李 強(qiáng) 付玉平

（1.呂梁市煤礦通風(fēng)與瓦斯防治中心，山西省呂梁市，033000；2.太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，山西省太原市，030024）

聚德煤礦8＃煤層頂板淋水探測(cè)與治理研究＊

李 強(qiáng)1付玉平2

（1.呂梁市煤礦通風(fēng)與瓦斯防治中心，山西省呂梁市，033000；2.太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，山西省太原市，030024）

針對(duì)山西柳林聚德煤業(yè)在8＃煤層大巷開(kāi)拓掘進(jìn)過(guò)程中遇到的石炭系上統(tǒng)太原組L1灰?guī)r巖溶裂隙含水層頂板水害隱患，采用瞬變電磁探測(cè)方法進(jìn)行連續(xù)超前探測(cè)，以查清8＃煤層掘進(jìn)工作面方向與煤層呈45°夾角區(qū)域的富水區(qū)分布情況。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法有效解決了開(kāi)拓掘進(jìn)中由于頂板淋水大而影響礦井開(kāi)拓進(jìn)度的問(wèn)題。

水害治理 開(kāi)拓掘進(jìn) 瞬變電磁探測(cè) 頂板淋水

1 礦井概況

山西柳林宏盛聚德煤業(yè)有限公司為兼并重組煤礦，其擬開(kāi)采的8＃煤層賦存于石炭系上統(tǒng)太原組中下部L1石灰?guī)r之下，上距5＃煤層平均距離49.80m，下距9＃煤層11.74m。煤層厚度0～3.60m，平均2.56m，含0～2層夾矸，夾矸厚度為0.15～0.51m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該煤層在井田東南部有小面積被剝蝕，總體上煤層穩(wěn)定，賦煤區(qū)絕大部分可采。煤層頂板為灰?guī)r，底板大多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖。8＃煤層掘進(jìn)工作面為沿煤層施工的全煤巷道。

該礦地處呂梁山系，為典型的黃土高原地貌，地表切割強(qiáng)烈，地勢(shì)總體南東高北西低，地表無(wú)常年性水體和常年性河流通過(guò)，因而8＃煤層受地表水影響不大。該井田內(nèi)主要的煤系地層含水層為山西組砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層和煤系地層下伏的奧陶系灰?guī)r巖溶含水層等。其中太原組含水層主要為灰?guī)r巖溶裂隙含水層，根據(jù)鉆孔資料，該含水層裂隙發(fā)育，富水性中等。而8＃煤層頂板即為L(zhǎng)1灰?guī)r。所以，太原組灰?guī)r巖溶水對(duì)8＃煤層開(kāi)采影響較大。在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)面最大淋頭水水量達(dá)到30～40m3／h，導(dǎo)致工作面無(wú)法連續(xù)施工，在開(kāi)掘5m左右必須等2～3天工作面淋水衰減致5m3／h以下時(shí)方可繼續(xù)施工作業(yè)，嚴(yán)重制約了礦井的建設(shè)進(jìn)度。

2 水文地質(zhì)因素及含水層分析

煤層開(kāi)采時(shí)，水害一般來(lái)自三套含水系統(tǒng)。綜合分析該礦水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告及礦井施工中實(shí)際揭露的地質(zhì)與水文地質(zhì)資料后認(rèn)為，當(dāng)前影響8＃煤層掘進(jìn)巷道施工安全的主要水文地質(zhì)因素有以下幾種。

2.1 石炭系上統(tǒng)太原組L1灰?guī)r巖溶裂隙含水層

太原組含水層主要由4～5層石灰?guī)r組成，總厚度平均為19.44m。巖溶裂隙發(fā)育，鉆孔探測(cè)發(fā)現(xiàn)巖芯中多見(jiàn)有5～15mm的溶孔。分析ZK1孔抽水試驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，太原組含水層單位涌水量0.409L／s·m，滲透系數(shù)為2.111m／d，水位標(biāo)高816.74m，水質(zhì)為SO4·HCO3－Na·Mg·Ca型，礦化度0.968g／L，屬中等富水性。

該含水層為8＃煤層的直接水害隱患，在進(jìn)行采掘工作時(shí)，可能產(chǎn)生頂板淋水、涌水現(xiàn)象，涌水量為5～60m3／h，直接影響采掘工程的安全。

2.2 奧陶系灰?guī)r巖溶含水層

奧陶系地層在該礦井田內(nèi)全部覆蓋，厚度為42.80m，巖性為青灰色、灰－深灰色石灰?guī)r，裂隙較發(fā)育。單位涌水量最大為0.46L／s·m，滲透系數(shù)為1.97m／d，含水層富水性中等。水質(zhì)類型以HCO3－Ca·Na、HCO3－Ca·Mg和HCO3·SO4－Ca·Na型為主。

