秦道霞 董緒峰 曹逸寧

（1.山東菏澤單縣能源有限公司，山東 菏澤 274300；2.山東科技大學(xué)資源學(xué)院，山東 泰安 271000）

近年來，礦井防治水專業(yè)技術(shù)人員通過多種技術(shù)方法對煤礦防治水做出巨大貢獻(xiàn)。其中，楊旭偉、付民強(qiáng)[1]基于物探手段對東灘礦63上04 工作面進(jìn)行突水分析，并對該工作面提出了防治水的建議；李標(biāo)、李年愛[2]對高壓含水層進(jìn)行突水分析，并提出一種底板全方位立體注漿加固技術(shù)；李松營、吳強(qiáng)等[3]對工作面煤壁側(cè)底板突水分析，得出底板突水的原因以及危險開采區(qū)域。

本文針對陳蠻莊煤礦3602 工作面開采過程中出現(xiàn)突（涌）水量增加的情況，通過對工作面頂板煤柱留設(shè)、底板三灰含水層富水性及工作面突水源的分析，并依據(jù)當(dāng)前的突水情況提出相應(yīng)的防治水措施。

1 工作面概述

受DF18、DF19 斷層影響，原3602 工作面共劃分為3 個塊段（如圖1）。

圖1 3602 工作面平面圖

由于Ⅱ塊段、Ⅲ塊段構(gòu)造復(fù)雜，三灰厚度增大，斷層附近局部突水系數(shù)超規(guī)定及水害威脅較大等情況，暫不開采，只對3602 工作面Ⅰ塊段進(jìn)行開采。其中I 塊段煤層為山西組3 煤層，煤層厚度平均3.2 m，煤層傾角平均25°，開采中出現(xiàn)了小型突水。為保障工作面的安全開采，需查明突水增大的原因。

2 工作面水量變化情況及水源分析

2.1 工作面水量變化情況及原因

工作面回采初期涌水量為10～12 m3/h，主要為上部頂板淋水及生產(chǎn)用水。在開采的過程中出現(xiàn)了兩次涌水量增加的情況，較回采初期涌水量增加18 m3/h，目前3602 工作面涌水量30 m3/h，但小于工作面預(yù)計正常涌水量39 m3/h，屬于正常涌水量安全可采范圍。

在工作面開采的過程中涌水量出現(xiàn)了兩次增加。

第一次水量增加的原因是3800 采區(qū)運輸系統(tǒng)改造，3602 工作面停采，由于停采時間較長，工作面40#～60#支架后部水經(jīng)架間流入面前。經(jīng)檢測面前的水量在10～12 m3/h，實測水溫28.5 ℃，后部采空區(qū)水量5 m3/h，總計涌水量16 m3/h。

第二次涌水量增加是因春節(jié)期間工作面需要停采，但春節(jié)過后又因3602 工作面與3804 軌道時空關(guān)系不滿足防沖要求主動停止3602 工作面的開采。由于長時間的停采，經(jīng)檢測人員檢測發(fā)現(xiàn)工作面84#～87#、91#、92#架前底板煤巖層交界面出現(xiàn)多個滲水點，水量增大10 m3/h，水量穩(wěn)定在30 m3/h，水溫31 ℃。

綜合分析，工作面兩次水量增加的原因都是因為工作面的停采，導(dǎo)致底板的破壞深度在停采位置附近不斷增大，形成底板裂隙，導(dǎo)致底板水的滲出。

2.2 涌水水源分析

先對涌水的水溫進(jìn)行了測量，溫度最高為32℃，礦井檢測奧灰水溫為47 ℃，該工作面底板三灰水溫正常在35～37 ℃左右，頂、底板水溫一般在28～33 ℃，水溫與底板砂巖水、三灰水均接近。

然后，通過取水樣進(jìn)行化驗，與原有的奧灰含水層水、底板三灰水及砂巖水水質(zhì)參數(shù)（如表1）進(jìn)行對比分析。根據(jù)SO42-離子含量，可以排除松散層底部水源；對比奧灰水源主要離子含量及pH值，可以排除奧灰出水；對比工作面砂巖水、三灰水樣離子含量及pH 值，基本一致。通過對水質(zhì)化驗進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場實際出水形式，最終確定水源為底板砂巖水與三灰混合水。

