及预测结果见表2。

表2 奥灰岩溶水突水量计算

根据奥灰岩溶水突水量预测结果，采掘10号煤层1个横截断面半径为2.05 m导水通道奥灰含水层的突水量为0.4 m3/h，1个横截断面半径为2.83 m导水通道奥灰含水层的突水量为0.44 m3/h；采掘11号煤层1个横截断面半径为2.05 m导水通道奥灰含水层的突水量为0.42 m3/h，1个横截断面半径为2.83 m导水通道奥灰含水层的突水量为0.46 m3/h；采掘13号煤层1个横截断面半径为2.05 m导水通道奥灰含水层的突水量为0.72 m3/h，1个横截断面半径为2.83 m导水通道奥灰含水层的突水量为0.78 m3/h。

2.2 煤层底板隔水层特征

(1)岩性特征。10号煤层底板为泥岩时，抗压强度为12.9～49.1 MPa；11号煤层底板为泥岩时，抗压强度为98.7 MPa，13号煤层底板为泥岩、泥灰岩时，抗压强度为36.9～81.5 MPa。

(2)隔水层厚度特征。井田内以往施工钻中ZK51-1、YZK-2、YZK-3施工至峰峰组，YZK-1、HZK10-3终孔施工至上马家沟组，ZK5、ZK6、HZK13-1施工至太原组。利用井田内ZK51-1、YZK-2、YZK-3、YZK-1、HZK10-3号钻孔对各煤层底板隔水层厚度和奥灰顶面标高进行了统计，ZK5、ZK6、HZK13-1号钻孔为推测值，统计结果详见表3。

表3 10号、11号、13号煤层与奥灰顶面间隔水层厚度及奥灰顶面标高

2.3 构造导水性分析

井田总体为走向南北、向西倾伏的缓倾斜单斜构造，井田内断层不发育，共发育有8条断层。在今后生产中应适时补充物探和水文地质勘查工作，查明陷落柱及断层的导水和富水条件，提供切实可行的防治水措施。

3 矿井奥灰水带压开采技术条件评价

3.1 煤层奥灰带压分区划分

根据奥灰水能否进入采掘工作面发生突水、发生突水的危险性的大小，按《煤矿防治水细则》突水系数计算公式对开采区域进行计算分区[7-8]。井田10、11、13号煤层的奥灰带压开采分区情况如图2—图4所示。

图2 10号煤层突水系数等值线及奥灰带压分区

图3 11号煤层突水系数等值线及奥灰带压分区

图4 13号煤层突水系数等值线及奥灰带压分区

3.2 掘进巷道奥灰带压评价

(1)公式的选取。根据《煤矿防治水细则》，掘进工作面底板安全隔水层厚度的计算公式：

(1)

式中，P为底板隔水层承受的水头压力；Kp为底板隔水层的平均抗拉强度；γ为底板隔水层的平均容重；L为巷道底板宽度；t为安全隔水层厚度。

(2)参数的选取。①L为巷道宽度，取设计巷道宽度4.4 m，松动圈为2 m，则L=6.4 m；②Kp为隔水岩柱岩体抗拉强度，根据井田南部上榆泉煤矿底板抗拉强度测试资料，10、11、13号煤层底板至奥灰顶界为软弱—坚硬—软弱—坚硬相间复合结构的岩层，岩体平均抗拉强度分别为1.98、0.49、0.23 MPa；③γ为隔水岩柱平均容重，取24 kN/m3；④煤层承受最大水压：10、11、13号煤层最大水头压力分别为1.601 6、1.475 1、1.622 8 MPa。

(3)计算分析。将以上参数代入式(1)中，得到10、11、13号煤层的掘进工作面的安全隔水层厚度分别为3.83、7.15、10.69 m。

由10、11、13号煤层隔水层厚度等值线可知，10号煤层最小隔水层厚度为75 m，11号煤层最小隔水层厚度为67 m，13号煤层最小隔水层厚度为46 m，均大于公式计算出的10、11、13号煤层巷道掘进安全隔水层厚度。

3.3 回采工作面奥灰带压评价

3.3.1 突水系数法

根据《煤矿防治水细则》突水系数计算公式如下：

T=P/M，P=(H0-H1+M)×0.009 8

第二天，我早早起了床，来到舞蹈班见了老师，然后老师便把我带进了教室。在那里，我看到了许多和我一样大的孩子，她们体态优美，用友好的眼光望着我。老师开口讲话了：“前几天的学习内容非常简单，我们先尝试着练习一些基本动作，但后面的内容难度大一些，希望大家能够坚持下去。”第三天，果然像老师说的那样，又是压腿，又是劈叉，身体柔韧度不太好的我，已经被折磨得痛不欲生。

(2)

式中，T为突水系数；P为底板隔水层承受的水头压力；M为底板隔水层厚度；H1为煤层底板最低标高；H0为奥灰岩溶水水位标高。

根据公式计算出10、11、13号煤层底板奥灰突水系数，其中井田西北角突水系数值最大，10、11、13号煤层最大突水系数值分别为0.014、0.015、0.027 MPa/m。井田内奥陶系灰岩岩溶裂隙水位标高为+825～+865 m，井田内10、11、13号煤层均为局部带压开采煤层，煤层突水系数均小于0.06 MPa/m。因此，工作面回采是相对安全的。

3.3.2 安全水头压力值计算法

安全水头压力值计算公式：P=TsM

(3)

