劉 洲，冉德立

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司陳四樓煤礦，河南永城476600）

陳四樓煤礦高承壓水工作面水文地質(zhì)特征分析

劉 洲*，冉德立

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司陳四樓煤礦，河南永城476600）

根據(jù)21503工作面巷道掘進(jìn)揭露地質(zhì)構(gòu)造情況、鉆場(chǎng)鉆孔施工情況、以及結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)資料。利用綜合水文地質(zhì)分析的方法研究了21503工作面含水層巖性及富水性、補(bǔ)給條件及構(gòu)造對(duì)水害發(fā)生的控制作用。利用“下三帶”理論對(duì)底板突水性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出21503工作面防治底板突水的防治方法，為21503工作面的水害防治提供參考依據(jù)。

防治水；控制因素；底板擾動(dòng)

1 概述

陳四樓煤礦位于豫、皖兩省交界的河南省永城市北部，為城廂、陳集、順和鄉(xiāng)所轄，地勢(shì)較為平坦，村莊密集，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，地面標(biāo)高+32～+35m，開采深度由-300～-900m。井田內(nèi)部構(gòu)造近東西向以斷層表現(xiàn)為主，近南北向構(gòu)造以褶曲表現(xiàn)為主，礦井次級(jí)褶皺發(fā)育，一般較為寬緩。

21503工作面位于十五采區(qū)，工作面標(biāo)高為-509～-680m，工作面北為落差19m的Fs1及Fs20正斷層，南為南十五皮帶下山和南十五軌道下山及其保護(hù)煤柱，西為未開采的實(shí)體煤，東為未開采的實(shí)體煤及2502采空區(qū)。工作面外段走向長(zhǎng)829～904m，傾斜長(zhǎng)185m，工作面里段走向長(zhǎng)100～126m，傾斜長(zhǎng)469～510m。外段采用走向長(zhǎng)壁采煤法、里段采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2 21503工作面地質(zhì)特征

2.1 地層及二2煤層頂、底板巖性特征

21503工作面地層從下到上為，奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2m）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上石炭統(tǒng)太原組（C2t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）、新生界（Cz）。

21503工作面開采二2煤層，直接頂板巖性為砂質(zhì)泥巖：灰色，含植物化石碎片及煤屑，平均厚度3.8m?；卷敯鍨榉凵皫r：灰色及深灰色，含植物化石，水平層理，平均厚度9.2m。直接底巖性為砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)分布不均，含植物化石，平均厚度2.72m；直接底板巖性為細(xì)砂巖，淺灰色，主要成分為石英、暗色巖屑及云母碎片，泥質(zhì)膠結(jié)，平均厚度5.3m。

2.2 構(gòu)造

21503工作面位于陳四樓向斜的東翼，屬一單斜構(gòu)造，地層傾角5°～25°。工作面外段揭露斷層3條正斷層，里段揭露9條正斷層，共12條，其中大于2m的7條正斷層，以近東西向?yàn)橹鳌Ｒ姳?。

3 21503工作面水文地質(zhì)特征

3.1 含水層、隔水層

（1）新生界底部孔隙承壓水，由于采區(qū)位于深部，該組含水層對(duì)煤層無充水影響。

（2）二2煤層頂、底板砂巖裂隙含水層，該段砂巖水以靜儲(chǔ)量為主，在巷道掘進(jìn)過程中以淋水為主，是二2煤層直接充水含水層。

（3）太原組上段灰?guī)r裂隙承壓水，主要是L11、L10、L8灰?guī)r含水層，對(duì)采掘有較大威脅。開采煤層標(biāo)高-510～-680m，根據(jù)鉆孔施工實(shí)測(cè)水壓為3.0～4.5MPa，為二2煤層主要的間接充水含水層。

（4）斷層水，21503工作面里段斷層構(gòu)造發(fā)育，大斷層可使太灰含水層直接與煤層接觸，中小型斷層使二2煤底板有效隔水層厚度減小，受采動(dòng)影響后，灰?guī)r水沿?cái)鄬恿严秾?dǎo)升，可構(gòu)成工作面底板突水的主要因素。

（5）山西組底部隔水層，二2煤與太原組L11灰間距46.3～51m，一般51m左右，層位穩(wěn)定。其間巖層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，次為砂巖，平均抗拉強(qiáng)度21.2MPa。泥巖與砂質(zhì)泥巖累計(jì)平均厚度26.5m，直接或間接與L11接觸，形成了良好的隔水層。

表1 21503工作面揭露斷層基本特征表

（6）太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層埋藏在本區(qū)達(dá)到560～730m，基本不受上覆含水層越流補(bǔ)給，其動(dòng)態(tài)變化受大氣降水影響變化幅度較小，主要為側(cè)向補(bǔ)給。由于G5鉆場(chǎng)往里斷層較為發(fā)育，從鉆孔施工出水情況來看，斷層具有導(dǎo)水性，且單孔涌水量最大達(dá)到80m3/h。