經(jīng)勘查，井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為800～802m，5＃煤層可采區(qū)域最低底板等高線標(biāo)高為490m，8＃煤層底板距奧灰頂面為74m。

根據(jù)奧灰水突水系數(shù)計(jì)算公式：

式中：K——突水系數(shù)，MPa／m；

P——底板隔水層承受的靜水壓力，MPa；

M——隔水層有效厚度，m；

經(jīng)計(jì)算，8＃煤層的最大突水系數(shù)為：

由計(jì)算可知，8＃煤層可采范圍內(nèi)最大突水系數(shù)為0.0511MPa／m，小于受構(gòu)造破壞塊段突水的臨界值0.06MPa／m。因此，在正常情況下，開(kāi)采8＃煤層時(shí)不受奧灰水影響。但由于8＃煤層全部位于奧灰水承壓帶內(nèi)，帶壓0.3～3.0MPa，不能排除隱伏構(gòu)造或陷落柱導(dǎo)通奧灰水的可能，成為影響采掘安全的最大間接隱患。

2.3 礦井采空區(qū)水害

礦井整合前上覆4＃煤層大部已開(kāi)采，5＃煤層可能局部開(kāi)采。8＃煤層上距5＃煤層約50m。5＃煤層下部存在一賦存穩(wěn)定的山西組隔水層，4＃、5＃煤層采空區(qū)對(duì)8＃煤層的水文地質(zhì)條件基本無(wú)影響。

同時(shí)由于井田內(nèi)8＃煤層基本無(wú)開(kāi)采，不排除有開(kāi)采資料不詳?shù)目赡?，因此在?shí)際開(kāi)拓中要采取探放水措施以確保安全。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造的影響

井田總體上呈一較平緩的單斜構(gòu)造，井田南部受聚財(cái)塔地塹的影響，地層略有抬升，南部邊界附近有一條正斷層，落差15m，為聚財(cái)塔地塹次一級(jí)斷層。目前，本井田已揭露陷落柱4個(gè)，長(zhǎng)軸80～300m，短軸60～130m，對(duì)8＃煤層的采掘工程進(jìn)度帶來(lái)了嚴(yán)重影響和水害威脅，因此，在8＃煤層的采掘工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)陷落柱的探測(cè)工作。

2.5 封閉不良鉆孔、深水井及老窯井筒的水害威脅

對(duì)于井田內(nèi)存在的勘探鉆孔，整合前的地面深水井、原礦井井筒等，在8＃煤層采掘前應(yīng)加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)區(qū)域鉆孔、深水井和采空區(qū)井筒封閉情況的調(diào)查和治理工作。

綜上所述，眾多水文地質(zhì)因素中，石炭系上統(tǒng)太原組L1灰?guī)r巖溶裂隙含水層為8＃煤層的直接水害隱患，直接影響采掘工程的安全；奧陶系灰?guī)r巖溶含水層突水系數(shù)小于受構(gòu)造破壞塊段突水的臨界值，正常開(kāi)采8＃煤層時(shí)不受奧灰水影響，但由于8＃煤層全部位于奧灰水承壓帶內(nèi)，故不能排除隱伏構(gòu)造或陷落柱導(dǎo)通奧灰水的可能；同時(shí)，礦井地質(zhì)構(gòu)造和封閉不良鉆孔、深水井及老窯井筒對(duì)掘進(jìn)工作的影響同樣不可忽視。

3 礦井水患的超前探測(cè)方案

針對(duì)該礦在煤層掘進(jìn)中遇到的水害危脅，在8＃煤層掘進(jìn)過(guò)程中，采用瞬變電磁探測(cè)方法進(jìn)行連續(xù)超前探測(cè)，以查清8＃煤層掘進(jìn)工作面方向與煤層呈45°夾角區(qū)域的富水區(qū)分布情況。測(cè)線布置見(jiàn)圖1。

