大佛寺煤矿复合煤层开采条件下的水害防治技术研究

2022-05-26高丁丁任晓东

陕西煤炭 2022年3期

高丁丁，任晓东

(陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西咸阳 713500)

0 引言

大佛寺煤矿进入4号煤、4上煤联合开采以来，4号煤工作面受到不同程度的顶板水害影响，根据对4号煤单煤层开采和复合煤层开采的水害影响进行对比分析，复合煤层开采条件下同时面临顶板洛河组-宜君组含水层涌水、采空区积水和离层水害的多重威胁，且多种水害互相影响叠加，主要表现为“脉冲性”出水的典型特征，对回采工作面安全生产有着严重威胁。本文通过对大佛寺煤矿40109工作面涌水原因和涌水通道进行分析，针对水害问题制定了综合防治水措施，保证工作面安全生产，同时为后期复合煤层开采区域水害防治提供技术支撑。

1 工作面概况及矿井水文地质条件

1.1 工作面概况

40109工作面为401采区西翼第3个4号煤与4上煤联合开采工作面，采用后退式走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。工作面走向长1 860 m，倾向200 m，煤层埋藏深度346.4～503.3 m，煤层厚度约13.2 m，平均可采厚度为12.2 m。工作面剖面如图1所示。

图1 40109工作面剖面位置示意Fig.1 Sectional position of 40109 working face

40109工作面上部41105工作面煤层平均厚度为3.0～4.7 m，平均可采厚度为3.5 m；切眼到停采线4号煤与4上煤间距由10 m逐渐变化为34 m左右；工作面位于401采区西翼中段，区域构造位置处于祁家背斜与师家店向斜之间，受师家店向斜穿过工作面中部，工作面煤层倾角为2°～6°左右，工作面中西部煤层倾角相对较大。

1.2 矿井水文地质条件

井田内主要发育有第四系松散层孔隙潜水；白垩系洛河组和宜君组承压含水层；侏罗系安定组、直罗组和延安组砂岩含水层。隔水层包括新近系上中新统小章沟组隔水层、白垩系下统华池组相对隔水层、侏罗系中统安定组隔水层、侏罗系下统富县组隔水层以及三叠系上统胡家村组相对隔水层，含隔水层与煤层的上下赋存关系如图2所示。

图2 大佛寺煤矿含隔水层与煤层的上下赋存关系示意Fig.2 The relationship between upper and lower occurrence of aquifer and coal seam in Dafosi Coal Mine

第四系松散层孔隙潜水含水层(Q)：①河谷区冲、洪积层孔隙潜水(Q4)分布于泾河及磨子沟、安化沟、菜子沟等河谷及沟谷中，呈带状展布，最大厚度26.20 m，一般厚度10.55～17.45 m，上部以砂质黏土、粉砂为主；下部为中、粗砂及砾石层。水质多为HCO3-Na·Ca·Mg型或HCO3·SO4-Na型，矿化度0.45～1.27 g/L。②全区分布，各沟谷中均有出露。该组顶部为马兰黄土(Q3)，一般厚5～10 m，系浅灰黄色黏土，透水而不含水；中部为离石黄土(Q2)，一般厚80～100 m，以浅黄褐色砂质黏土为主，中部夹钙质结核层或砂砾石层，孔隙性较好，形成弱的含水层，含水层厚度一般20～30 m；下部为午城黄土(Q1)，以深黄褐色砂质黏土为主，较致密，具隔水性，水质为HCO3-Ca·Mg·Na型，矿化度小于0.5 g/L。

白垩系下统洛河组孔隙-裂隙承压含水岩组(K1l)：岩性以棕红色中、粗粒砂岩为主，夹砾岩或含砾粗砂岩及少量泥岩、砂质泥岩。含水岩段由各类砂岩组成，厚7.35～282.20 m，平均167.41 m；南薄北厚，东薄西厚，富水性由南向北逐渐增强，露头部分为无压水。单位涌水量0.012 75～0.050 8 L/s·m，渗透系数0.018～0.082 m/d，水质类型为SO4-Na·Mg型，矿化度1.18 g/L。

白垩系下统宜君组裂隙承压含水岩组(K1y)：岩性为砂砾及砾岩，一般厚度20～30 m，渗透系数0.000 687～0.002 429 m/d，富水性弱。水质类型SO4-Na型，矿化度3.964 g/L。

侏罗系中统直罗组裂隙承压含水岩组(J2z)：岩性为浅灰绿色中粗粒砂岩及砂质泥岩、泥岩，一般厚度8.65～54.02 m，渗透系数0.000 12～0.005 9 m/d，富水性极弱，水质类型Cl-Na型，矿化度12.58 g/L。

