童世杰，陳增寶，李 俊

(1.安徽恒源煤電股份有限公司臥龍湖煤礦，安徽 宿州 234000； 2.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽淮南 232000； 3.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心(宿州學院)，安徽宿州 234000)

0 引言

煤礦水害類型比較多，按照充水水源分為松散層水害、煤系砂巖水害、底板巖溶水害等[1-3]；按照井下來水的方向可分為頂板水害和底板水害等。煤系頂板砂巖水輕則影響開采效率，重則造成災害事故，因此煤礦開采中防治頂板水害是一項經(jīng)常性的工作[4-6]。

通常情況下，開采煤層頂板砂巖裂隙含水層以靜儲量為主，涌水量衰減快，出水持續(xù)一段時間后即被疏干[7-9]。但如果頂板砂巖裂隙含水層富水性強，甚至有外來補給源，這種情況下，井下涌水量衰減較慢，即使衰減，也不至于被疏干，威脅煤礦安全生產(chǎn)，同時對煤礦開采效率造成嚴重制約[10-12]。

安徽恒源煤電股份有限公司臥龍湖煤礦始建于 2004 年 3 月 1日，2008 年 6 月 13 日正式投產(chǎn)，礦井設(shè)計能力為 90 萬 t/a。全井田劃分為一個水平開拓、上下山開采，一水平標高為-535m。該礦分南翼和北翼盤區(qū)，其中北翼盤區(qū)設(shè)計了5個采區(qū)，北一采區(qū)共設(shè)計 了8101、8102、8103、8104四個工作面。主采的8煤層，平均厚度3.0m，傾角為4°～6°，新生界松散層厚度為 230m左右，8煤層覆巖厚度大于 330m。

8101工作面是北一采區(qū)的首采面，于2012年7月5日開始回采。2012年9月15日，8101面在推進105m(過地面1#瓦斯抽采孔25m)時出現(xiàn)頂板砂巖突水，初始涌水量25 m3/h。隨著1#瓦斯孔套管的斷裂，突水量增大，水壓增高，至9月19日夜班，水量達90m3/h，且持續(xù)增大；9月24日涌水量逼近400m3/h，10月5日出現(xiàn)最大涌水量420m3/h，對煤礦安全生產(chǎn)和開采效率造成嚴重影響。之后，邊治水邊開采，8101面于2013年3月18日正式收作。接著，8102面和8103面分別于2015年2月5日、2017年4月24日陸續(xù)開采完畢，8104面即將回采。目前北一采區(qū)涌水量在130 m3/h左右。

來自煤系頂板的水量如此之大、持續(xù)時間如此之長，在淮北-永夏煤田頂板水害防治歷史上極為罕見。這種涌水特點使煤系頂板砂巖水以靜儲量為主的“疏干型”觀念受到挑戰(zhàn)。為此，本文將在弄清臥龍湖礦北一采區(qū)頂板水涌出規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出水害防治技術(shù)，為同類條件下的其他礦區(qū)防治頂板水害提供參考。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)背景

臥龍湖礦北一采區(qū)四個工作面布置如圖1所示。地層傾向北，為單斜構(gòu)造。煤系有下二疊系山西組和下石盒子組、上二疊系上石盒子組和石千峰組。8煤位于下石盒子組下部，其老頂厚度3.8～6.4m，均厚5.1m，為粉砂巖，含泥質(zhì)，具水平層理。

8煤直接頂為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)軟，厚度0～4.5m，均厚2.3m。局部受巖漿侵蝕影響；直接底為泥巖，塊狀，厚度4.4～4.6m，均厚4.5m。

北一采區(qū)直接充水水源是6～8煤上、下砂巖裂隙含水層。該含水層以中、細粒砂巖為主，夾泥巖、粉砂巖及巖漿巖。砂巖厚度為1.89～46m，平均33m，變化較大；巖漿巖厚度1.45～48.70m，平均31.20m，變化也較大。局部地段砂巖及巖漿巖裂隙較發(fā)育，在鉆探施工時，有多個鉆孔發(fā)生漏水現(xiàn)象。

圖1 臥龍湖礦北一采區(qū)工作面布置Figure 1 Wolonghu coalmine winning district N1 coal face layout

工作面采掘過程中發(fā)現(xiàn)落差小于5m的小斷層43條，均為正斷層，導水性較好。

2 北一采區(qū)充水特征

自2012年9月中旬8101面突水以來，北一采區(qū)涌量規(guī)律比較明顯。總結(jié)這些規(guī)律，對于有效防治頂板水害，確保工作面安全有序開采具有重要意義。

2.1 初始突水量較大

北一采區(qū)首采的8101工作面于2012年9月15日開始涌水，9月19日夜班，水量達90m3/h且持續(xù)增大，至20日已達122m3/h。雖然對地面1#瓦斯孔實施骨料封堵處理，但涌水量不減反升，至2012年9月22日上午10∶45，井下涌水量穩(wěn)定在350～380 m3/h。繼而對1#瓦斯孔進行注漿封堵，然而，至10月5日涌水量仍繼續(xù)上升，并維持至390～420m3/h。說明該瓦斯孔套管破裂不是井下涌水的唯一通道。