表1 水質(zhì)化驗主要離子參數(shù)對比表

依據(jù)礦井西翼軌道上方工作面回采對底板破壞現(xiàn)狀及理論計算，預(yù)計3602 工作面底板最大破壞深度27.8 m。3602 工作面回采期間兩次因停采水量增加，主要原因是由于礦山壓力影響，結(jié)合底板破壞深度變化規(guī)律分析，回采工作面停采后底板破壞深度在停采位置附近不斷增大，形成底板裂隙，導(dǎo)致底板砂巖水及三灰水滲出。

綜合對水溫的測量、出水形式以及水質(zhì)化驗的分析，可以確定突水水源是來自底板的砂巖水與三灰混合水。

3 3602 工作面突水分析

3.1 DF19 斷層活化導(dǎo)通奧灰可能性分析

為分析斷層是否對工作面出水產(chǎn)生影響，用兩條勘測線對工作面的斷層進(jìn)行勘探，分別為Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ勘探線。Ⅰ-Ⅰ勘探線位于原3602 工作面Ⅱ塊段，距Ⅰ塊段3602 工作面切眼110 m。結(jié)合地震波分析，斷層在該位置延展至煤層底板以下39 m后地層穩(wěn)定，不再受斷層影響。Ⅱ-Ⅱ勘探線為斷層向下延展深度最大處，距離Ⅰ塊段3602 工作面切眼490 m。結(jié)合地震波分析，斷層在該位置延展至煤層底板以下86 m后地層穩(wěn)定，不再受斷層影響。

依據(jù)3602 工作面內(nèi)地面鉆孔及井下鉆探資料，3 煤層底板下距三灰含水層頂板最小層間距64 m，距離奧灰含水層間距為232 m。DF19 斷層向下最大延伸至煤層底板以下86 m，距奧灰隔水層厚度為146 m，無活化導(dǎo)通奧灰含水層風(fēng)險。

DF19 斷層在向切眼方向延展過程中斷層破壞深度逐漸變小，3602 工作面切眼以里110 m 位置，斷層延展深度約39 m，距離三灰含水層25 m。3602 工作面回采前在工作面切眼下部對斷層兩盤三灰含水層施工2 孔，均無水，表明DF19 斷層在附近三灰裂隙不發(fā)育，無斷層活化風(fēng)險。

綜上分析，DF19 斷層發(fā)育情況較差，不存在活化導(dǎo)通奧灰水以及三灰水的可能性。

3.2 3602 工作面Ⅰ塊段含水層水壓分析

依據(jù)3602 工作面（Ⅰ塊段）內(nèi)地面鉆孔三灰抽水試驗資料，該塊段鉆孔的單位涌水量為0.000 2 L/s·m，說明3602 工作面Ⅰ塊段底板三灰含水層屬于弱富水性[4]。3602 工作面Ⅰ塊段底板下距三灰頂板層間距平均為75.2 m，三灰層厚度為6.0～14.3 m，平均厚度9.4 m，工作面底板三灰孔最大終孔水壓5.2 MPa，僅有1 孔單孔涌水量15.0 m3/h，其他鉆孔涌水量均在6 m3/h 以下，說明工作面底板三灰水總體富水性弱，詳見表2。

表2 工作面底板探查孔參數(shù)統(tǒng)計表

故為保障工作面I 塊段安全開采，需將I 塊段各區(qū)域的水壓、水量控制在安全范圍內(nèi)。為直觀地對各點疏水降壓后突水危險性進(jìn)行評價，引入突水系數(shù)進(jìn)行綜合分析。

在工作面進(jìn)行疏水降壓[5]后，I 塊段三灰水位降深320 m。通過對比工作面Ⅰ塊段底板三灰原始水壓（如圖2）可知，疏水降壓后工作面Ⅰ塊段底板三灰水壓明顯減小，突水系數(shù)也均在0.06 以下，說明工作面底板三灰富水性弱，整體裂隙不發(fā)育，可疏放性強(qiáng)。在沒有大型構(gòu)造的情況不具備出大水的條件，不會因不可控因素造成出水事故[6]。

圖2 工作面底板三灰疏水降壓前后水壓等值線圖

3.3 3602 工作面Ⅱ、Ⅲ塊段富水性分析

依據(jù)井下鉆孔探查資料分析，3602 工作面底板三灰含水層厚度自I 塊段向里逐漸增加，但煤層底板距離三灰含水層隔水層厚度減少，同時Ⅱ塊段、Ⅲ塊段受DF18、DF19 斷層影響，局部裂隙發(fā)育，為Ⅱ塊段、Ⅲ塊段三灰富水異常提供了基礎(chǔ)條件。

