王 樺

(1.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013;2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013;3.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

天祝煤礦3228工作面于2012年7月28日開(kāi)始回采，2012年8月2日因工作面發(fā)火停采，2012年10月15日恢復(fù)開(kāi)采。3228工作面在回采過(guò)程中出現(xiàn)三次突水，均從工作面下隅角采空區(qū)流出。2012年12月4日，工作面回采121.0 m時(shí)，發(fā)生第一次突水。2012年12月19日，工作面回采194.0 m時(shí)，工作面無(wú)水。期間最大涌水量25.1 m3/h，平均涌水量 14.9 m3/h，共突水5721.6m3;2012年12月30日，工作面回采197.0m時(shí)，發(fā)生第二次突水。2013年1月14日，工作面回采199.0 m時(shí)，工作面無(wú)水。期間最大涌水量77.2 m3/h，平均涌水量 44.1 m3/h，共突水15876.0 m3;2013年1月26日，工作面回采238.5 m時(shí)，發(fā)生第三次突水，至2013年3月28日，水量基本穩(wěn)定在26.0～30.0 m3/h(表1)。水害嚴(yán)重威脅3228工作面的安全生產(chǎn)，因此，有必要對(duì)突水水源及突水機(jī)理進(jìn)行分析，采取科學(xué)的防治水措施，確保工作面安全生產(chǎn)。

表1 3228工作面出水情況表

1 井田概況

天祝煤礦位于甘肅省天祝藏族自治縣炭山嶺鎮(zhèn)，在縣城(華藏寺)西南約74km處，地理位置為東經(jīng) 102°41'，北緯 36°54'。

根據(jù)鉆探與井巷揭露資料，井田地層由老到新依次為:元古界前震旦系馬銜山群(AnZmx)、元古界震旦系中統(tǒng)(Z2)、中生界侏羅系下統(tǒng)大西溝群(J1dx)、中生界侏羅系中統(tǒng)窯街組(J2y)、中生界侏羅系中統(tǒng)新河組(J2x)、中生界侏羅系上統(tǒng)苦水峽組(J3k)、中生界白堊系(K)、新生界第四系(Q)。其中中生界侏羅紀(jì)中統(tǒng)窯街組(J2y)為井田主要含煤地層。煤系地層走向一般為N10°～40°W，傾向 NE，傾角一般為9°～18°之間;含煤總層數(shù)為4層，平均總厚度為9.94 m，可采煤層2層:上層煤及中層煤，局部可采煤層1層(頂層煤)。

炭山嶺地區(qū)屬大陸性高山氣候，平均降水量476.6 mm，年蒸發(fā)量為1548.5 mm，每年6～9月份為降雨期，10月至次年四月為降雪期，大氣降水為礦區(qū)主要補(bǔ)給水源。金沙河和沙金河為礦區(qū)兩條常年徑流河，其中金沙河自井田北部流入，沿南北走向幾乎貫穿了整個(gè)井田。

2 3228工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)

3228工作面位于天祝煤礦三采區(qū)，北起2060軌道下上，南至XXII勘探線，西臨3226工作面運(yùn)輸順槽，南接南14、南15兩鉆孔，工作面運(yùn)輸順槽與金沙河在中煤層底板上的投影的最小水平距離(即圖1中A、B兩點(diǎn)的水平距離)約102m。工作面對(duì)應(yīng)的地面位置位于拉卜子溝及兩側(cè)的山坡地帶。該面軌道順槽長(zhǎng)876 m，運(yùn)輸順槽長(zhǎng)890 m，傾斜寬155 m，可采面積約132200 m2。該面回采上中層煤，煤層傾角9°～20°，平均15°，中煤層底板標(biāo)高為2230～2315 m;上、中煤層厚度7.89～15.70 m，平均9.92 m(表1);上、中層煤之間含一層油頁(yè)巖，厚度0.33～1.14 m，平均0.68 m;煤層直接頂板一般為油頁(yè)巖，厚度14.29～48.98m，平均24.38m;煤層底板為泥巖。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采。

