姬永飛,張 軍

(銅川礦務(wù)局有限公司 冶坪分公司，陜西 銅川 727100)

我國煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，嚴重影響著煤礦安全生產(chǎn)。許多學(xué)者對煤礦水害防治進行了研究并取得了有效的成果。黃選明等[1]從充水水源、充水通道、充水強度方面分析了露天煤礦水害特征，提出露天煤礦由遠及近、由上而下、由面至點的立體防治水技術(shù)體系。崔芳鵬等[2]對依據(jù)充水水源、煤層與含水層相對位置和導(dǎo)水通道等分類的諸多礦井水害的防治技術(shù)與方法進行了分析與探討，為不同類型煤礦水害的精細化防治提供技術(shù)支持。梁敬東[3]通過對煤礦斷層充水基本特征的分析，提出斷層充水的防治建議。

近年來，冶坪煤礦逐漸向深部開采，水害嚴重影響工作面的正?；夭桑疚膹脑摰V地質(zhì)概況、水文地質(zhì)條件等方面，分析了水害的危險性并提出具體的防治措施。

1 工程概況

冶坪煤礦隸屬于陜西美鑫礦業(yè)有限公司，為原薛家寨煤礦和玉峰煤礦產(chǎn)能異地置換而新建的礦井。礦井主采煤層為3#煤層和4-2#煤層，均屬局部可采煤層，3煤厚度0～4 m，平均厚度2.05 m，4-2煤厚度0～9.90 m，平均厚度3.26 m，開采標高為+990～+780 m.冶坪礦井在2020年底正式開始首采面1301工作面的回采，工作面目前未見明顯的頂板涌水，建井階段礦井涌水主要為井筒及大巷涌水，礦井總涌水量27.7～46.9 m3/h，在雨季會出現(xiàn)涌水量增大現(xiàn)象，2020年礦井平均涌水量36.65 m3/h.洛河組含水層厚度大，富水性較好，補給條件好，若導(dǎo)水裂隙帶波及洛河組含水層后可能出現(xiàn)涌水增大現(xiàn)象。相鄰崔家溝煤礦、下石節(jié)煤礦等在回采4-2煤時均出現(xiàn)過明顯的涌水量波動現(xiàn)象，下石節(jié)煤礦回采3-2煤層時，在工作面回采末期也出現(xiàn)涌水量波動現(xiàn)象，最大涌水量可達200 m3/h以上，說明了洛河組含水層富水性相對較好，且富水性不均一，在局部區(qū)域可能出現(xiàn)涌水量突增，影響工作面回采。

根據(jù)井田及周邊施工的42個鉆孔統(tǒng)計數(shù)據(jù)及地層覆巖發(fā)育特征綜合分析，得出一采區(qū)頂板覆巖厚度變化規(guī)律。一采區(qū)內(nèi)華池組厚度變化較大，為140～280 m，采區(qū)西南部由于地表溝谷區(qū)域剝蝕，華池組厚度減小，向東部、北部方向存在厚度較大區(qū)域；采區(qū)華池組地層底板標高+1 300～+1 365 m，呈傾向NW的單斜構(gòu)造，見圖1,2.

圖1 華池組地層厚度等值線圖

洛河組厚度變化為276～295 m，采區(qū)北部、西南部洛河組地層厚度較小，向東南方向地層厚度逐漸增大，采區(qū)東南部分厚度接近300 m，見圖3,4.洛河組地層整體呈一NNW傾向單斜，一采區(qū)內(nèi)底板較為平緩，標高+1 020～+1 065 m，采區(qū)南部洛河組地層底板標高平緩，在+1 065 m附近，向北西方向地層底板標高逐漸減小，未見明顯褶皺發(fā)育。

圖2 華池組底板標高等值線圖

圖3 洛河組地層厚度等值線圖

圖4 洛河組底板標高等值線圖

2 深部煤礦充水因素分析

2.1 充水水源

根據(jù)井上下基礎(chǔ)資料，主要分析礦井一采區(qū)東部充水水源及充水通道，對已采區(qū)域礦井充水強度進行總結(jié)。

1)大氣降水和地表水。礦井區(qū)域?qū)俅箨懶园敫珊导撅L氣候，一次性最大降水量294.8 mm.在基巖出露區(qū)域，對地下含水層具有一定的補給。據(jù)礦井涌水量相關(guān)因素曲線圖(圖5)，目前礦井涌水主要以井筒及大巷涌水為主，在8—9月份降雨量較大時間，礦井涌水有隨之增大的現(xiàn)象，大氣降水為間接充水水源。