圖1 8＃煤層掘進(jìn)頭探測(cè)方案示意圖

鉆探探測(cè)方案的設(shè)計(jì)分為物探探測(cè)前方無(wú)異常和物探探測(cè)前方有異常兩種情況。

圖2 8＃煤層掘進(jìn)巷道掘進(jìn)面鉆場(chǎng)的探孔布置示意圖

當(dāng)物探前方無(wú)異常時(shí)，根據(jù)8＃煤層充水因素分析，直接水害隱患是頂板L1灰?guī)r巖溶裂隙水，最大間接隱患為奧灰水（包括其他導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造、導(dǎo)水陷落柱、地下暗河等導(dǎo)通奧灰水）。因而在8＃煤層掘進(jìn)工作面及行人側(cè)開(kāi)設(shè)鉆場(chǎng)，在8＃煤層布置5個(gè)超前鉆孔，采用KLJ－2350型和ZYD－2000S型探水鉆機(jī)各1臺(tái)同時(shí)進(jìn)行鉆探，以探測(cè)8＃煤層賦水、采掘、地質(zhì)構(gòu)造及其他隱伏地質(zhì)體情況。鉆孔孔深150m，控制幫距20m，超前距30m，允許掘進(jìn)120m。在頂板淋水區(qū)域?qū)η吧戏巾敯錖1灰?guī)r巖溶水進(jìn)行疏放，設(shè)計(jì)疏放水孔2個(gè)。在煤層底板沿巷道掘進(jìn)方向設(shè)計(jì)2個(gè)探測(cè)孔，以探測(cè)前方隱伏構(gòu)造，包括陷落柱與奧灰水的水力聯(lián)系。掘進(jìn)工作面鉆場(chǎng)的探孔布置示意圖見(jiàn)圖2。

當(dāng)物探前方存在異常區(qū)時(shí)，必須另外補(bǔ)充2～3個(gè)孔進(jìn)行加密驗(yàn)證。

4 礦井水患的探放水設(shè)計(jì)

在工作面回采過(guò)程中，利用布置在工作面運(yùn)輸巷的鉆場(chǎng)，向工作面施工超前疏放水鉆孔，形成人為導(dǎo)水通道，在頂板采動(dòng)裂隙中或砂巖含水層中截住水源，使頂板水從疏水鉆孔中流出，經(jīng)水溝或水泵排出工作面，從而達(dá)到頂板水治理目的。排水鉆孔裝置由孔口管、泄水測(cè)壓三通、孔口水門和鉆桿逆止閥等組成，見(jiàn)圖3。

圖3 探放水鉆孔單孔設(shè)計(jì)和套管裝置示意圖

礦井探放水時(shí)，開(kāi)孔孔徑一般大于孔口管直徑1～2級(jí)，鉆至10.5m深度，將孔內(nèi)沖洗干凈。下入?108mm地下套管，長(zhǎng)度為10m，進(jìn)行注漿。待孔口管周圍水泥漿凝固72h后掃孔至孔底。掃孔后對(duì)孔口管進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力為預(yù)計(jì)水壓1.5倍并穩(wěn)定30min，孔口管不松動(dòng)、周圍不漏水時(shí)為合格，否則重新再注漿固管打壓，再做耐壓試驗(yàn)直至合格。在節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石松軟或破碎并且無(wú)條件另選放水地點(diǎn)的區(qū)段，一般采用先注漿加固后，再安設(shè)孔口管的方法。

5 礦井水患治理效果考察

8＃煤層集中運(yùn)輸大巷2號(hào)探放水鉆孔施工前后的頂板淋水量及鉆孔水量見(jiàn)表1。

表1 8＃煤層集中運(yùn)輸大巷2號(hào)探放水鉆孔施工前后淋水量分析表

由表1可知，在集中運(yùn)輸大巷未進(jìn)行水患探測(cè)及治理之前，頂板淋水量始終在45m3／h以上，而在開(kāi)展水患治理之后，大部分礦井水由探放水鉆孔流出，頂板淋水顯著減少，并始終維持在5m3／h以下，從而加快了礦井的建設(shè)進(jìn)度。

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Research on detection control of roofwater leakage in No.8 coal seam in Jude Mine

Li Qiang1，F(xiàn)u Yuping2
（1.Lvliang Coal Ventilation and Gas Control Center，Lvliang，Shanxi 033000，China；2.School of Environment and Safety，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Aimed at the hidden troubles of aquifer roof leakage through karst fissures of carboniferous Taiyuan group L1limestone during the excavation of No.8main roadway in Jude colliery in Liulin county of Shanxi province，the transient electromagnetic exploration method was carried out for continuously detection in advance to make a thorough investigation of water－riched area distribution in the zone within 100min the 180°direction having an included angle of 45°between coal seam and floor.Practice proved that this method effectively solved the problem of mine excavation progress affected by the roof water leakage，achieving safe and high efficient production.

water damage control，excavation，transient electromagnetic detection，roof water leakage

TD745

A

太原科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（20122006）

李強(qiáng)（1971－），男，山西交口人，大學(xué)本科，主要從事煤礦安全技術(shù)研究與管理方面的研究。

（責(zé)任編輯 梁子榮）