3228工作面構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，無(wú)明顯的斷層存在，地層基本以XXI勘探線為背斜軸，兩翼分別向南、北下降，屬于較寬緩的背斜構(gòu)造(圖 1)。

圖1 天祝煤礦局部采掘工程平面圖

2.2 水文地質(zhì)

3228工作面上覆地層劃分為四個(gè)含水層和一個(gè)隔水層，由上而下依次為:第四系沖積層孔隙潛水強(qiáng)含水層、下白堊系河口群(K1hk)孔隙潛水弱含水層、上侏羅系苦水峽組(J3k)孔隙裂隙承壓水弱含水層、中侏羅系窯街組(J2y)孔隙裂隙承壓含水層。其中，第四系沖積含水層大部分區(qū)域發(fā)育，厚度0～8.31 m，平均厚度6.09 m;下白堊系河口群含水層僅局部發(fā)育;上侏羅系苦水峽組含水層，厚度39.50～118.37 m，平均厚度91.07 m;侏羅系中統(tǒng)新河組隔水層，厚度100.71～126.82 m，平均厚度111.64 m;中侏羅系窯街組含水層，厚度51.58～111.44m，平均厚度87.24m(表2)。

表2 3228工作面附近主要鉆孔地層統(tǒng)計(jì)表

3 3228工作面突水原因分析

3.1 運(yùn)輸順槽端塌陷區(qū)范圍計(jì)算

煤層地下開(kāi)采后，采空區(qū)上覆巖層與底板巖層由于應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，從而產(chǎn)生移動(dòng)。隨著采空區(qū)面積的擴(kuò)大，巖層移動(dòng)的范圍也相應(yīng)地增大，當(dāng)采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定范圍時(shí)，巖層移動(dòng)向地表發(fā)展，使地表產(chǎn)生移動(dòng)，從而形成塌陷區(qū)。塌陷區(qū)范圍可通過(guò)工作面埋深、地層傾角、基巖移動(dòng)角、表土移動(dòng)角、工作面形狀與尺寸等相關(guān)參數(shù)求得(圖2)。3228工作面運(yùn)輸順槽與切眼交匯處(圖1中A點(diǎn))與金沙河之間的水平距離最短，此范圍內(nèi)上煤層覆巖層主要為侏羅系地層，煤層傾角約10°，為緩傾斜煤層(傾角θ≤35°)，參照文獻(xiàn)［1］阜新、絞河、雞西等侏羅紀(jì)礦區(qū)基巖下山移動(dòng)角計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，選擇計(jì)算的最小值作為3228工作面覆巖的下山移動(dòng)角(表3)。

圖2 緩傾斜煤層地表塌陷區(qū)范圍示意圖

表3 3228工作面覆巖下山移動(dòng)角計(jì)算結(jié)果表

因此，3228工作面切眼與運(yùn)輸順槽交匯處在AB延長(zhǎng)線上地面塌陷區(qū)的邊界距離A點(diǎn)在地面投影的水平距離按下式計(jì)算:

式中， l——工作面開(kāi)采邊界與同側(cè)地表塌陷區(qū)邊界的水平距離，m;

hjy——工作面上覆基巖厚度，m;

hbt——工作面上覆表土層厚度，m;

β——工作面上覆基巖下山塌陷角，(°);

φ——工作面上覆表土層塌陷角，(°)。

3228工作面切眼與運(yùn)輸順槽交匯處(圖1中A點(diǎn))中煤層底板標(biāo)高約2255m;B點(diǎn)附近金沙河河谷標(biāo)高約2526m，第四系沖積層厚度約7 m;依據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，以67°作為覆巖的下山塌陷角;另外，參照文獻(xiàn)［3］取表土層塌陷角φ=40°。因此，得:

即3228工作面地面塌陷區(qū)已進(jìn)入金沙河河谷約18 m，因此，應(yīng)對(duì)金沙河河水潰入3228工作面的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。

