錢增江，戚春前，朱 斌

(1.開灤趙各莊礦業(yè)有限公司，河北唐山 063101;2.神華烏海能源有限責任公司，內(nèi)蒙古烏海 016000;3.桂林理工大學廣西地質(zhì)工程中心區(qū)重點實驗室，廣西桂林 541004)

超千米埋深巷道淋水水源及變形機理分析

錢增江1，戚春前2，朱 斌3

(1.開灤趙各莊礦業(yè)有限公司，河北唐山 063101;2.神華烏海能源有限責任公司，內(nèi)蒙古烏海 016000;3.桂林理工大學廣西地質(zhì)工程中心區(qū)重點實驗室，廣西桂林 541004)

趙各莊礦在－1100m水平開采過程中，在150m范圍的巖巷內(nèi)出現(xiàn)了頂部淋水和底鼓嚴重變形的現(xiàn)象。論文從開采破壞機理、地質(zhì)條件、水壓、水質(zhì)4個方面對巷道淋水水源與變形機理進行了分析研究。結(jié)果表明，超千米巷道由于開采深度、應力集中造成水文地質(zhì)條件的變化已不同于淺部，在導致煤層底板地應力重新分布，巷道圍巖發(fā)生變形的同時，還會造成奧灰水對上部砂巖裂隙水的間接補給，一旦有大型構(gòu)造發(fā)育，將會造成與奧灰水的直接導通，引發(fā)重大災害。

超千米;淋水;變形機理;應力集中

Analysis of Water Dripping and Deformation Mechanism in 1000m Depth Roadway

開灤趙各莊礦已延伸至十四水平，埋深達1254m，是全國最深的礦井之一。水文地質(zhì)條件屬極復雜型，受煤層底板高壓奧灰水和多層煤系含水層威脅。隨著開采水平向深部轉(zhuǎn)移，開采遇到水壓高、礦壓大、構(gòu)造復雜等諸多威脅礦井安全的難題。開采煤層受底板高壓奧灰水威脅的程度日趨加大。在十三水平東翼一石門的開采過程中，石門以西巷道出現(xiàn)頂部淋水和底鼓嚴重變形現(xiàn)象，給礦井生產(chǎn)形成了極大壓力。對巷道淋水水源和變形機理進行研究，對指導礦井的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

趙各莊礦十三水平東翼一石門區(qū)域處于井田東翼傾斜區(qū)，地層傾向為210～215°，傾角25～34°。巷道、風道開拓施工層位均在趙各莊灰?guī)r (K6)～唐山灰?guī)r (K3)之間。各層位情況詳見表1。

十三水平的含水層主要為砂巖裂隙含水層、奧灰?guī)r溶含水層。巷道的充水因素主要包括地質(zhì)構(gòu)造和深部采掘活動等因素。砂巖裂隙含水層以煤系地層K6灰?guī)r薄夾層－12煤間淺灰色中、粗砂巖層為主，地下水賦存類型為裂隙型。其中以5，7煤頂板含水性較強，9，12煤底板較弱。隨著開采活動的進行，煤系地層含水層涌水在礦井涌水量中所占得比重逐步增加。奧灰?guī)r溶裂隙含水層為煤系地層基底，距最下一個可采煤層 (122煤層)105～140m，巖溶裂隙發(fā)育，水力聯(lián)系好，水壓高，對煤層開采構(gòu)成很大威脅［2］。

表1 趙各莊礦十三水平東翼地層情況

本區(qū)發(fā)育有東Ⅶ、東Ⅷ兩條斷層。總體上表現(xiàn)為拉開正斷層，一般均表現(xiàn)為單一斷層面。十三水平東Ⅶ斷層已向西延展至井口煤柱區(qū)域內(nèi)，在井口中石門揭露時落差較小，在十三水平巷道、風道通過斷層延長區(qū)域時未見，說明該斷層沒有往深部層位發(fā)展;東Ⅷ斷層進入十三水平后，在風道、巷道開拓工程及采掘工程中均未見，僅局部出現(xiàn)煤層產(chǎn)狀變化、裂隙發(fā)育。本次出水地點位于東Ⅷ斷層及其分支的影響帶內(nèi)，前期勘探結(jié)果顯示該斷層不含水也不導水。