3.2 含水層巖性、厚度對(duì)水害發(fā)生的控制作用

3.2.1 頂板砂巖裂隙含水層

頂板砂巖裂隙含水層為中—細(xì)粒砂巖，是二2煤層的直接充水含水層，其厚度較大，分布穩(wěn)定，一般為6～20m，富水性弱，地下水徑流不暢，單位涌水量0.00313～0.0470L/（s·m），滲透系數(shù)0.00149～0.371m/d，水質(zhì)以SO4-Na型為主，屬富水弱的含水層。在巷道掘進(jìn)中主要以頂板淋水為主，對(duì)采掘施工影響不大。

3.2.2 太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

（1）L11灰?guī)r為生物碎屑灰?guī)r，厚度0.85～4.98m，平均2.2m。以含大量海百合莖、腕足、蜓等海相生物化石為主要特征。L10灰?guī)r平均厚2.28m，L8灰?guī)r平均厚10.6m。太原組上段灰?guī)r巖溶、裂隙發(fā)育，屬于富水性中等的含水層。根據(jù)21503工作面G1、G2、G5、LP1鉆場(chǎng)施工鉆孔出水情況分析，二2煤層距L11灰?guī)r45～51m，距L10灰?guī)r59～67m，距L8灰?guī)r71～89m，三層灰?guī)r鉆孔出水量均在15m3/h以上，最大達(dá)到60m3/h，主要分布在G5和LP1鉆場(chǎng)，水壓在3.0～4.5MPa。主要因?yàn)镚5鉆場(chǎng)往里至工作面里段斷層分布密集，太原組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育較好，富水性較強(qiáng)，在斷層L8灰?guī)r水進(jìn)行補(bǔ)給。

（2）底板灰?guī)r突水性預(yù)測(cè)：

①根據(jù)《陳四樓煤礦煤層底板擾動(dòng)規(guī)律及突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究》的結(jié)果，得到底板破壞深度(h1)和采深(H)之間的預(yù)測(cè)公式：

式中：ln——以e為底的自然對(duì)數(shù)。

工作面采深，H為542.8～713.8m，則工作面采動(dòng)對(duì)底板破壞深度（h1）為13～14.8m。

②根據(jù)底板導(dǎo)水破壞帶、完整巖層帶（底板巖層保持采前的完整狀態(tài)及原有阻水性能不變的部分）、太原組灰?guī)r承壓水導(dǎo)升帶即“下三帶”理論。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：h1——底板導(dǎo)水破壞深度，m；

L——工作面斜長(zhǎng)，m，外段185m，里段128m。

21503工作面二2底板導(dǎo)水破壞帶深度工作面外段20m，工作面里段14.5m。

③有效保護(hù)層帶厚度計(jì)算。

式中：h2——有效保護(hù)層帶的厚度；

h——隔水層總厚度，51m；

h1——底板破壞深度，21503工作面里段取14.8m，外段取20m；

h3——承壓水原始導(dǎo)高，根據(jù)鉆孔出水情況確定為5～10m，取10m。

計(jì)算結(jié)果為工作面外段21m，工作面里段為26.2m。

④有效保護(hù)層帶的阻水能力。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》突水系數(shù)計(jì)算公式，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m。

T=P/M

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，3.0～4.5MPa；

M——底板隔水層厚度（有效隔水層厚度），m。工作面外段21m，工作面里段為26.2m。

計(jì)算結(jié)果為21503工作面外段0.14～0.21MPa/m，21503工作面里段0.11～0.17MPa/m。

因此，需要對(duì)21503工作面實(shí)施全面底板改造，改造后的底板均屬于無構(gòu)造破壞的正常地層塊段，按照突水系數(shù)按0.1MPa/m計(jì)算，臨界隔水層厚度在30～45m之間；工作面外段采動(dòng)對(duì)底板破壞深度取最大值20m，里段取14.8m，考慮太原組灰?guī)r含水層的原始導(dǎo)高10m左右，則安全隔水層厚度應(yīng)為外段60～75m，里段54.8～69.8m。L11灰距離二2煤51m，即在無褶曲、斷層等構(gòu)造破壞的正常地層塊段內(nèi)，工作面也存在底板太原組灰?guī)r突水威脅。

3.3 斷層對(duì)水害發(fā)生的控制作用

（1）根據(jù)表1（21503工作面揭露斷層基本特征表）在21503工作面里段小斷層較為發(fā)育，由于斷層破壞了隔水層的完整性，降低隔水層的阻水強(qiáng)度，造成礦井易于突水的軟弱帶。尤其是斷層密集帶、斷層交匯處和斷層尖滅處，更容易發(fā)生突水。因?yàn)椋孩贁鄬用芗瘞?、轉(zhuǎn)折部位、斷層交匯處，構(gòu)造應(yīng)力集中，巖石破壞更嚴(yán)重。②斷層尖滅處，不是以位移使構(gòu)造應(yīng)力得以釋放，而是以破裂變形使應(yīng)力得以釋放，巖石破碎、裂隙張開，抗壓強(qiáng)度顯著降低。