3.2 3228工作面導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算

3228工作面上覆巖層以砂巖為主，其次為泥灰?guī)r(表4)，總體屬堅(jiān)硬巖層，根據(jù)文獻(xiàn)［2］，導(dǎo)水裂縫帶高度為:

式中，Hli——導(dǎo)水裂縫帶高度，m;

Σ M——累計(jì)采厚，m。

3228工作面切眼附近南15孔揭露的上中煤層厚度為15.70 m，將Σ M=15.70分別代入(2)、(3)式，得:

(注:為了確保安全生產(chǎn)公式(2)中“±”中誤差項(xiàng)取“+”。)

比較公式(1)、(2)的導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算結(jié)果，取最大值Hli=128.87 m。

3.3 地表地裂縫深度計(jì)算

開(kāi)采沉陷使地表產(chǎn)生不均勻的沉降和水平移動(dòng)，在沉陷盆地內(nèi)的部分區(qū)域可能產(chǎn)生裂縫［3］。3228工作面開(kāi)采后，地面塌陷區(qū)范圍內(nèi)同樣出現(xiàn)了嚴(yán)重的地裂縫(圖3)。地裂縫具有嚴(yán)重危害性，我國(guó)許多專家學(xué)者分別采用理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，對(duì)煤礦地裂縫災(zāi)害進(jìn)行了深入廣泛的研究［3－10］，結(jié)果表明:地裂縫寬度一般為0.01～2.0 m;深度一般為1.0～5.0 m，部分礦區(qū)達(dá)30～70 m。

圖3 3228工作面地表塌陷區(qū)的地裂縫

3228工作面地表為第四系松散層覆蓋，厚度0～8.31 m，屬薄松散層、厚基巖覆蓋煤層工作面，地裂縫深度取上述研究結(jié)果的極大值(即70 m)。參照表3可知:3228工作面開(kāi)采后，地表裂縫會(huì)穿透第四系沖積含水層、苦水峽組含水層，延深到新河組隔水層的上部(距上煤層頂板208.30m、距導(dǎo)水裂縫帶79.43m)，不會(huì)與工作面導(dǎo)水裂縫帶溝通。

通過(guò)以上計(jì)算并參照表4可知:3228工作面開(kāi)采后，導(dǎo)水裂縫帶會(huì)穿透頂板油頁(yè)巖(厚度26.08m)，并穿透頂板窯街組含水層(其頂板距工作面煤層頂板121.93m)，Hli小于苦水峽組含水層底板至上層煤頂板之間巖層的厚度(231.46 m)。因此，3228工作面回采過(guò)程中，窯街組含水層的水會(huì)涌入工作面，應(yīng)進(jìn)行工作面涌水量預(yù)計(jì)，并采取必要的防治水措施;地表水(包括金沙河水)、苦水峽組含水層的水涌入工作面的可能性極小。

表4 南15孔地層巖性及含水層劃分表

3.4 3228工作面突水水質(zhì)化驗(yàn)資料分析

3228工作面突水后，地質(zhì)人員分別在3228工作面下隅角老塘、金沙河、第四系含水層、拉卜子溝等采取了水樣，進(jìn)行了水質(zhì)化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表5可知，金沙河、第四系含水層、拉卜子溝三者水質(zhì)化驗(yàn)的K++Na+、Ca+、Cl－、、礦化度、總硬度等指標(biāo)比較接近，而3228工作面老塘水的水質(zhì)的上述各指標(biāo)與金沙河、第四系含水層、拉卜子溝等水體的相應(yīng)指標(biāo)間存在著顯著的差異，說(shuō)明第四系含水層接受地表水體的補(bǔ)給能力較強(qiáng);地表水和第四系含水層與3228工作面突水無(wú)明顯的聯(lián)系。

