陈蛮庄煤矿3602 工作面突水分析及防治水措施

秦道霞 董绪峰 曹逸宁

（1.山东菏泽单县能源有限公司，山东 菏泽 274300；2.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271000）

近年来，矿井防治水专业技术人员通过多种技术方法对煤矿防治水做出巨大贡献。其中，杨旭伟、付民强[1]基于物探手段对东滩矿63上04 工作面进行突水分析，并对该工作面提出了防治水的建议；李标、李年爱[2]对高压含水层进行突水分析，并提出一种底板全方位立体注浆加固技术；李松营、吴强等[3]对工作面煤壁侧底板突水分析，得出底板突水的原因以及危险开采区域。

本文针对陈蛮庄煤矿3602 工作面开采过程中出现突（涌）水量增加的情况，通过对工作面顶板煤柱留设、底板三灰含水层富水性及工作面突水源的分析，并依据当前的突水情况提出相应的防治水措施。

1 工作面概述

受DF18、DF19 断层影响，原3602 工作面共划分为3 个块段（如图1）。

图1 3602 工作面平面图

由于Ⅱ块段、Ⅲ块段构造复杂，三灰厚度增大，断层附近局部突水系数超规定及水害威胁较大等情况，暂不开采，只对3602 工作面Ⅰ块段进行开采。其中I 块段煤层为山西组3 煤层，煤层厚度平均3.2 m，煤层倾角平均25°，开采中出现了小型突水。为保障工作面的安全开采，需查明突水增大的原因。

2 工作面水量变化情况及水源分析

2.1 工作面水量变化情况及原因

工作面回采初期涌水量为10～12 m3/h，主要为上部顶板淋水及生产用水。在开采的过程中出现了两次涌水量增加的情况，较回采初期涌水量增加18 m³/h，目前3602 工作面涌水量30 m³/h，但小于工作面预计正常涌水量39 m³/h，属于正常涌水量安全可采范围。

在工作面开采的过程中涌水量出现了两次增加。

第一次水量增加的原因是3800 采区运输系统改造，3602 工作面停采，由于停采时间较长，工作面40#～60#支架后部水经架间流入面前。经检测面前的水量在10～12 m³/h，实测水温28.5 ℃，后部采空区水量5 m³/h，总计涌水量16 m³/h。

第二次涌水量增加是因春节期间工作面需要停采，但春节过后又因3602 工作面与3804 轨道时空关系不满足防冲要求主动停止3602 工作面的开采。由于长时间的停采，经检测人员检测发现工作面84#～87#、91#、92#架前底板煤岩层交界面出现多个渗水点，水量增大10 m³/h，水量稳定在30 m³/h，水温31 ℃。

综合分析，工作面两次水量增加的原因都是因为工作面的停采，导致底板的破坏深度在停采位置附近不断增大，形成底板裂隙，导致底板水的渗出。

2.2 涌水水源分析

先对涌水的水温进行了测量，温度最高为32℃，矿井检测奥灰水温为47 ℃，该工作面底板三灰水温正常在35～37 ℃左右，顶、底板水温一般在28～33 ℃，水温与底板砂岩水、三灰水均接近。

然后，通过取水样进行化验，与原有的奥灰含水层水、底板三灰水及砂岩水水质参数（如表1）进行对比分析。根据SO42-离子含量，可以排除松散层底部水源；对比奥灰水源主要离子含量及pH值，可以排除奥灰出水；对比工作面砂岩水、三灰水样离子含量及pH 值，基本一致。通过对水质化验进行分析，结合现场实际出水形式，最终确定水源为底板砂岩水与三灰混合水。

表1 水质化验主要离子参数对比表

依据矿井西翼轨道上方工作面回采对底板破坏现状及理论计算，预计3602 工作面底板最大破坏深度27.8 m。3602 工作面回采期间两次因停采水量增加，主要原因是由于矿山压力影响，结合底板破坏深度变化规律分析，回采工作面停采后底板破坏深度在停采位置附近不断增大，形成底板裂隙，导致底板砂岩水及三灰水渗出。

综合对水温的测量、出水形式以及水质化验的分析，可以确定突水水源是来自底板的砂岩水与三灰混合水。

3 3602 工作面突水分析

3.1 DF19 断层活化导通奥灰可能性分析

为分析断层是否对工作面出水产生影响，用两条勘测线对工作面的断层进行勘探，分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ勘探线。Ⅰ-Ⅰ勘探线位于原3602 工作面Ⅱ块段，距Ⅰ块段3602 工作面切眼110 m。结合地震波分析，断层在该位置延展至煤层底板以下39 m后地层稳定，不再受断层影响。Ⅱ-Ⅱ勘探线为断层向下延展深度最大处，距离Ⅰ块段3602 工作面切眼490 m。结合地震波分析，断层在该位置延展至煤层底板以下86 m后地层稳定，不再受断层影响。

