深部复杂条件下煤矿充水因素与防治技术研究

2021-12-14姬永飞

山西焦煤科技 2021年10期

姬永飞,张军

(铜川矿务局有限公司冶坪分公司，陕西铜川 727100)

我国煤矿水文地质条件复杂，严重影响着煤矿安全生产。许多学者对煤矿水害防治进行了研究并取得了有效的成果。黄选明等[1]从充水水源、充水通道、充水强度方面分析了露天煤矿水害特征，提出露天煤矿由远及近、由上而下、由面至点的立体防治水技术体系。崔芳鹏等[2]对依据充水水源、煤层与含水层相对位置和导水通道等分类的诸多矿井水害的防治技术与方法进行了分析与探讨，为不同类型煤矿水害的精细化防治提供技术支持。梁敬东[3]通过对煤矿断层充水基本特征的分析，提出断层充水的防治建议。

近年来，冶坪煤矿逐渐向深部开采，水害严重影响工作面的正常回采，本文从该矿地质概况、水文地质条件等方面，分析了水害的危险性并提出具体的防治措施。

1 工程概况

冶坪煤矿隶属于陕西美鑫矿业有限公司，为原薛家寨煤矿和玉峰煤矿产能异地置换而新建的矿井。矿井主采煤层为3#煤层和4-2#煤层，均属局部可采煤层，3煤厚度0～4 m，平均厚度2.05 m，4-2煤厚度0～9.90 m，平均厚度3.26 m，开采标高为+990～+780 m.冶坪矿井在2020年底正式开始首采面1301工作面的回采，工作面目前未见明显的顶板涌水，建井阶段矿井涌水主要为井筒及大巷涌水，矿井总涌水量27.7～46.9 m3/h，在雨季会出现涌水量增大现象，2020年矿井平均涌水量36.65 m3/h.洛河组含水层厚度大，富水性较好，补给条件好，若导水裂隙带波及洛河组含水层后可能出现涌水增大现象。相邻崔家沟煤矿、下石节煤矿等在回采4-2煤时均出现过明显的涌水量波动现象，下石节煤矿回采3-2煤层时，在工作面回采末期也出现涌水量波动现象，最大涌水量可达200 m3/h以上，说明了洛河组含水层富水性相对较好，且富水性不均一，在局部区域可能出现涌水量突增，影响工作面回采。

根据井田及周边施工的42个钻孔统计数据及地层覆岩发育特征综合分析，得出一采区顶板覆岩厚度变化规律。一采区内华池组厚度变化较大，为140～280 m，采区西南部由于地表沟谷区域剥蚀，华池组厚度减小，向东部、北部方向存在厚度较大区域；采区华池组地层底板标高+1 300～+1 365 m，呈倾向NW的单斜构造，见图1,2.

图1 华池组地层厚度等值线图

洛河组厚度变化为276～295 m，采区北部、西南部洛河组地层厚度较小，向东南方向地层厚度逐渐增大，采区东南部分厚度接近300 m，见图3,4.洛河组地层整体呈一NNW倾向单斜，一采区内底板较为平缓，标高+1 020～+1 065 m，采区南部洛河组地层底板标高平缓，在+1 065 m附近，向北西方向地层底板标高逐渐减小，未见明显褶皱发育。

图2 华池组底板标高等值线图

图3 洛河组地层厚度等值线图

图4 洛河组底板标高等值线图

2 深部煤矿充水因素分析

2.1 充水水源

根据井上下基础资料，主要分析矿井一采区东部充水水源及充水通道，对已采区域矿井充水强度进行总结。

1)大气降水和地表水。矿井区域属大陆性半干旱季风气候，一次性最大降水量294.8 mm.在基岩出露区域，对地下含水层具有一定的补给。据矿井涌水量相关因素曲线图(图5)，目前矿井涌水主要以井筒及大巷涌水为主，在8—9月份降雨量较大时间，矿井涌水有随之增大的现象，大气降水为间接充水水源。

图5 涌水量相关因素曲线图

2)地下水。现有的规程规范中收录的导水裂隙带发育高度经验公式，均有一定的适用条件，目前的限制条件大部分为采厚。冶坪煤矿一采区范围内3煤厚度为1.50～3.50 m，大部分区域内煤层厚度在2～3 m，局部存在薄煤带，采区所布设均为综采工作面，3煤顶板为中硬顶板，根据经验公式预测，导水裂隙带发育高度最大为47.4 m.