于是，1#瓦斯孔注漿封堵結(jié)束后，在該孔西南5m處新施工一注漿孔，對1#瓦斯孔外圍的環(huán)形空間導水通道進行注漿封堵。但井下涌水量仍然變化不大，至2013年1月，涌水量仍在300m3/h以上(圖2)。

2.2 老工作面水向新工作面轉(zhuǎn)移

8101工作面最大涌水量420m3/h，然后逐漸衰減，在2013年5月至2014年4月之間穩(wěn)定在180m3/h左右。8101面于2013年3月18日收作，8102工作面于2014年2月15日開始回采。8102面回采過程中，8101面涌水量自180m3/h迅速下降，8102面涌水量隨之增大，二者出現(xiàn)此消彼長的態(tài)勢(圖3)，8101面約80%的涌水量轉(zhuǎn)嫁到8102面，而兩面涌水量之和以及北翼盤區(qū)總涌水量基本不變。

圖2 臥龍湖礦北一采區(qū)8101工作面涌水量歷時曲線Figure 2 Wolonghu coalmine winning district N1 coal face No.8101 water inflow duration curve

圖3 8101工作面涌水量向8102工作面轉(zhuǎn)移Figure 3 Water inflow migrating from coal face No.8101 to No.8102

8102工作面與8103工作面的涌水情況與8101和8102類似。

頂板水涌出向新開工作面轉(zhuǎn)移的主要原因有兩方面，一是單斜構(gòu)造，煤礦開采方式為“下行式”，后續(xù)工作面標高較前面已采工作面低；二是層理構(gòu)造及采動覆巖離層空間發(fā)育，橫向?qū)ǖ罆惩?。近年來頂板離層水害發(fā)生頻率較高，離層發(fā)生機理及其導含水規(guī)律逐漸被人們所認識[13-17]。通過對8103面開采頂板離層的識別，并于2016年4月10日—8月22日對頂板兩處主要的離層部位進行了注漿，期間8103面幾乎無水，盡管8101和8102工作面涌水量比較大(140～160m3/h)，但由于受到離層注漿的阻隔而沒有向8103面轉(zhuǎn)嫁。

2.3 涌水水源為K3砂巖水

K3砂巖是淮北煤田的標志層之一[18-20]，總厚度5.55～76.10m，平均26.29m。巖性以中、粗砂巖為主，位于3煤組下23.15～63.30m(平均53.40m)，分布較穩(wěn)定。

煤系砂巖的富水性與構(gòu)造裂隙有密切的聯(lián)系[21-23]?？碧劫Y料顯示，臥龍湖礦北一采區(qū)K3砂巖構(gòu)造裂隙發(fā)育，特別是在風氧化帶范圍內(nèi)及褶曲軸部、斷層帶附近、斷層交匯部位，裂隙更為發(fā)育。鉆探過程中多數(shù)鉆孔在K3砂巖層段發(fā)生漏水現(xiàn)象，漏失量9～15m3/h。

據(jù)估算，臥龍湖礦北一采區(qū)自2012年9月中旬突水以來，總計涌出水量850萬m3。如此之大的涌水量，是否與厚層K3砂巖水有關(guān)，成為待解之謎。為此，臥龍湖礦陸續(xù)施工了K3砂巖含水層水位長觀孔(水7、水8)。水7孔和水8孔分別于2013年12月2日、2016年3月18日安裝水位觀測系統(tǒng)，并開始啟用。

從圖4看，8103面在實施頂板覆巖離層注漿期間(2016年4月10日—8月22日)，水7孔(圖4a)和水8孔(圖4b)水位明顯上升；停止注漿后，兩個孔的K3砂巖水位明顯呈下降趨勢。說明北一采區(qū)工作面回采，存在K3砂巖水的補給。

從層位上看，K3砂巖距離8煤200m之多。而8煤開采導水裂隙帶最大高度45m左右， 遠達不到K3砂巖含水層。但是，在北一采區(qū)附近發(fā)育多條傾角70°以上的急傾斜正斷層(如F15、F15-1等)，造成煤系中各含水層相互串通。此外，區(qū)內(nèi)巖漿侵入范圍較大，從2煤至10煤均有不同程度的巖漿侵入。巖漿與圍巖之間由于巖漿上侵擠壓、高溫巖漿烘烤圍巖、巖漿冷凝收縮等地質(zhì)作用，會在巖漿巖(巖墻和巖床)與圍巖之間出現(xiàn)縫隙，為K3砂巖含水層向8煤工作面充水提供了縱橫向?qū)ǖ馈?/p>

圖4 臥龍湖礦北一采區(qū)開采對K3砂巖水位動態(tài)的影響Figure 4 Impact from extraction of Wolonghu coalmine winning district N1 on sandstone K3 water level dynamic state

3 北一采區(qū)水害防治

到目前為止，臥龍湖礦北一采區(qū)已安全收作三個工作面(8101、8102、8103面)，8104面即將回采。針對北一采區(qū)涌水規(guī)律，所采取的防治水技術(shù)措施主要是煤水分流、隱患排查和超前截流。