依據(jù)3602 工作面施工鉆孔單孔水量，富水異常鉆孔均位于DF19 斷層上盤區(qū)域的DF18 斷層附近。由于Ⅱ塊段DF18 斷層以里下部巷道未施工，不具備DF19 斷層下盤探查條件，依據(jù)下部3604 工作面回采前施工的2 個底板探查孔終孔均無水對比分析，DF19 斷層兩盤三灰在3602 軌道順槽2 號鉆場以里富水性差異較大；3602 工作面（I 塊段）切眼附近對DF19 斷層上下兩盤三灰含水層施工2 孔，均無水。

綜上分析，三灰含水層在Ⅱ塊段、Ⅲ塊段發(fā)育厚度增加，靠近三灰露頭，補(bǔ)給性增強(qiáng)。同時，受斷層構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育加大，導(dǎo)致區(qū)域局部富水異常。為保證3602 工作面的安全開采，不予對該塊段進(jìn)行開采。

4 防治水措施及效果

4.1 防治水措施

1）留設(shè)防水煤柱

對開采工作面留設(shè)防水煤柱[7]，在礦井中的防水煤柱應(yīng)在總體開采設(shè)計中確定，無論開采方式和巷道布設(shè)必須與各種煤柱的留設(shè)相適應(yīng)。留設(shè)防水煤柱需要結(jié)合礦井的水文地質(zhì)條件、煤層賦存條件等自然因素，也要與采煤方法、采面布設(shè)及支護(hù)方式等人為因素相適應(yīng)。

為確保工作面安全開采，需對I 塊段區(qū)域近露頭煤層進(jìn)行防水煤柱留設(shè)。3602 工作面Ⅰ塊段走向長320 m，共布置6 個風(fēng)氧化帶探查鉆孔，其中2個鉆孔取芯控制（符合防治水細(xì)則500 m 范圍至少有2 個鉆孔控制要求），6 個鉆孔中有4 個鉆孔進(jìn)入松散層底部。鉆孔揭露風(fēng)氧化基巖內(nèi)均無水且?guī)r性以弱風(fēng)化的黃色泥巖及雜色泥巖為主，具有良好的隔水效果。通過礦井已安全回采的東翼3100 采區(qū)3101 工作面、西翼3600 采區(qū)3601 工作面隔水層留設(shè)情況，風(fēng)氧化基巖作為隔水層能夠?qū)崿F(xiàn)安全回采。具體頂板探查孔情況見表3。

表3 3602 工作面（I 塊段）頂板風(fēng)氧化帶探查孔統(tǒng)計表

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，3602 工作面水體采動等級屬于Ⅱ類型，需按防隔砂煤（巖）柱留設(shè)條件進(jìn)行防隔水煤柱的留設(shè)。3602 工作面Ⅰ塊段上部煤層厚度實際揭露最大為3.2 m，按照經(jīng)驗公式（1）計算需留設(shè)51.9 m 防隔水煤柱，按照實測導(dǎo)水裂隙帶高度需留設(shè)49.6 m。3602 工作面Ⅰ塊段實際探查基巖厚度67.7～85.4 m，平均72 m，頂板隔水層厚度大于防隔水煤柱要求。

綜合分析3602 工作面的頂板隔水層厚度大于防隔水煤柱要求，則無需再留設(shè)防隔水煤柱。

式中：L為煤柱留設(shè)寬度，m；K為安全系數(shù)；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，t/m2；Kp為煤的抗張強(qiáng)度，t/m2。

2）疏水降壓

工作面Ⅰ塊段煤層底板三灰水是當(dāng)前主要的含水層，在回采前對底板三灰水采取疏放措施。依據(jù)3602 工作面（Ⅰ塊段）內(nèi)地面鉆孔三灰抽水試驗資料可知，該塊段屬于弱富水區(qū)。參考安全開采水壓臨界值等值線可知，工作面I 段切眼附近需要疏水降壓到3.66 MPa 以下即可，尤其是工作面開采回采至初次來壓前，需要將周圍鉆孔水壓下降到3.7 MPa 左右。疏水鉆孔設(shè)置在3602 膠帶順槽中間地段以及3602 軌道順槽與3600 軌道上山交接地段，并在工作面Ⅰ段開采前對Ⅱ、Ⅲ段的探查孔進(jìn)行封孔，防止探查孔成為突水通道。