1.2 區(qū)域開采情況

本區(qū)為趙各莊礦十三水平東翼首采區(qū)，工作面位于十三水平東一石門上方60m。主要開采煤層為121及下伏122煤層。121煤層 (3122工作面)于2003年12月回采完畢，122煤層從2003年7月9日開始掘進，2004年5月進入回采。8月8日開始，巷道變形底鼓加劇，同時巷道淋水增大。8月18日停止了采掘活動。當時3132西1面、西2面已收尾，西3面殘余長度50m，3132東1面、東2面已經(jīng)回采完畢，東3面已經(jīng)開始回采，殘余長度220m。具體采掘布置見圖1和圖2。

圖1 區(qū)域采掘工程布置

圖2 A－A 剖面

2 淋水區(qū)域水量、水壓變化情況

2.1 淋水區(qū)域水量變化情況

2006年7月27 日最初巷道淋水區(qū)域水量為0.02m3/min，之后淋水逐漸增大，范圍逐漸擴展，到8月21日淋水范圍擴展到1石門至石門以西150m處，總水量為1.2m3/min，之后淋水區(qū)總水量一般在1.1～1.6m3/min之間，水量基本穩(wěn)定(見圖3)，并且淋水范圍沒有變化。從2006年9月以后淋水區(qū)總水量開始減小，目前總水量穩(wěn)定在1.0m3/min左右。水量較大的鉆孔都集中在3132西面采動影響范圍內(nèi)，并且終孔位置都在13東巷道側(cè)向或側(cè)下，而周邊區(qū)域無論鉆孔層位深淺其水量均較小。

2.2 鉆孔水壓變化情況

圖3 淋水區(qū)域總涌水水量變化曲線

在十三水平東1石門以西巷道發(fā)生頂部淋水增大以后，先后對相鄰區(qū)域的十三水平西原2石門配電室 (孔深130.2m，終孔層位K1底)、十三水平西3道半 (孔深178.28m，終孔層位進入奧灰0.6m)、十三水平東1～2石門之間3個 (其中2個無水，1個孔深196.00m，終孔層位K1板)奧灰孔，十三水平東1石門以里下探孔進行水壓觀測，其結(jié)果在0～0.2 MPa之間。十三水平東1石門以東30m處平探奧灰孔水壓從2006年8月15日進行觀測，為2.9MPa，到8月24日最大為3.89 MPa，之后逐漸下降，到8月26日至9月3日期間穩(wěn)定為3.58～3.70 MPa之間。對十三水平東1石門以東70m處下探孔水壓從8月12日進行觀測，為2.6MPa，到8月18日最大為3.70 MPa，之后逐漸下降，到8月26日至9月3日期間穩(wěn)定為3.2～2.9 MPa之間。從總的情況看，兩鉆孔水壓到達一個最高值后開始逐漸下降，并趨于穩(wěn)定。具體變化情況見圖4、圖5。

圖4 十三水平東1石門以東30m孔水壓變化曲線

圖5 十三水平東1石門以東70m孔水壓變化曲線

3 巷道變形情況

2003年，在煤層開采過程中，十三水平東1石門附近巷道已變形，曾多次進行臥底，該段巷道自開拓移交以來，底鼓量達700mm。2004年5月，隨著采面由西向東推進，巷道底鼓加劇，石門以西15～150m范圍，底鼓量達260mm，并伴隨巷道變形破壞、淋水加大，尤其90m左右巷道底鼓、變形最為嚴重。2004年8月13日開始對該區(qū)域進行變形監(jiān)測。布設8組觀測點對巷道的底鼓、巷寬、巷高和巷頂以及巷道兩幫所設監(jiān)測點的高程變化進行觀測。觀測數(shù)據(jù)顯示，13日至20日十三水平東1石門以東50～100m變形比較嚴重。在117m位置所設的觀測點觀測結(jié)果底鼓最嚴重，底鼓值為73mm，巷道寬度縮小了20mm。從8月21日至9月19日變形觀測數(shù)據(jù)顯示，此范圍內(nèi)的巷道變形趨于緩慢，底鼓值最大為29mm，巷道寬度縮小了4mm。從9月20日至10月23日變形觀測數(shù)據(jù)顯示，1石門以西92m處底鼓最為嚴重，累計底鼓28mm，其他區(qū)域巷道變形緩慢。