圖5 涌水量相關(guān)因素曲線圖

2)地下水?，F(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范中收錄的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式，均有一定的適用條件，目前的限制條件大部分為采厚。冶坪煤礦一采區(qū)范圍內(nèi)3煤厚度為1.50～3.50 m，大部分區(qū)域內(nèi)煤層厚度在2～3 m，局部存在薄煤帶，采區(qū)所布設(shè)均為綜采工作面，3煤頂板為中硬頂板，根據(jù)經(jīng)驗公式預(yù)測，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大為47.4 m.

冶坪礦井煤層采厚以2～3 m為主，一采區(qū)工作面采寬為180 m，周邊礦井采寬與采厚一般均大于冶坪礦井(表1)，僅下石節(jié)煤礦回采3-2煤的2301工作面，采厚、采寬與冶坪煤礦最為相近，且覆巖結(jié)構(gòu)類似，2301工作面寬度215 m，煤層采厚4.2 m，實測裂采比26.7 m，冶坪礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測采用下石節(jié)煤礦2301工作面實測裂采比26.7倍計算。冶坪礦井3#煤厚度總體較小，且含多層夾矸，在預(yù)計導(dǎo)水裂隙帶時僅考慮可采煤厚，可采厚度小于綜采支架最低高度2.1 m時，按2.1 m采厚計算，則一采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為56.07～85.44 m.

表1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實測結(jié)果統(tǒng)計表

3)頂板含水層水。

預(yù)測導(dǎo)高與洛河組底板距離等值線見圖6.如圖6所示，采厚較小工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度也能達到較大值，相鄰井田實測值也說明經(jīng)驗公式計算結(jié)果在該區(qū)域地質(zhì)條件下并不適用，因此，選用實測裂采比預(yù)測冶坪礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，即56.07～85.44 m.冶坪煤礦一采區(qū)范圍內(nèi)，3煤頂板與洛河組底界面的間距為85～125 m.前述分析，井田內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大為85.44 m，預(yù)計導(dǎo)水裂隙均未發(fā)育至洛河組底部。在相鄰礦井較薄煤層工作面開采中，出現(xiàn)過導(dǎo)水裂隙帶波及洛河組造成工作面回采末期涌水量增大的現(xiàn)象，冶坪礦井回采中也應(yīng)注意局部構(gòu)造區(qū)域?qū)严稁Оl(fā)育高度異常造成的涌水量增大現(xiàn)象。

圖6 預(yù)測導(dǎo)高與洛河組底板距離等值線圖

4)采空區(qū)積水。

根據(jù)前述分析，崔家溝井田采掘工作不受下石節(jié)、陳家山煤礦采空區(qū)積水影響，井田內(nèi)也未見以往生產(chǎn)小窯，目前僅崔家溝煤礦一盤區(qū)采空區(qū)積水可能對冶坪礦井東部1307、1308工作面回采有一定影響。據(jù)礦井提供數(shù)據(jù)，崔家溝煤礦的一盤區(qū)現(xiàn)已經(jīng)回采完并封閉，閉墻已開始涌水，采空區(qū)內(nèi)完全充水，積水標高+1 000 m；崔家溝一盤區(qū)2116工作面進入冶坪礦井田邊界內(nèi)約233 m，該工作面回采延安組4-2煤，進入冶坪礦的采空區(qū)最低點為+892.813 m(巷道控制點推算)，以此計算2116采空區(qū)最低點水頭壓力達1.072 MPa，采空區(qū)積水量大、積水壓力高，可能威脅冶坪礦鄰近工作面回采。崔家溝一盤區(qū)采空區(qū)積水對3#煤采掘活動具有一定威脅，采前應(yīng)采取相應(yīng)水害防治措施。

2.2 充水通道特征分析

1)采動裂隙。崔家溝煤礦2116工作面開采4-2煤，煤層采厚7.5 m，以實測裂采比27.55倍計算，2116采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶已波及頂板洛河組含水層，崔家溝礦一盤區(qū)充水通道也主要以采動導(dǎo)水裂隙帶為主。相鄰礦井常以留設(shè)煤柱方法作為防隔水措施，若煤柱寬度不足，可能存在兩礦頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育區(qū)域互相溝通，相鄰已采區(qū)的采空區(qū)積水或含水層水會經(jīng)導(dǎo)水裂隙帶側(cè)向補給本礦回采工作面頂板含水層，造成工作面充水強度增大。

