矿井水文地质特征及水害防治技术研究

高建峰

（霍州煤电集团有限责任公司河津杜家沟煤业有限公司，山西临汾041000）

在煤矿生产中，矿井水害是制约我国煤矿安全生产的重要因素之一。由于含煤地层总体来说形成时间较晚、成岩的差异较大。由于地质条件的特殊性，在进行煤炭开采活动中出现了许多矿井水害问题，如突水突泥、突水水量大、采动覆岩破坏严重等[1-2]，因此，对矿井开采活动中的防治水，也应加速研究，以保障特殊水文地质条件下矿井的安全开采。本文以杜家沟矿为研究对象，对水文地质条件及水害治理做出一定的研究。

1 矿井概况及水文地质特征

杜家沟矿位于山西省河津市清涧镇杜家沟村西北约3km处，井田面积约9.89km2，矿井南北长4.660km，东西宽4.500km，矿年设计生产能力0.60Mt/a。现主要开采山西组2#煤层，采用综采一次采全高的采煤方法。矿井地质为侵蚀性黄土低山区。矿井的水属黄河流域三川河水系东川河支流南岸汇水区，矿井煤层埋深较浅，且存在季节性洪水、矿井含水层涌水现象十分常见，涌水量和涌水水压较大。为了保证矿山的生产安全，对该矿水文地质进行分析，并给出相应对水害防治的措施。矿区的地质构造为南西单斜构造，根据资料可知地层的倾角为3°~14°，平均约为5°。在井田范围内的地表无基岩露出，地层均为第三系、第四系覆盖，矿区的地层由老至新分别为奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组，第三系上新统、第四系中上更新统以及全新统。其中奥陶系中统峰峰组为含煤岩系之基底，石炭系上统太原组、二叠系下统山西组为井田内主要含煤地层[3]。

杜家沟矿的2-101工作面水文地质条件较为复杂，井田奥灰水位标高为+578.60~+582.20m，工作面煤层底板的标高为670m，低于奥灰静止水位标高88~92m，属带压开采，煤层底板最大突水系数为0.019MPa/m，当采区在没有构造导水的情况下，工作面较为安全。考虑到工作面的构造较发育，随意导致构造导水不能及时排除，易造成工作面出现水害。回采前已对同层2-104工作面采空积水进行了探放，发现打通后采空区后均无水，所以2-104采空积水对工作面回采无影响；对同层2-101工作面采空积水进行了探放，发现动态补给水水量分别为3m3/h、6m3/h，水量对工作面回采几乎无影响。同时根据资料可以看出工作面的顶板砂岩含水层储水是工作面主要的充水因素，当工作面持续掘进时，此时由于工程扰动，造成工作面顶板出现裂隙，且裂隙的数量不断增加，此时的顶板砂岩含水层的水会沿顶板裂隙和支护锚杆、锚索孔进入到工作面中，影响工作面的正常生产。在正常情况下，工作面的水量一般仅表现为滴水、淋水的现象。工作面正常涌水量为5~10m3/h，最大涌水量为

50m3/h。

当煤层完成开采后，此时巷道的上覆岩层出现破坏及运移，此时覆岩形式“上三带”，分别为垮落带、裂隙带及弯曲带。三带中垮落带的空隙较大，且垮落带的空隙间连通性强，这就造成了工作面水害，所以对工作面进行防水是十分有必要的[4]。

2 防治技术研究

为了对覆岩的三带进行研究，本文选定电阻率法来对覆岩的三带进行研究。电阻率法测定三带技术主要是利用不同的破坏带具有显著的电阻率差异，来观测上覆岩层的破坏过程。一般来说在工作面巷道的纵向工作面的开采方向进行施工，在施工顶板位置进行垂直方向钻孔，在观测孔内设置电极后，随着工作面的推进，观测孔内观测系统将会反映出采动前、中的电性参数，从而在一定程度上反映覆岩破坏带发育的情况及规律。本文测试选用的设备为并行网络电法仪，仪器最大的优势在于可以实现任意电极供电，电性参数可以在任意极端进行测得。并行网络电法仪如图1所示。

图1 并行网络电法仪

在2-101工作面进行钻孔，分别布置T1、T2钻孔位于2-101下顺槽处，T1钻孔与2-101下顺槽的夹角设定为10°，朝向工作面推进方向，钻孔的仰角设定为35°，钻孔的孔深67m，垂高为36m，平距为57.6m；T2钻孔与2-101下顺槽的夹角设定为10°，同样朝向工作面推进方向，观测钻孔的仰角为39°，布置孔深74m，垂高和平距分别为45m、57m。完成观测钻孔施工后，经实际测量获取实际的钻孔参数，实际钻孔参数与设计参数相差符合相应的规定，在两钻孔内分别布置电极系统，进行三带的测定。

两个观测钻孔可以实现全程的实时监测，可以有效地获得工作面受采动影响前后顶板的特征，同时选定初始状态以及顶板破坏后的电阻率剖面图进行对比反映覆岩的变化情况。采动前的电阻率剖面图如图2所示。

图2 采动前钻孔电阻率剖面图

图2 所示为采动前电阻率剖面图，从图中可以看出电阻率结果图像采用统一图标，蓝绿色表示较低电阻率值区，红色表示较高电阻率值区。可以看出采动前初始状态下T1和T2钻孔观测到的电阻率剖面图较为稳定，最大值均不超过200Ω·m，除极少范围内出现较大的电阻率，大部分位置的电阻率保持在40Ω·m左右，与正常的砂岩及泥岩层电阻率相差不大[5]。

采动后的电阻率剖面图如图3所示。

图3 所示分别为工作面回采过后T1、T2观测孔测得的电阻率，可以看出此时的电阻率对比初始状态有了一定幅度的提升，且升高的幅度较大，同时顶板的大面积范围内的电阻率均增大。对T1钻孔和T2钻孔的电阻率分布特征的分析，得到两钻孔处间的覆岩垮落带高度约为16m左右。通过电阻率数据可以得出导水裂隙带发育的高度远超预期，所以对工作面进行防水处理是十分有必要的[6-7]。

图3 采动后钻孔电阻率剖面图

3 防治水的措施

矿井防治水的措施：

（1）回采过程中严格按照要求进行防治水施工。

（2）顶板灰岩裂隙水防治：工作面必须配备排水能力不小于最大涌水量两倍的排水设施及管路，并有备用水泵，压风、供水管预留接口作为备用排水管，并定期维护，确保其完好[8]。

（3）采空区积水防治：回采前按照专门探放水设计对2-101工作面采空积水区进行了探放，采空积水已放完，对工作面的回采无影响，但对动态补给水施工队组定期按排人员排放[9]。

（4）奥灰水防治：掘进中揭露的构造现不导水，但回采中受采动影响构造滞后导水不能排除，回采前必须对工作面进行坑透、瞬变电磁探测，异常区需进行钻探验证，确保安全后方可回采。回采过程中构造附近应加强观测，如工作面发生底鼓、顶板来压、裂隙增大、裂隙出现渗水、水质清澈、稳定、无臭味以及在遇构造时出现渗水、涌水等突水征兆，应立即撤退，并采取相应措施[10]。

4 结论

本文通过对杜家沟矿的水文地质进行研究，以2-101工作面为研究背景，通过原有资料配合电阻率法对覆岩的三带进行研究，发现2-101工作面的导水带发育较好，为避免水害的发生，给出了相应的防水措施，有效的保证了矿山的正常开采。