4 淋水水源分析

4.1 地質(zhì)情況分析

本區(qū)域地層產(chǎn)狀、層位正常，無突變現(xiàn)象，122煤層至奧灰 (O2)頂界面間距為132.9m，屬正常間距。根據(jù)已有地質(zhì)資料，作為本區(qū)域的2條主要斷層東Ⅶ、東Ⅷ，其主干斷層面在十三水平均未延伸至122煤層以下的層位，因此，可以認為這2條斷層對122煤層底板隔水層完整性的影響較弱，但會造成深部區(qū)域局部裂隙比較發(fā)育。采掘工作面內(nèi)揭露的斷層，落差普遍較小，不會對煤層底板完整性構(gòu)成較大破壞。但由于十三水平大巷處于14煤－唐山灰?guī)r (K3)弱含水層之中，受采動逐漸影響，特別是122煤層的放頂煤影響，使122煤層以下至K3之間層位的原有裂隙連通性加強。

4.2 水壓分析

從水壓觀測結(jié)果來看，水壓大于2.0MPa的鉆孔都集中在十三水平東1石門附近，在區(qū)域開采過程中水壓逐漸加大，最大水壓為4.7MPa，并且終孔層位都在K2灰?guī)r附近。砂巖裂隙水壓一般小于1.0MPa，而周邊區(qū)域無論鉆孔層位深淺其水壓都在0～0.2MPa之間，說明十三水平東1石門附近鉆孔水壓大與同層位水壓關(guān)系不大，在縱向上與底部奧灰含水層產(chǎn)生了聯(lián)系。另外，十二水平東1石門西回風巷90m和30m處鉆孔施工后，十三水平東翼以東30m處平探奧灰孔、70m處下探孔水壓都有所減小，說明該兩孔在水壓方面與十三水平東1石門淋水區(qū)有較大聯(lián)系。

4.3 水質(zhì)分析

十三水平巷道水量增大后，相繼取水樣150次進行水質(zhì)化驗。將巷道淋滴水、附近鉆孔水分別與上水平奧灰水水質(zhì)進行了比較。上水平奧灰水水質(zhì):鈣離子含量在60.85%～68.40%之間，鎂離子含量在24.18%～30.27%之間，硝酸根離子含量在8.14%～12.45%之間。水質(zhì)類型為重碳酸鈣鎂或重碳酸鈣型，鈣離子含量較高，硝酸根離子(NO3－)大于 8% 。

十三水平巷道淋水水質(zhì):在2005年7月27日剛出現(xiàn)淋水時，鈣離子含量為38.16%，鎂離子含量為42.44%，硝酸根離子含量為0%;從8月17日以后，鈣離子含量在37% ～52.3%之間，含量有所增加;鎂離子含量在42.08%～50.82%之間，硝酸根離子含量增加到1.03%～4.01%之間。通過分析對比發(fā)現(xiàn)，淋水不屬于真正的奧灰水，基本可以排除出水水源直接奧灰水補給。但其硝酸根離子含量又明顯高于砂巖裂隙水中的含量 (正常為0.02%左右)，說明淋水區(qū)水源有奧灰水間接滲透、參與。

另外，從十三水平1石門東30m水平、十三水平1石門配電室、十二水平1石門西回風巷90m處、30m處新施工的探測孔水質(zhì)分析，其水質(zhì)變化趨勢與十三水平東巷道1石門以西淋水基本一致，說明上述各孔出水也有奧灰水間接滲透、參與。其他鉆孔水質(zhì)基本無變化，屬砂巖裂隙水。

4.4 綜合物探結(jié)果分析

采用高分辨礦井電法及瞬變電磁技術(shù)，對趙各莊礦十三水平東1石門附近巷道變形淋水段進行了綜合物探。

(1)高分辨電法測深資料顯示，測量巷段內(nèi)存在4處低阻異常。其中，1號、2號異常在淋水巷段內(nèi)，低阻富水區(qū)域主要分布在巷道底板以下60m以淺，對應地段深部奧灰?guī)r層富水性較弱。因此，異常區(qū)與奧灰含水層無直接水力聯(lián)系。