（2）斷層使二2煤層與太原組灰?guī)r裂隙承壓含水層接近或直接接觸。由于斷層兩盤上下錯(cuò)動(dòng)，使上部煤層下降或下部含水層抬高，煤層與含水層距離拉近或者直接對(duì)接，成為礦井易于突水的地帶。

（3）在采掘過程中，一些斷層在天然條件下不含水，也不導(dǎo)水，由于采掘擾動(dòng)、礦山壓力和太原組灰?guī)r承壓含水層高靜水壓力的共同作用下，使原本不導(dǎo)水?dāng)鄬愚D(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

①采掘工作面底板發(fā)育未穿越煤層的隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬樱跀鄬訋Оl(fā)育異常導(dǎo)升區(qū)，在采掘擾動(dòng)條件下，承壓水導(dǎo)升帶與底板擾動(dòng)破斷帶導(dǎo)通形成采場(chǎng)突水水害，且具有一定的滯后性特點(diǎn)。

②采掘工作面底板發(fā)育穿越煤層的隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬?，?dāng)采掘工程直接揭露或間接擾動(dòng)斷層時(shí)形成導(dǎo)水通道，發(fā)生水害。

③在工作面煤層中發(fā)育未穿越含水層的隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬?，但斷層與太原組高承壓灰?guī)r含水層導(dǎo)升帶導(dǎo)通時(shí)形成采場(chǎng)的出水，具有一定的滯后性特點(diǎn)。

3.4 褶皺對(duì)水害發(fā)生的控制作用

21503工作面外段接近陳四樓向斜軸部，地層傾角10°～25°，工作面標(biāo)高-600～680m，底板巖層容易形成與煤層走向一致的斷裂或裂隙。造成底板巖性破碎，隔水層強(qiáng)度降低，并且太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水受陳四樓向斜東翼及工作面北部含水層水的側(cè)向補(bǔ)給。

4 防治水方法

（1）帷幕注漿。根據(jù)實(shí)際揭露斷層和在工作面北部邊界鉆孔施工情況看，工作面北部邊界東西向斷層密集發(fā)育且具有導(dǎo)水性，對(duì)工作面里段有較強(qiáng)的水源補(bǔ)給作用。因此，在21503工作面里段北部邊界斷層發(fā)育密集處，實(shí)施高角度鉆孔和淺層鉆孔，密集鉆孔布置到L8灰?guī)r形成帷幕墻。阻斷邊界水源對(duì)工作面灰?guī)r水的側(cè)向補(bǔ)給，同時(shí)封堵斷層導(dǎo)水通道。

（2）底板注漿改造。根據(jù)底板突水性分析，為確保工作面安全回采，需要對(duì)21503工作面進(jìn)行全面底板注漿改造。底板注漿鉆孔終孔層位確定為L(zhǎng)8灰?guī)r，有效底板隔水層厚度達(dá)到78～80m。滿足《煤礦防治水規(guī)定》對(duì)突水系數(shù)的要求。

（3）局部疏水降壓。在工作面通過注漿改造后，在工作面外段進(jìn)行打孔進(jìn)行局部疏放，降低水壓。

5 結(jié)論

（1）對(duì)開采二2煤層造成水害威脅的含水層為L(zhǎng)11灰?guī)r，L10、L8灰?guī)r在斷層地帶或隔水層薄弱帶對(duì)L11灰?guī)r直接補(bǔ)給，是造成底板突水的主要水源。

（2）對(duì)底板造成破壞的影響因素主要為煤層埋深、工作面斜長(zhǎng)、煤層傾角、開采方法。經(jīng)過計(jì)算21503工作面二2底板導(dǎo)水破壞帶深度工作面外段20m，工作面里段14.5m。安全隔水層厚度應(yīng)為外段60～75m，里段54.8～69.8m。

（3）21503工作面里段小斷層密集發(fā)育，導(dǎo)致底板隔水層的有效隔水性能下降，裂隙發(fā)育，在斷層轉(zhuǎn)折、交叉、尖滅等位置在采動(dòng)影響下容易形成導(dǎo)水通道，造成水害。

（4）通過對(duì)該工作面水文地質(zhì)條件分析及水害控制因素的影響性分析，提出了高承壓水工作面水害防治措施，確定了邊界帷幕注漿，底板改造、局部疏水降壓等防治水害方法。

[1]山東科技大學(xué).陳四樓煤礦煤層底板擾動(dòng)規(guī)律及突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究[R].2008.

[2]國(guó)家煤炭工業(yè)局.煤礦防治水規(guī)定[S].北京：國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2000：225-245.

[3]張金才，張玉卓，劉天泉.巖層滲流與煤層底板突水[M].北京：地質(zhì)出版社，1997.

TD74

A

1004-5716(2015)05-0142-03

2014-05-07

2014-05-10

劉洲（1986-），男（漢族），陜西商南人，助理工程師，現(xiàn)從事煤礦防治水工作。