蔡王飛

(晉煤集團(tuán) 寺河礦，山西 晉城 048200)

煤礦生產(chǎn)中突水會(huì)造成大量人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，破壞力極強(qiáng)，易發(fā)生于帶壓開采面，在承壓水壓力與采掘礦壓相互作用下，原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)發(fā)生變化，最終在局部應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)變釋放能量，產(chǎn)生構(gòu)造變化，導(dǎo)致底板導(dǎo)水裂隙的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。近幾年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，其中“關(guān)鍵層理論”提出了在無地質(zhì)構(gòu)造前提下，煤礦突水事故常發(fā)生在工作面上下出口[1]；“下三帶理論”對(duì)各個(gè)帶區(qū)進(jìn)行了劃分，得出承壓水導(dǎo)升帶是底板突水帶區(qū)中的關(guān)鍵[2]；“薄板結(jié)構(gòu)理論”中認(rèn)為底板隔水帶越穩(wěn)定，底板突水危險(xiǎn)性越小[3]。本文采用理論計(jì)算以及綜合物探技術(shù)對(duì)寺河煤礦5310工作面底板突水情況進(jìn)行了分析，并對(duì)工作面底板突水危險(xiǎn)性程度進(jìn)行了評(píng)估。

1 工程背景

寺河煤礦位于山西省晉城市偏西北，隸屬于晉城煤業(yè)集團(tuán)，井田煤層分成二個(gè)煤組進(jìn)行開拓，3號(hào)煤層為一組、9號(hào)、15號(hào)煤層為一組，井田區(qū)域劃分為東西兩井區(qū)，東區(qū)為生產(chǎn)區(qū)域，采用斜井開拓，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，東區(qū)共6個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)面積為6.25 km2，其中東五盤區(qū)5310工作面走向長1 775.7 m，傾斜長296.2 m，整體西高東低，中部發(fā)育寬緩背向斜，傾角在-4～10°，工作面開采的3號(hào)煤層為穩(wěn)定煤層，平均厚度6.08 m。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料得知，5310工作面底板標(biāo)高為+302～+340 m，奧灰水位標(biāo)高為+500 m左右，高出3號(hào)煤層底板160～198 m，為了確保工作面回采不受到奧灰水的影響，對(duì)工作面進(jìn)行物探是很必要的。

2 水壓及突水系數(shù)的計(jì)算

2.1 水壓計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)資料，井田(東區(qū))淺埋區(qū)奧灰水位標(biāo)高為487.80～536.54 m，其中YS-4孔奧灰水位標(biāo)高為515.41～538.70 m，已知奧灰水位標(biāo)高比3號(hào)煤層底板標(biāo)高多出160～198 m，可以得知5310工作面各區(qū)域存在奧灰水壓，為了確定水壓大小，利用公式(1)對(duì)工作面各區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。

P=(H-X+L)×0.01

(1)

式中：H為奧灰最高水位，m；X為3號(hào)煤層底板標(biāo)高，m；L為3號(hào)煤層底板至奧灰層位的距離，m。

近幾年奧灰水位線最高水位538.70 m，分別選取5310工作面不同位置鉆孔，得到其地板特性，運(yùn)用公式(1)計(jì)算得到5310工作面水壓分布情況，見表1。

表1 5310工作面水壓分布情況

由表1可以看出，水壓范圍在3.69～4.08 MPa之間，最大為4.08 MPa，已知本工作面臨界水壓為6 MPa，所以水壓在正常范圍內(nèi)，不足以產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙。

2.2 突水系數(shù)計(jì)算

結(jié)合礦井實(shí)際開采資料，采用突水系數(shù)法對(duì)5310工作面開采時(shí)底板破壞類型(非斷層型)突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用公式(2)計(jì)算底板突水系數(shù)。

T=P/M

(2)

式中：P為水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

5310工作面水壓已經(jīng)得知，根據(jù)礦井相關(guān)資料得知3號(hào)煤層底板隔水層厚度最低為100 m，利用公式(2)可以求得突水系數(shù)，見表2。

表2 5310工作面突水系數(shù)

由表2得知，5310工作面突水系數(shù)為0.036 9～0.040 8 MPa/m，小于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，從數(shù)值上看底板突水危險(xiǎn)性較低，為帶壓開采，容易在斷層及陷落柱附近產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，在采掘過程中容易引發(fā)突水，為此工作面必須探查有無導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱等導(dǎo)水通道。

3 瞬變電磁法及坑透探測(cè)

3.1 瞬變電磁法原理及布置方案

礦井瞬變電磁法是煤礦物探的常用手段，不受地形影響，它是通過電子線圈向需要探測(cè)的位置發(fā)射波形電流[4]，利用不同巖層之間的電性差異，會(huì)在各個(gè)巖石層位間產(chǎn)生電位差，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)突然斷電后，原先形成的渦流場(chǎng)會(huì)釋放能量恢復(fù)原先特性，從而得出不同巖層間的電阻率，并進(jìn)一步得出地下巖層結(jié)構(gòu)。