(2)瞬變電磁在十三東1石門巷道北幫共進行了側(cè)方、斜下、斜上3個方向的探測。探測資料顯示，在包括出水巷段在內(nèi)的總計540m巷段內(nèi)，視電阻率曲線層狀反映明顯，整個測段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)奧灰水集中過水通道存在。此外，巷道斜上和斜下對比測量資料顯示，側(cè)上方巖層視電阻率明顯高于側(cè)下方，分析認為是經(jīng)過一段時間淋水頂、底板巖層差異性疏水造成的。

綜合以上對淋水段地質(zhì)條件、鉆孔水壓、水質(zhì)以及異常區(qū)探測分析，由于十三水平東翼首采區(qū)較為特殊開采條件，導致122煤層底板至巷道之間地應力重新分布，巷道圍巖發(fā)生變化，裂隙發(fā)育，奧灰水間接微弱滲入，從而引起巷道所處層位的水量、水壓加大，導致巷道淋水，淋水水源不屬于真正的奧灰水，但有奧灰水間接滲透、參與。

5 巷道變形機理分析

一般而言，煤礦開采過程中，巷道圍巖中引起的采動應力達到原巖應力的2～6倍時，容易造成巷道嚴重底鼓［4－5］。從生產(chǎn)布局來看，除回采工作面的采動對下伏巷道有一定影響外 (周期來壓步距26.30～32.30m)，原有巷道施工后也會造成巷道圍巖壓力重新分布。同時，趙各莊礦十三水平區(qū)域西邊界為井口煤柱、采區(qū)上山煤柱 (上山煤柱留設為40～66m)、采區(qū)西二面內(nèi)因構(gòu)造影響跳采，所留下的煤柱等各類煤柱的存在、造成了本區(qū)域應力集中。而且，十三東1石門西翼采用放頂煤開采，開采強度大，造成采動壓力增加，也是導致巷道出現(xiàn)底鼓和變形的因素。本次巷道底鼓現(xiàn)象，具備了大采深、高應力、采動及地下水滲流等諸多不利因素，是各種影響因素的綜合體現(xiàn)，其中采動條件下導致的地下滲流的影響應是本次巷道變形的主要因素。目前巷道變形量不明顯，主要原因是巷道變形區(qū)域的采掘活動已結(jié)束，采動壓力逐漸減小。

6 結(jié)論

(1)因十三水平東翼首采區(qū)較為特殊開采條件，導致122煤層底板至巷道之間地應力重新分布，巷道圍巖發(fā)生變化，裂隙發(fā)育，奧灰水間接微弱滲入，從而引起巷道所處層位的水量、水壓加大，導致巷道淋水。

(2)通過對開采破壞機理、地質(zhì)條件、水壓、水質(zhì)等多方面分析，經(jīng)過高分辨礦井電法及瞬變電磁技術(shù)驗證，可以排除出水水源直接由奧灰水補給，但有間接滲透、參與。

(3)超千米巷道由于開采深度、應力集中造成水文地質(zhì)條件的變化已不同于淺部。而大采深、高應力、采動影響及地下水滲流影響是本次巷道變形的主要誘發(fā)因素。

［1］中國礦業(yè)大學 (北京).唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司礦井地質(zhì)報告 (1999—2008)［R］.2009.

［2］李建民，等.趙各莊礦深部帶壓開采評價［J］.煤炭學報，2005(10).

［3］河北煤炭科學研究所.趙各莊礦十三水平東一石門附近巷道綜合物探成果報告［R］.2005.

［4］姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等.深部開采中巷道底鼓問題的研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(14):2396－2401.

［5］李學華，黃志增，楊宏敏，等.高應力硐室底鼓控制的應力轉(zhuǎn)移技術(shù)［J］.中國礦業(yè)大學學報，2006，35(3):296－300.

TD214

B

1006-6225(2012)03-0066-04

2012－04－25

錢增江 (1966－)，男，河北無極人，碩士，高級工程師，現(xiàn)任唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司副總工程師，主要從事礦井防治水工作。

［責任編輯張玉軍］

礦山壓力與災害控制