侏罗系中统延安组裂隙承压含水岩组(J2y)：①4上煤以上裂隙承压含水层段(J2y上段)，该层段含水层由中粒砂岩及少量含砾粗砂岩组成，厚度一般4.60～13.10 m，渗透系数0.005 m/d，富水性弱，水质类型为Cl-Na型，矿化度16.15 g/L。②4上煤～4号煤裂隙承压含水层段(J2y下段)，该层段含水层由4上煤及其间接顶板之中-粗粒砂岩、砂砾岩组成，厚度一般6.75～25.34 m，富水性弱，渗透系数0.000 22～0.002 2 m/d，水质类型为Cl-Na型，矿化度13.78～13.88 g/L。

2 工作面充水因素分析

2.1 工作面导水裂隙带高度预计

导水裂隙带是冒落带和裂隙带的合称。分析导水裂隙带的高度对下分层煤层开采具有重要意义，它是评价上分层开采后形成的采空区积水及上覆含水层水对下分层煤层正常开采的影响。

根据陕西省煤田地质局一八六队编制的《大佛寺煤矿地下水对煤矿安全开采影响的研究与分析》报告，4号煤裂高采厚比一般为16.85，40109工作面平均煤厚为13.2 m，可采煤厚平均为12.2 m，经计算得导水裂隙带发育高度平均为205.6 m。

2.2 工作面充水水源分析

地下水：4号煤上覆的基岩含水层主要有4号煤顶板延安组裂隙含水层、直罗组裂隙承压含水层、洛河宜君组孔隙裂隙承压含水层，以及松散层含水层。40109工作面范围内4号煤层距洛河组含水层平均隔厚165～190 m左右，根据对40109工作面导水裂隙带高度计算得出，在工作面回采过程中导水裂隙带发育高度可在工作面全部区域范围内均波及到洛河组含水层。

采空区积水：40109工作面范围内4号煤层与4上煤间距为10～34 m，采空区位于4号煤冒落带发育范围内，故回采垮落过程中会导通41105采空区积水，故上覆4上煤采空区积水是工作面直接充水水源。

综上得出40109工作面直接充水水源主要有41105工作面采空区积水、直罗-延安组砂岩含水层水、洛河-宜君组砂砾岩含水层水，40109工作面导水裂隙带波及上覆采空区如图3所示。

图3 40109工作面导水裂隙带波及上覆采空区示意Fig.3 The water-conducting fracture zone of the 40109 working face spreads to the overlying goaf

2.3 上覆采空区积水分析

对上部积水区的准确判断是防治老空积水的重点和难点。40109工作面上覆为411采区41105回采工作面，积水区域位于工作面停采线向里500～900 m，如图4所示。

图4 41105工作面积水范围预测及钻孔施工示意Fig.4 Prediction of water range and drilling construction in 41105 working face

积水量计算公式为

式中，Q采为采空区积水量，m3；M为采空区煤层采高，取3.2 m；S为采空区积水面积，m2；α为煤层平均倾角，(°)；K为充水系数，取0.25。计算得41105采空区积水面积54 447 m2，积水量10 889 m3。

2.4 工作面导水通道

由于采煤影响其顶板导水裂隙带将向上发育，导通上部含水层造成顶板含水层涌水矿井形成水害，洛河组含水层水通过顶板导水裂隙带进入采空区和工作面，故40109工作面回采过程中顶板导水裂隙带为其主要导水通道。

3 工作面防治水措施

3.1 水害超前治理，积极开展探查疏放，杜绝水害事故发生

掘进前，开展水文地质条件分析，实施邻近采空区探放水、超前瞬变电磁勘探及超前探放水等工程，提前疏放采空区积水，进一步探查水文地质条件。

回采前，开展井下顶板水文物探、水害风险评价、顶板异常区探放水、顶板离层井下探放水、采空区积水探放水，并建立具有抗灾能力的排水系统。

3.2 落实水害治理措施，加强现场监督管理，提高水害管理能力

针对工作面涌水量变化剧烈，加强了排水系统建设。工作面排水系统有效能力均达预测最大涌水量的1.2倍以上，各排水点均为双泵双电源，独立管路，确保排水系统满足排水需求。

工作面运、回顺建设为独立排水系统。①疏导涌水路径。针对工作面内涌水，通过调整采煤工艺，沿工作面走向、倾向留设挡水梁，使工作面涌水沿上下隅角流出，避免水上系统，减小对生产的影响。②缩减排水路径，实现清污分离。将工作面涌水疏导至上下隅角，同时往采空区压设排水管路或直接在水沟内压设管路，使涌水直接排至水仓，而不经过运输系统及运回顺巷道，从而减少携带的煤泥量，实现清污分离。③煤泥三级沉淀。工作面下山推采出现涌水时，在出水点或上下隅角根据地形垒设沉淀池进行一次沉淀；同时在涌水流至水仓过程中利用沿途钻场等设置沉淀池，对煤泥进行二次沉淀；最后利用水仓内沉淀池进行3次沉淀，减少煤泥对排水系统的危害，提高排水效率。工作面上山推采时，利用泄水通道将涌水从老空直接导入泄水巷后进行滞后排水，有效减小工作面前方涌水量。