冶坪矿井煤层采厚以2～3 m为主，一采区工作面采宽为180 m，周边矿井采宽与采厚一般均大于冶坪矿井(表1)，仅下石节煤矿回采3-2煤的2301工作面，采厚、采宽与冶坪煤矿最为相近，且覆岩结构类似，2301工作面宽度215 m，煤层采厚4.2 m，实测裂采比26.7 m，冶坪矿导水裂隙带发育高度预测采用下石节煤矿2301工作面实测裂采比26.7倍计算。冶坪矿井3#煤厚度总体较小，且含多层夹矸，在预计导水裂隙带时仅考虑可采煤厚，可采厚度小于综采支架最低高度2.1 m时，按2.1 m采厚计算，则一采区导水裂隙带发育高度为56.07～85.44 m.

表1 导水裂隙带发育高度实测结果统计表

3)顶板含水层水。

预测导高与洛河组底板距离等值线见图6.如图6所示，采厚较小工作面导水裂隙带发育高度也能达到较大值，相邻井田实测值也说明经验公式计算结果在该区域地质条件下并不适用，因此，选用实测裂采比预测冶坪矿导水裂隙带发育高度，即56.07～85.44 m.冶坪煤矿一采区范围内，3煤顶板与洛河组底界面的间距为85～125 m.前述分析，井田内导水裂隙带发育高度最大为85.44 m，预计导水裂隙均未发育至洛河组底部。在相邻矿井较薄煤层工作面开采中，出现过导水裂隙带波及洛河组造成工作面回采末期涌水量增大的现象，冶坪矿井回采中也应注意局部构造区域导水裂隙带发育高度异常造成的涌水量增大现象。

图6 预测导高与洛河组底板距离等值线图

4)采空区积水。

根据前述分析，崔家沟井田采掘工作不受下石节、陈家山煤矿采空区积水影响，井田内也未见以往生产小窑，目前仅崔家沟煤矿一盘区采空区积水可能对冶坪矿井东部1307、1308工作面回采有一定影响。据矿井提供数据，崔家沟煤矿的一盘区现已经回采完并封闭，闭墙已开始涌水，采空区内完全充水，积水标高+1 000 m；崔家沟一盘区2116工作面进入冶坪矿井田边界内约233 m，该工作面回采延安组4-2煤，进入冶坪矿的采空区最低点为+892.813 m(巷道控制点推算)，以此计算2116采空区最低点水头压力达1.072 MPa，采空区积水量大、积水压力高，可能威胁冶坪矿邻近工作面回采。崔家沟一盘区采空区积水对3#煤采掘活动具有一定威胁，采前应采取相应水害防治措施。

2.2 充水通道特征分析

1)采动裂隙。崔家沟煤矿2116工作面开采4-2煤，煤层采厚7.5 m，以实测裂采比27.55倍计算，2116采空区导水裂隙带已波及顶板洛河组含水层，崔家沟矿一盘区充水通道也主要以采动导水裂隙带为主。相邻矿井常以留设煤柱方法作为防隔水措施，若煤柱宽度不足，可能存在两矿顶板导水裂隙带发育区域互相沟通，相邻已采区的采空区积水或含水层水会经导水裂隙带侧向补给本矿回采工作面顶板含水层，造成工作面充水强度增大。

2)构造裂隙。矿井正在进行首采面1301工作面回采，以往掘进或回采期间并未揭露断裂构造，一采区内构造以褶曲为主，据覆岩底板等值线推断，褶皱主要在侏罗系地层内发育，未波及白垩系地层，褶皱轴部可能存在裂隙发育区域，回采至褶皱轴部可能出现淋水增大现象。另外，在1301工作面切眼部位揭露一薄煤区，推断为受背斜构造影响的构造薄煤区，薄煤区或无煤区也有可能是古河流冲刷形成，对应区域可能存在河流相沉积的砂砾岩区域，富水性相对较好，回采至该区域可能出现顶板淋水增大现象。

3)封闭不良钻孔。一采区内有以往勘探时期施工的10个钻孔，均为2013年由陕西省一九四煤田地质有限公司施工的勘探钻孔，根据钻孔柱状图，所有钻孔均为洛河组底板以上10 m至终孔为水泥砂浆封闭，顶部黄泥封堵，全孔封闭，但由于部分煤层较厚处导水裂隙带顶部距离洛河组含水层较近，黄泥封堵效果难以保证，因此在回采至对应钻孔时，应加强水情观测，必要时采取治理措施。