表5 3228工作面突水與礦區(qū)主要含水層及河水水質(zhì)對(duì)比表

4 3228工作面涌水量計(jì)算

計(jì)算礦坑涌水量的方法很多，包括比擬法(富水系數(shù)法、礦井單位涌水量比擬法、相關(guān)關(guān)系分析法等)、Q=f(s)曲線外推法、解析法(大井法、水平廊道法)、水均衡法、數(shù)值法等［11］。綜合考慮礦井水文地質(zhì)條件的控制程度和文獻(xiàn)［11］中各涌水量預(yù)測(cè)方法的適用條件，采用大井法(承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓水完整井)進(jìn)行3228工作面涌水量計(jì)算。

承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓水完整井:

式中，Q——礦井涌水量，m3/d;

K——滲透系數(shù)，m/d;

H——水柱高度，m;

h——?jiǎng)铀恢恋装甯羲畬铀叨?，m;

M——含水層厚度，m;

r0——“大井”半徑(r0=

R0——“大井”影響半徑(R0=R+r0)，m;

R——含水層影響半徑，m。

在單孔抽水試驗(yàn)求參中，承壓水含水層影響半徑常用吉哈爾特(Siechardt)經(jīng)驗(yàn)公式［12］:

式中，S——含水層水位降深值，m。

在3228工作面開(kāi)采過(guò)程中，水害威脅主要來(lái)自上覆窯街組含水層(J2y)。據(jù)文獻(xiàn)［13］南13孔窯街組含水層(J2y)抽水試驗(yàn)結(jié)果滲透系數(shù)K=9.29×10－4m/d，承壓水位高度在中煤層頂板之上322.07 m，因此，3228工作面計(jì)算涌水量Qcal:

根據(jù)生產(chǎn)水平(2240 m水平)生產(chǎn)中得出的 經(jīng)驗(yàn)，算得3228工作面正常涌水量如下:

式中，μ——涌水量備用系數(shù)，一般取2。因此，有:

5 3228工作面防治水措施

3228工作面煤層傾向?yàn)镹EE～SEE，開(kāi)采過(guò)程中，運(yùn)輸順槽端基本為工作面的最低端，工作面前半段(切眼至運(yùn)輸順槽拐點(diǎn)C)為仰采，后半段為俯采(圖1)。前半段開(kāi)采過(guò)程中，老塘水隨著工作面的推進(jìn)而前移，并匯集在工作面的下隅角，工作面運(yùn)輸順槽端配備排水能力150 m3/h的水泵(同時(shí)配備相同排水能力的備用泵);后半段由于總體為俯采，沿著運(yùn)輸順槽外側(cè)底板開(kāi)挖水溝，在低洼處開(kāi)挖水泱子，規(guī)格為:長(zhǎng) ×寬 ×深=2 m×1 m×1 m。為了避免底板泥巖遇水軟化，引起巷道變形，在水溝及水泱子上鋪設(shè)廢舊皮帶。

目前，3228工作面已安全回采完畢。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)3228工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析、理論計(jì)算、水質(zhì)化驗(yàn)等方法，分析了工作面突水水源及突水機(jī)理、計(jì)算了工作面的正常涌水量，并采取了有針對(duì)性的防治水措施，確保了工作面的安全回采。主要結(jié)論如下:

1)3228工作面開(kāi)采后，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最大高度為128.87 m，導(dǎo)水裂縫帶會(huì)穿透煤層頂板油頁(yè)巖和窯街組含水層;

2)地表裂縫會(huì)穿透第四系沖積含水層、苦水峽組含水層，延深到新河組隔水層的上部，不會(huì)與工作面導(dǎo)水裂縫帶溝通;

3)窯街組含水層是工作面突水的主要水源;

4)工作面計(jì)算正常涌水量為30.26 m3/h，與實(shí)際涌水量基本相當(dāng);

5)工作面運(yùn)輸順槽配備排水能力150 m3/h的水泵和備用水泵。仰采塊段，工作面下隅角遇水即排;俯采塊段，在運(yùn)輸順槽底板開(kāi)挖排水溝，排水溝上鋪設(shè)廢舊皮帶，將工作面涌水通過(guò)排水溝引入順槽低洼處的水泱子，然后排出。

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