依据3602 工作面内地面钻孔及井下钻探资料，3 煤层底板下距三灰含水层顶板最小层间距64 m，距离奥灰含水层间距为232 m。DF19 断层向下最大延伸至煤层底板以下86 m，距奥灰隔水层厚度为146 m，无活化导通奥灰含水层风险。

DF19 断层在向切眼方向延展过程中断层破坏深度逐渐变小，3602 工作面切眼以里110 m 位置，断层延展深度约39 m，距离三灰含水层25 m。3602 工作面回采前在工作面切眼下部对断层两盘三灰含水层施工2 孔，均无水，表明DF19 断层在附近三灰裂隙不发育，无断层活化风险。

综上分析，DF19 断层发育情况较差，不存在活化导通奥灰水以及三灰水的可能性。

3.2 3602 工作面Ⅰ块段含水层水压分析

依据3602 工作面（Ⅰ块段）内地面钻孔三灰抽水试验资料，该块段钻孔的单位涌水量为0.000 2 L/s·m，说明3602 工作面Ⅰ块段底板三灰含水层属于弱富水性[4]。3602 工作面Ⅰ块段底板下距三灰顶板层间距平均为75.2 m，三灰层厚度为6.0～14.3 m，平均厚度9.4 m，工作面底板三灰孔最大终孔水压5.2 MPa，仅有1 孔单孔涌水量15.0 m3/h，其他钻孔涌水量均在6 m3/h 以下，说明工作面底板三灰水总体富水性弱，详见表2。

表2 工作面底板探查孔参数统计表

故为保障工作面I 块段安全开采，需将I 块段各区域的水压、水量控制在安全范围内。为直观地对各点疏水降压后突水危险性进行评价，引入突水系数进行综合分析。

在工作面进行疏水降压[5]后，I 块段三灰水位降深320 m。通过对比工作面Ⅰ块段底板三灰原始水压（如图2）可知，疏水降压后工作面Ⅰ块段底板三灰水压明显减小，突水系数也均在0.06 以下，说明工作面底板三灰富水性弱，整体裂隙不发育，可疏放性强。在没有大型构造的情况不具备出大水的条件，不会因不可控因素造成出水事故[6]。

图2 工作面底板三灰疏水降压前后水压等值线图

3.3 3602 工作面Ⅱ、Ⅲ块段富水性分析

依据井下钻孔探查资料分析，3602 工作面底板三灰含水层厚度自I 块段向里逐渐增加，但煤层底板距离三灰含水层隔水层厚度减少，同时Ⅱ块段、Ⅲ块段受DF18、DF19 断层影响，局部裂隙发育，为Ⅱ块段、Ⅲ块段三灰富水异常提供了基础条件。

依据3602 工作面施工钻孔单孔水量，富水异常钻孔均位于DF19 断层上盘区域的DF18 断层附近。由于Ⅱ块段DF18 断层以里下部巷道未施工，不具备DF19 断层下盘探查条件，依据下部3604 工作面回采前施工的2 个底板探查孔终孔均无水对比分析，DF19 断层两盘三灰在3602 轨道顺槽2 号钻场以里富水性差异较大；3602 工作面（I 块段）切眼附近对DF19 断层上下两盘三灰含水层施工2 孔，均无水。

综上分析，三灰含水层在Ⅱ块段、Ⅲ块段发育厚度增加，靠近三灰露头，补给性增强。同时，受断层构造影响，裂隙发育加大，导致区域局部富水异常。为保证3602 工作面的安全开采，不予对该块段进行开采。

4 防治水措施及效果

4.1 防治水措施

1）留设防水煤柱

对开采工作面留设防水煤柱[7]，在矿井中的防水煤柱应在总体开采设计中确定，无论开采方式和巷道布设必须与各种煤柱的留设相适应。留设防水煤柱需要结合矿井的水文地质条件、煤层赋存条件等自然因素，也要与采煤方法、采面布设及支护方式等人为因素相适应。

为确保工作面安全开采，需对I 块段区域近露头煤层进行防水煤柱留设。3602 工作面Ⅰ块段走向长320 m，共布置6 个风氧化带探查钻孔，其中2个钻孔取芯控制（符合防治水细则500 m 范围至少有2 个钻孔控制要求），6 个钻孔中有4 个钻孔进入松散层底部。钻孔揭露风氧化基岩内均无水且岩性以弱风化的黄色泥岩及杂色泥岩为主，具有良好的隔水效果。通过矿井已安全回采的东翼3100 采区3101 工作面、西翼3600 采区3601 工作面隔水层留设情况，风氧化基岩作为隔水层能够实现安全回采。具体顶板探查孔情况见表3。