本文采用瞬變電磁法對(duì)5310工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷進(jìn)行了探測(cè)，主要為了確定工作面內(nèi)部有無地質(zhì)構(gòu)造及富水性，布置方案為在5310工作面回風(fēng)巷(53101巷)和進(jìn)風(fēng)巷(53103巷)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)儀器使用飛翼YCS111礦用本安型瞬變電磁儀，分成兩組分別從兩巷道切眼開始施工頂板45°、順層0°、底板45°測(cè)線。探測(cè)時(shí)53101巷先進(jìn)行施工，200 m后53103巷開始施工，共布置6條測(cè)線，測(cè)線長度1 800 m，每隔20 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線角度分別為頂板45°、順層0°、底板45°，布置方案如圖1所示，探測(cè)期間得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得出了電阻率斷面如圖2及圖3所示。

圖1 布置方案

圖2 53101巷處探測(cè)結(jié)果

圖3 53103巷處探測(cè)結(jié)果

從圖2可以看出，電阻率分布在0～55 Ω·m，縱向分布上電阻率均無明顯異常，在0～200 m范圍內(nèi)，整體上電阻率都分布在30～55 Ω·m，在240～540 m之間，縱向分布電阻率較低，但也都穩(wěn)定在10～22 Ω·m之間，不能表明在此階段存在富水區(qū)，在540～1 800 m之間，分布上電阻率都較高，無明顯低阻異常區(qū)。從圖3可以看出，電阻分布同樣在0～55 Ω·m之間，與53101巷對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)整體上靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)工作面區(qū)域內(nèi)電阻率較低，但觀察0～1 800 m測(cè)點(diǎn)之間，電阻總體呈現(xiàn)在6～22 Ω·m之間，在0～200 m、700～900 m、1 200～1 400 m、1 500～1 800 m之間電阻都呈現(xiàn)出逐漸增加的態(tài)勢(shì)，可以表明工作面內(nèi)無明顯低阻異常區(qū)域。綜上所述，在5310工作面內(nèi)存在富水區(qū)的可能性較低。

3.2 探放水定向鉆孔

為了確保物探準(zhǔn)確性，對(duì)工作面內(nèi)部的構(gòu)造情況進(jìn)行了進(jìn)一步探查。根據(jù)煤礦現(xiàn)有技術(shù)條件采用千米定向鉆機(jī)對(duì)53101巷進(jìn)行鉆探，目的是為了對(duì)工作面3號(hào)煤層的含水性及可能存在的隱伏構(gòu)造的含、導(dǎo)水性進(jìn)行探測(cè)。鉆孔在工作面圈定過程中逐步向采面施工，待采面圈定后進(jìn)行物探，對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行千米鉆孔軌跡分析。本次探測(cè)共施工千米鉆孔65個(gè)，分為5組，各組鉆孔開孔方位角為0～80°不等，孔深在345～550 m，鉆孔平均長度為475 m，開孔間距均為0.5 m，開孔順序由西往東依次施工。

工作面經(jīng)千米定向鉆孔覆蓋，施工過程中未見異常出水，涌水量為10 m3/h，最大涌水量為30 m3/h。綜合分析認(rèn)為工作面內(nèi)部不存在導(dǎo)水?dāng)鄬印?dǎo)水陷落柱等導(dǎo)水通道，且煤層頂、底板的富水性較弱。經(jīng)千米定向鉆孔軌跡分析未發(fā)現(xiàn)明顯導(dǎo)水異常。

3.3 后續(xù)預(yù)防措施

工作面回采過程中地測(cè)科定期觀測(cè)、收集工作面現(xiàn)場(chǎng)資料，發(fā)現(xiàn)異常出水或其它地質(zhì)異常情況，要及時(shí)分析、處理，采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施。工作面回采過程中隊(duì)組每班應(yīng)有專人監(jiān)測(cè)工作面、兩側(cè)巷道及采空區(qū)頂、底板出水情況，發(fā)現(xiàn)異常要及時(shí)向地測(cè)科及相關(guān)單位匯報(bào)。工作面53101巷及53103巷內(nèi)備排水能力不小于30 m3/h的排水泵，一開一備，并接好排水管路，保證能及時(shí)排出工作面及巷道內(nèi)積水。

4 結(jié) 語

1) 通過理論計(jì)算得出5310工作面水壓分布在3.69～4.08 MPa之間，小于臨界水壓6 MPa；突水系數(shù)最大為0.040 8 MPa/m ，小于0.06 MPa/m(突水系數(shù)臨界值)。

2) 經(jīng)瞬變電磁探測(cè)以及鉆探驗(yàn)證無導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱等導(dǎo)水通道，綜合分析，認(rèn)為5310工作面在奧灰承壓水帶壓開采安全區(qū)，可以正?；夭?。