3 复杂条件下深部煤矿防治水关键技术措施

3.1 防治水思路

根据冶坪矿井一采区可能面临的水害威胁，提出了防治水技术措施，具体防治水思路见图7.巷道掘进前分析地质及水文地质条件，做好掘进探放水设计及掘进中超前段水情探查工作，加强邻采空区巷道淋(渗)水情况观测；回采前探查并确定2116采空区具体位置，进行采前防治水安全评价；对采空区积水区域留设合理防隔水煤柱，必要时可采取注浆充填技术进行采空区水害治理。

图7 东部边界3煤开采防治水技术路线图

3.2 掘进防治水措施

崔家沟2116采空区与冶坪煤矿开采工作面位置明确，确定其采空区存在积水，3煤单轴抗压强度6.63 MPa，属碎软煤层，探水线应为采空区积水边界外推30～40 m，安全起见此处取40 m(考虑覆岩破坏裂缝角时，应自采空区边界外推47.73 m)；警戒线应自探水线外推20～40 m，考虑采空区水头压力较大，警戒线外推距离取100 m.1308工作面巷道工程基本位于探水线以外，掘进过程中应自警戒线开始警惕积水威胁，注意观察掘进头及采空区一侧煤壁出水情况，做好巷道渗水及掘进探放水钻孔水情观测。

掘进超前探放水：进入采空区积水警戒线以后，应编制每循环探放水设计，安排专用钻机及专职队伍，加密钻探、物探相结合的掘进超前段水情循环探查，直至掘进工程安全掘进出警戒区域后，恢复正常探水循环。

探放水工程：巷道掘进超前物探建议选用瞬变电磁法进行，探查分析巷道掘进前方、右前方(采空区方向)的异常含水体(包括可能存在的导水构造或者盲巷)；掘进钻探根据以往探放水加密布设钻孔，向采空区一侧施工的探查钻孔应开展钻孔测斜工作，确定钻进方向准确性，见图8.图8中钻孔数量不代表实际施工数量，具体钻孔设计矿方依实际情况布设。

图8 掘进超前物探方向示意图

掘进水情观测：掘进前编制好水害应急预案并进行相关培训，掘进中做好采空区一侧煤壁水情观测，建立探放水台账，对巷道涌水、钻孔水及时采取水样进行分析对比，判断充水水源。

3.3 注浆后工作面底板突水危险性分析

在冶坪矿采用超声波法测量底板岩体受注浆加固及开采影响下岩体波速变化的实测值，进而利用公式将其转化为岩体弹性模量，结果见图9.

图9 不同深度处底板岩体弹性模量图

实测数据分析表明正常带岩体，受注浆加固作用影响，岩体强度变化明显，未经过注浆加固作用的岩体弹性模量最低值为0.2 GPa、最大值为4.3 GPa，小范围深度内岩体弹性模量变化不大，大范围对比下，岩体弹性模量变化较为明显，其变化的差异性体现了底板岩体岩性的多样性及岩层厚度的变化。注浆前底板岩体弹性模量平均值为1.9 GPa；分时实测数据表明，经过注浆加固作用的岩体，岩体的弹性模量显著增大，最小值、最大值分别提高到3.1 GPa和11.7 GPa，平均值为6.3 GPa；受开采影响，底板扰动破坏使得其岩体弹性模量减少，最小值、最大值分别降低到1.8 GPa和9.0 GPa，平均值为4.8 GPa，整体岩体强度平均减弱24%，但仍高于注浆加固前岩体弹性模量。

3.4 注浆加固底板岩体富水性探测

工作面底板注浆加固后，利用井下瞬变电磁勘探技术探查冶坪矿工作面下顺槽通尺1 770～2 270 m段所圈区域二1煤底板下方70 m范围内的岩层赋水性情况，划分探测范围内底板岩层的相对贫、富水区域，检验工作面底板注浆加固的效果。勘探成果见图10,11.由图10看出，物探范围内下顺槽内帮俯角45°勘探成果中的主要相对低阻异常区为X1-1，位于通尺1 800 m～1 855 m段附近，异常范围较小。该低阻区位于煤层底板下方L8灰岩附近、距离二1煤层较近，可能系附近岩层相对破碎、裂隙发育或具有一定赋水性引起，工作面回采时，该低阻区附近的区域不排除发生底板突水的可能性。