2)構(gòu)造裂隙。礦井正在進行首采面1301工作面回采，以往掘進或回采期間并未揭露斷裂構(gòu)造，一采區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶曲為主，據(jù)覆巖底板等值線推斷，褶皺主要在侏羅系地層內(nèi)發(fā)育，未波及白堊系地層，褶皺軸部可能存在裂隙發(fā)育區(qū)域，回采至褶皺軸部可能出現(xiàn)淋水增大現(xiàn)象。另外，在1301工作面切眼部位揭露一薄煤區(qū)，推斷為受背斜構(gòu)造影響的構(gòu)造薄煤區(qū)，薄煤區(qū)或無煤區(qū)也有可能是古河流沖刷形成，對應(yīng)區(qū)域可能存在河流相沉積的砂礫巖區(qū)域，富水性相對較好，回采至該區(qū)域可能出現(xiàn)頂板淋水增大現(xiàn)象。

3)封閉不良鉆孔。一采區(qū)內(nèi)有以往勘探時期施工的10個鉆孔，均為2013年由陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司施工的勘探鉆孔，根據(jù)鉆孔柱狀圖，所有鉆孔均為洛河組底板以上10 m至終孔為水泥砂漿封閉，頂部黃泥封堵，全孔封閉，但由于部分煤層較厚處導(dǎo)水裂隙帶頂部距離洛河組含水層較近，黃泥封堵效果難以保證，因此在回采至對應(yīng)鉆孔時，應(yīng)加強水情觀測，必要時采取治理措施。

3 復(fù)雜條件下深部煤礦防治水關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 防治水思路

根據(jù)冶坪礦井一采區(qū)可能面臨的水害威脅，提出了防治水技術(shù)措施，具體防治水思路見圖7.巷道掘進前分析地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，做好掘進探放水設(shè)計及掘進中超前段水情探查工作，加強鄰采空區(qū)巷道淋(滲)水情況觀測；回采前探查并確定2116采空區(qū)具體位置，進行采前防治水安全評價；對采空區(qū)積水區(qū)域留設(shè)合理防隔水煤柱，必要時可采取注漿充填技術(shù)進行采空區(qū)水害治理。

圖7 東部邊界3煤開采防治水技術(shù)路線圖

3.2 掘進防治水措施

崔家溝2116采空區(qū)與冶坪煤礦開采工作面位置明確，確定其采空區(qū)存在積水，3煤單軸抗壓強度6.63 MPa，屬碎軟煤層，探水線應(yīng)為采空區(qū)積水邊界外推30～40 m，安全起見此處取40 m(考慮覆巖破壞裂縫角時，應(yīng)自采空區(qū)邊界外推47.73 m)；警戒線應(yīng)自探水線外推20～40 m，考慮采空區(qū)水頭壓力較大，警戒線外推距離取100 m.1308工作面巷道工程基本位于探水線以外，掘進過程中應(yīng)自警戒線開始警惕積水威脅，注意觀察掘進頭及采空區(qū)一側(cè)煤壁出水情況，做好巷道滲水及掘進探放水鉆孔水情觀測。

掘進超前探放水：進入采空區(qū)積水警戒線以后，應(yīng)編制每循環(huán)探放水設(shè)計，安排專用鉆機及專職隊伍，加密鉆探、物探相結(jié)合的掘進超前段水情循環(huán)探查，直至掘進工程安全掘進出警戒區(qū)域后，恢復(fù)正常探水循環(huán)。

探放水工程：巷道掘進超前物探建議選用瞬變電磁法進行，探查分析巷道掘進前方、右前方(采空區(qū)方向)的異常含水體(包括可能存在的導(dǎo)水構(gòu)造或者盲巷)；掘進鉆探根據(jù)以往探放水加密布設(shè)鉆孔，向采空區(qū)一側(cè)施工的探查鉆孔應(yīng)開展鉆孔測斜工作，確定鉆進方向準確性，見圖8.圖8中鉆孔數(shù)量不代表實際施工數(shù)量，具體鉆孔設(shè)計礦方依實際情況布設(shè)。

圖8 掘進超前物探方向示意圖

掘進水情觀測：掘進前編制好水害應(yīng)急預(yù)案并進行相關(guān)培訓(xùn)，掘進中做好采空區(qū)一側(cè)煤壁水情觀測，建立探放水臺賬，對巷道涌水、鉆孔水及時采取水樣進行分析對比，判斷充水水源。

3.3 注漿后工作面底板突水危險性分析

在冶坪礦采用超聲波法測量底板巖體受注漿加固及開采影響下巖體波速變化的實測值，進而利用公式將其轉(zhuǎn)化為巖體彈性模量，結(jié)果見圖9.