表3 3602 工作面（I 块段）顶板风氧化带探查孔统计表

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，3602 工作面水体采动等级属于Ⅱ类型，需按防隔砂煤（岩）柱留设条件进行防隔水煤柱的留设。3602 工作面Ⅰ块段上部煤层厚度实际揭露最大为3.2 m，按照经验公式（1）计算需留设51.9 m 防隔水煤柱，按照实测导水裂隙带高度需留设49.6 m。3602 工作面Ⅰ块段实际探查基岩厚度67.7～85.4 m，平均72 m，顶板隔水层厚度大于防隔水煤柱要求。

综合分析3602 工作面的顶板隔水层厚度大于防隔水煤柱要求，则无需再留设防隔水煤柱。

式中：L为煤柱留设宽度，m；K为安全系数；M为煤层厚度或采高，m；P为水头压力，t/m2；Kp为煤的抗张强度，t/m2。

2）疏水降压

工作面Ⅰ块段煤层底板三灰水是当前主要的含水层，在回采前对底板三灰水采取疏放措施。依据3602 工作面（Ⅰ块段）内地面钻孔三灰抽水试验资料可知，该块段属于弱富水区。参考安全开采水压临界值等值线可知，工作面I 段切眼附近需要疏水降压到3.66 MPa 以下即可，尤其是工作面开采回采至初次来压前，需要将周围钻孔水压下降到3.7 MPa 左右。疏水钻孔设置在3602 胶带顺槽中间地段以及3602 轨道顺槽与3600 轨道上山交接地段，并在工作面Ⅰ段开采前对Ⅱ、Ⅲ段的探查孔进行封孔，防止探查孔成为突水通道。

3）排水系统

根据表2 可知，Ⅰ块段煤层底板三灰水的最大突水系数为0.025 MPa/m，小于临界突水系数值0.06 MPa/m，最大涌水量稳定在30 m3/h，则对Ⅰ块煤层的开采影响较小。但必须完善排水系统，则两巷需铺设四寸排水管道各一趟，配备两台45 kW 以上的水泵备用，在工作面配备一台45 kW 以上的泥砂泵以便排水。

4）井下水害探测

为防止在开采的过程中出现突水事故，开采过程中必须遵守有疑必探的原则。在回采之前对3602轨道顺槽自DF19断层向外进行瞬变电磁底板探测，对Ⅰ块段回采区顶板以及3602 轨道露头区域顶板进行三维直流电法探测，并根据探测结果划分富水异常区，确保在回采中不会出现突水事故。针对3602 工作面Ⅰ块段的探测异常区，根据有疑必探的原则，对每个异常区进行钻孔查验，以确保工作面的安全开采。

5）注浆加固

工作面Ⅰ块段的含水层不具有突水危险性，正常情况下不会影响煤层的开采，则正常情况不用注浆改造底板隔水层。但是，由于DF19 断层的存在，在开采的过程中可能会出现导通奥灰水的可能性，形成水害甚至是严重水害。防止的措施：① 采掘前分阶段使用瞬变电磁探测方法，查清垂向导水构造的发育情况。② 采用“梅花式”注浆方法，注浆孔设置在巷道中间呈梅花状布设，采用水泥-水玻璃双液注浆材料，水灰比在0.8:1 到1.5:1 之间。适当加入化学注浆材料可以更好地封堵导水通道，加固改造隔水底板。③ 注浆完成之后再次使用瞬变电磁方法探测注浆部分，以确保注浆效果。

4.2 工作面防治水效果分析

在3602 工作面开采过程中发现了突水，及时提出了防治水措施进行治理。在治理期间采用了井下水害探测、完善排水系统以及留设防水煤柱等防治水方法，其中通过瞬变电磁以及三维直流电法探查出三处富水异常区，并在图3 中圈出。

图3 物探异常区圈定成果图

通过钻探进行验证，分别在异常区1 打钻孔D10，在异常区2 打钻孔JYD-6、JYD-3，在异常区3 打钻孔观1，并对三处异常区进行疏放水。其钻孔出水量详见表2。工作面排水系统增添了两台水泵，矿井的排水能力提高了840 m³/h，确保矿井的正常排水，并留设了平均高度为72 m 的防水煤柱。对底板以及断层附近进行注浆，总注浆量约15 t，注浆压力为5 MPa。注浆之后该区域的底板起到了良好的加固作用，底板突水系数均小于0.06 MPa/m。3602 工作面Ⅰ块段通过多种防治水措施治理后，其涌水量降至30 m³/h，在安全开采范围内，充分表明该工作面实施的防治水措施效果比较显著。

5 结论

1）通过水质化验确定了突水水源来自底板砂岩水与三灰混合水。

2）3602 工作面Ⅰ块段涌水量增加是由工作面停采期间矿山压力对底板破坏深度进一步增加导致。

3）3602 工作面Ⅰ块段在没有大型构造的情况下，不会造成较大突水事故的发生，并根据当前的涌水量提出了防治水措施。