3）排水系統(tǒng)

根據(jù)表2 可知，Ⅰ塊段煤層底板三灰水的最大突水系數(shù)為0.025 MPa/m，小于臨界突水系數(shù)值0.06 MPa/m，最大涌水量穩(wěn)定在30 m3/h，則對Ⅰ塊煤層的開采影響較小。但必須完善排水系統(tǒng)，則兩巷需鋪設(shè)四寸排水管道各一趟，配備兩臺45 kW 以上的水泵備用，在工作面配備一臺45 kW 以上的泥砂泵以便排水。

4）井下水害探測

為防止在開采的過程中出現(xiàn)突水事故，開采過程中必須遵守有疑必探的原則。在回采之前對3602軌道順槽自DF19斷層向外進(jìn)行瞬變電磁底板探測，對Ⅰ塊段回采區(qū)頂板以及3602 軌道露頭區(qū)域頂板進(jìn)行三維直流電法探測，并根據(jù)探測結(jié)果劃分富水異常區(qū)，確保在回采中不會出現(xiàn)突水事故。針對3602 工作面Ⅰ塊段的探測異常區(qū)，根據(jù)有疑必探的原則，對每個異常區(qū)進(jìn)行鉆孔查驗，以確保工作面的安全開采。

5）注漿加固

工作面Ⅰ塊段的含水層不具有突水危險性，正常情況下不會影響煤層的開采，則正常情況不用注漿改造底板隔水層。但是，由于DF19 斷層的存在，在開采的過程中可能會出現(xiàn)導(dǎo)通奧灰水的可能性，形成水害甚至是嚴(yán)重水害。防止的措施：① 采掘前分階段使用瞬變電磁探測方法，查清垂向?qū)畼?gòu)造的發(fā)育情況。② 采用“梅花式”注漿方法，注漿孔設(shè)置在巷道中間呈梅花狀布設(shè)，采用水泥-水玻璃雙液注漿材料，水灰比在0.8:1 到1.5:1 之間。適當(dāng)加入化學(xué)注漿材料可以更好地封堵導(dǎo)水通道，加固改造隔水底板。③ 注漿完成之后再次使用瞬變電磁方法探測注漿部分，以確保注漿效果。

4.2 工作面防治水效果分析

在3602 工作面開采過程中發(fā)現(xiàn)了突水，及時提出了防治水措施進(jìn)行治理。在治理期間采用了井下水害探測、完善排水系統(tǒng)以及留設(shè)防水煤柱等防治水方法，其中通過瞬變電磁以及三維直流電法探查出三處富水異常區(qū)，并在圖3 中圈出。

圖3 物探異常區(qū)圈定成果圖

通過鉆探進(jìn)行驗證，分別在異常區(qū)1 打鉆孔D10，在異常區(qū)2 打鉆孔JYD-6、JYD-3，在異常區(qū)3 打鉆孔觀1，并對三處異常區(qū)進(jìn)行疏放水。其鉆孔出水量詳見表2。工作面排水系統(tǒng)增添了兩臺水泵，礦井的排水能力提高了840 m3/h，確保礦井的正常排水，并留設(shè)了平均高度為72 m 的防水煤柱。對底板以及斷層附近進(jìn)行注漿，總注漿量約15 t，注漿壓力為5 MPa。注漿之后該區(qū)域的底板起到了良好的加固作用，底板突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m。3602 工作面Ⅰ塊段通過多種防治水措施治理后，其涌水量降至30 m3/h，在安全開采范圍內(nèi)，充分表明該工作面實施的防治水措施效果比較顯著。

5 結(jié)論

1）通過水質(zhì)化驗確定了突水水源來自底板砂巖水與三灰混合水。

2）3602 工作面Ⅰ塊段涌水量增加是由工作面停采期間礦山壓力對底板破壞深度進(jìn)一步增加導(dǎo)致。

3）3602 工作面Ⅰ塊段在沒有大型構(gòu)造的情況下，不會造成較大突水事故的發(fā)生，并根據(jù)當(dāng)前的涌水量提出了防治水措施。