式中，P为安全水头压力；M为底板隔水层厚度；Ts为临界突水系数。

根据公式计算出10、11、13号煤层底板水头压力及安全水头压力，见表4。

由表4可知，井田内10号煤层底板隔水层承受的水头压力最大为1.493 8 MPa，小于安全水头压力6.51 MPa；11号煤层底板隔水层承受的水头压力最大为1.367 3 MPa，小于安全水头压力5.55 MPa；13号煤层底板隔水层承受的水头压力最大为1.505 0 MPa，小于安全水头压力3.29 MPa。因此，在正常块段的水头压力小于安全水头压力的区域工作面回采是相对安全的，在构造破坏地段及水头压力大于安全水头压力的区域工作面回采是相对危险的，有可能发生突水。

4 防治水措施

4.1 导水构造防治水措施

构造破坏了岩层的完整性，常常成为含水层间的水力通道。构造的某一区段是否导水、导水性强弱、是沿破碎带上下连通还是仅水平接触导水，取决于断层的力学性质、断层带的成分结构、断层的后期改造、断层两侧岩层对接关系、含水层的水压以及采矿活动引起的围岩压力对断层的重新破坏作用。因此，在掌握构造的导水性之前，应该把断层作为导水断层对待，把陷落柱作为导水陷落柱对待。所以，在巷道掘进前应根据巷道的布置情况，对可能揭露的构造进行分析、评价，分析其对巷道掘进的威胁程度，按照《煤矿防治水细则》的有关规定执行，留设防隔水煤岩柱[9-12]。

当巷道掘进至构造附近时，首先采用物探超前探测技术对该构造进行探测，初步确定构造位置，再采用钻探进行验证，精确探查其水文地质性质。此后根据探查结果，依据相关规程的要求留设合理的防水煤(岩)柱或采取其他防治水措施。

4.2 巷道掘进防治水措施

(1)在工作面巷道和大巷等岩巷掘进过程中，要严格按照“有掘必探、先探后掘”的原则进行掘进面超前探查，对巷道掘进面前方的导水陷落柱、断层、褶曲构造、封闭不良钻孔等进行探测[13-15]。

(2)巷道掘进面超前物探推荐采用井下直流电法。利用井下直流电法对掘进面前方巷道顶底板及侧帮进行探测。

(3)超前探测的有效距离为掘进面前方80 m。若经探测分析认为无异常，则应保留30 m的超前距继续掘进；若探测认为有异常，要及时分析产生异常的原因，判别异常可能对应的地质构造形式，并超前打探水孔确定地质构造的含、导水性及其危害程度。

(4)探放水钻进时，发现煤岩松软、片帮、来压或钻孔中水压、水量突然增大，顶钻等异常时，必须停止钻进，但不得拔出钻杆。要立即向矿调度室报告，并派人监测水情，如果发现情况危急，必须立即撤出所有受水威胁地区的人员。

(5)对利用物探手段确定的导水构造、导水陷落柱和采空区等异常区，通过钻探打探水孔进行探测和验证。探水孔必须安装与探水段水压相适应的孔口控水装置。若探放水量较大(大于10 m3/h)，可利用该孔进行简易放水试验，并注浆封堵，然后再继续掘进；若探放水量较小(小于10 m3/h)，可继续掘进，并利用该孔作为水压、水量监测孔；如果水压水量逐渐增大，应停止掘进，立刻进行注浆，其效果经探查验证合格后，再继续掘进。

4.3 工作面防治水措施

(1)在工作面回采前6个月，建议利用音频电透视仪或其他物探手段对工作面顶底板进行探测，确定顶底板岩层的构造及其富水性，圈定出可能发生的突水危险区。

(2)在工作面回采前，凡探测和分析认为存在富水区与工作面内部断层、陷落柱，必须打钻验证。确认为是富水区(包括断层、裂隙带)后，为防止采动过程中破坏加剧，对钻探水量大的钻孔应尽快进行堵水处理。

(3)回采工作面中的突水点如不影响工作面回采，可只采取排水措施；如影响工作面回采，需针对突水点分析其原因和通道进行封堵，减少突水，保障安全回采。

4.4 底板注浆加固及改造

底板薄弱带探查与局部注浆加固是奥灰水水害防治的重要内容，贯穿于煤层整个生产活动中，其目的是充分利用隔水层阻水能力实现奥灰水带压安全开采。探查工作须在生产各个环节实施，实施阶段及方法如下。

(1)在采区开拓前，须开展地面物探或井下探查工作，确定断层、陷落柱平面位置，对其富水性进行解释，为井下富水异常区探查提供依据。

(2)在主要巷道开拓及工作面掘进时，坚持“有掘必探”原则，采用井下物探、钻探相结合探查方法，尤其是在地面物探揭示存在富水异常构造带附近采掘时，要给予高度重视。

(3)在工作面回采前，采用井下音频透视方法，探查工作面内部及顶底板构造发育情况、富水异常带分布情况，采用钻探手段进行底板奥灰水文地质条件探查、疏放与底板破碎带注浆治理。

5 结论

(1)根据井田内YZK-1号水文钻孔资料及周边煤矿水井资料，井田奥灰含水层富水性中等。推测该井田内奥灰水位标高为+825～+850 m，地下水流向西南。

(2)巷道掘进奥灰水带压评价：依据井田钻孔资料，计算可知煤层开采隔水层厚度大于10、11、13号煤层巷道掘进安全隔水层厚度，在正常块段工作面掘进过程中受到底板奥灰水的威胁小，是相对安全的；但在构造破坏地带，因断层、陷落柱等具有导水性，在承压区内有可能发生突水。

(3)根据10、11、13号煤层奥灰带压分区图可知，10、11、13号煤层在正常块段工作面回采是相对安全的，在构造破坏地段工作面回采是相对危险的，有可能发生突水。

(4)在分析井田开采的水文地质条件的基础上，依据该矿井奥灰突水带压评价，应做好常规水文监测，采用物探、钻探、注浆等措施，加强导水构造和底板薄弱带的探查与治理，建立强大的排水系统保障安全开采。