圖9 不同深度處底板巖體彈性模量圖

實測數(shù)據(jù)分析表明正常帶巖體，受注漿加固作用影響，巖體強度變化明顯，未經(jīng)過注漿加固作用的巖體彈性模量最低值為0.2 GPa、最大值為4.3 GPa，小范圍深度內(nèi)巖體彈性模量變化不大，大范圍對比下，巖體彈性模量變化較為明顯，其變化的差異性體現(xiàn)了底板巖體巖性的多樣性及巖層厚度的變化。注漿前底板巖體彈性模量平均值為1.9 GPa；分時實測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過注漿加固作用的巖體，巖體的彈性模量顯著增大，最小值、最大值分別提高到3.1 GPa和11.7 GPa，平均值為6.3 GPa；受開采影響，底板擾動破壞使得其巖體彈性模量減少，最小值、最大值分別降低到1.8 GPa和9.0 GPa，平均值為4.8 GPa，整體巖體強度平均減弱24%，但仍高于注漿加固前巖體彈性模量。

3.4 注漿加固底板巖體富水性探測

工作面底板注漿加固后，利用井下瞬變電磁勘探技術(shù)探查冶坪礦工作面下順槽通尺1 770～2 270 m段所圈區(qū)域二1煤底板下方70 m范圍內(nèi)的巖層賦水性情況，劃分探測范圍內(nèi)底板巖層的相對貧、富水區(qū)域，檢驗工作面底板注漿加固的效果?？碧匠晒妶D10,11.由圖10看出，物探范圍內(nèi)下順槽內(nèi)幫俯角45°勘探成果中的主要相對低阻異常區(qū)為X1-1，位于通尺1 800 m～1 855 m段附近，異常范圍較小。該低阻區(qū)位于煤層底板下方L8灰?guī)r附近、距離二1煤層較近，可能系附近巖層相對破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性引起，工作面回采時，該低阻區(qū)附近的區(qū)域不排除發(fā)生底板突水的可能性。

圖10 工作面下順槽瞬變電磁勘探(內(nèi)幫俯角45°)視電阻率斷面圖

由圖11看出，物探范圍內(nèi)下順槽俯角90°勘探成果中無需要關(guān)注的相對低阻異常區(qū)，巖層的賦水性較弱，發(fā)生底板突水的可能性較小。

圖11 工作面下順槽瞬變電磁勘探(俯角90°)視電阻率斷面圖

4 結(jié) 論

根據(jù)礦井勘探及揭露的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，分析了冶坪井田一采區(qū)東部3#煤覆巖結(jié)構(gòu)特征及充水條件，據(jù)崔家溝礦2116工作面采空區(qū)基本情況，進行了采區(qū)東部1308工作面采空區(qū)防水煤柱寬度驗算，提出了相應(yīng)防治水技術(shù)措施，主要結(jié)論如下：

1)依據(jù)崔家溝煤礦提供的2116工作面巷道拐點坐標及采空區(qū)范圍，計算2116采空區(qū)在冶坪井田內(nèi)面積約3.7萬m2，估算一盤區(qū)采空區(qū)內(nèi)積水量約413.76萬m3，在冶坪井田內(nèi)最大水頭壓力約1.072 MPa.

2)通過底板注漿加固，可降低底板裂隙發(fā)育，減少底板巖層破碎區(qū)，有效改造底板裂隙含水層。通過實際物探探測效果對比分析可得，底板巖層視 電阻率變化明顯，低阻異常區(qū)變小，注漿效果明顯。

3)根據(jù)井田東部邊界3#煤回采面臨的水害威脅，提出了掘進和回采期間的防治水技術(shù)措施，具體包括水文地質(zhì)條件分析及防治水工程設(shè)計，掘進超前探放水，采前防治水安全評價，排水系統(tǒng)建設(shè)，制定應(yīng)急預(yù)案等。