3.1 煤水分流

目前北一采區(qū)涌水量130m3/h左右，如果按工作面?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(回采上限為風巷，下限為機巷)，綜采無法進行。為此，改革工作面設(shè)計思路，將機巷設(shè)計在工作面以上，風巷設(shè)計在以下，煤從上限運出，水向下限流走，實現(xiàn)煤水分流，確保工作面正?；夭?。

3.2 隱患排查

隱患排查的原則是“物探先行，鉆探驗證”，即對于每個工作面頂板富水性，都先使用物探探查，然后利用鉆探對物探異常區(qū)進行驗證[24-26]。

以8102工作面為例，對其頂板富水性采用并行電法探查，共發(fā)現(xiàn)4個物探異常區(qū)：1)DZ1低阻區(qū)。位于8102改造風巷測點Q5和測點Q6之間(注：“Q”是“切眼”拼音的首字母，下同)，對應8102接架切眼測點Q8和測點Q7之間，朝頂板上延伸高度超過45m。

2)DZ2低阻區(qū)。靠近風巷位于X=120～220m，對應風巷測點Q4向外15m到測點F17，朝頂板上延伸高度超過25m。

3)DZ3低阻區(qū)?？拷鼨C巷位于X=450～500m，對應機巷測點J18到測點J17段，朝頂板上延伸高度為10m域。

4)DZ4低阻區(qū)?？拷L巷位于X=400～600m，對應風巷F15向外40m到測點F9段，朝頂板上延伸45m域。

針對物探異常區(qū)，設(shè)計并施工4組物探驗證孔，每組1～2個孔，終孔層位為6煤頂板砂巖層位。鉆孔施工完畢后，僅有DZ1、DZ2共計2孔出水，總水量小于1.5m3/h。鉆探驗證DZ1～DZ4物探異常區(qū)8煤頂板50m(冒裂帶)以內(nèi)，富水性不強。

探查成果為下一步安全開采打下了基礎(chǔ)。

8104面是北一采區(qū)的最后一個開采工作面。為進一步查清8104工作面的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，需要對煤層頂板含水層富水性、工作面采動影響范圍內(nèi)的斷層含導水性以及工作面內(nèi)的隱伏構(gòu)造做重點探查(圖5)。從圖5可以看出：

1)頂板的整體富水性不強，但也存在局部低阻異常體；

2)依據(jù)瞬變電磁法判別的異常體為：在距離F7約30m、J8約15m為低阻異常區(qū)段，回采期間出現(xiàn)滴淋水的可能性較大；

3)在距離F4約20m、F6約7m、J9約20m為低阻異常區(qū)段，推測小斷層有一定的導富水性，在回采過程中出現(xiàn)滴淋水的可能性亦較大。

圖5 臥龍湖礦8104工作面瞬變電磁探測結(jié)果Figure 5 Wolonghu coalmine coal face No.8104 TEM prospecting results

3.3 超前截流

3.3.1 截流孔設(shè)計

對頂板砂巖裂隙水提前疏放是確保采掘安全的重要措施[27-29]。臥龍湖礦北一采區(qū)的涌水規(guī)律表明，8煤頂板水緊跟新開采的工作面涌出。8104工作面緊鄰8103工作面，且標高低于8103工作面。目前已采的8101及8102工作面涌水量很小，全部集中到8103面采空區(qū)，出水量130m3/h左右。受采動影響，8104工作面回采期間，8103工作面頂板砂巖水會通過導水冒落、裂隙帶進入8104工作面。為了改善8104工作面的生產(chǎn)環(huán)境，減小涌水對生產(chǎn)安全和開采效率的影響，在8104機巷(回采上限)設(shè)計10組截水孔，組間距10m左右，每組3個孔，在距離收作端100m范圍內(nèi)施工30個截流孔(圖6)，提前對8104工作面頂板水進行截流疏放。

3.3.2 鉆孔參數(shù)

截流孔方位244°～274°，仰角55°～60°，孔深80m左右(以過6煤25m為準)。

3.3.3 鉆孔施工要求

1)嚴格按照給定參數(shù)施工，各鉆孔應加導向，要求各鉆孔開孔方位誤差小于2°，傾角誤差為±1°，且按鉆孔編號順序施工。同時，在施工過程中要控制鉆進速度，以防鉆孔偏斜。

2)要求終孔直徑127mm，終孔提鉆后需置入Φ108mm護壁管(深度以過7煤為準)，護壁管置入后需固定牢固，防止竄出。

3)鉆孔施工前需清理好排水水溝，保證出水能正常排出機巷。

4)施工過程中要準確記錄鉆孔見煤、過煤、出水位置及水量等情況，如有水文、瓦斯等異常情況，及時與技術(shù)部地質(zhì)組聯(lián)系。

圖6 臥龍湖礦8104工作面截流孔布置Figure 6 Wolonghu coalmine coal face No.8104 water intercepting boreholes layout

4 結(jié)論

通過開采過程中的防治水觀測與分析研究，逐步弄清了臥龍湖礦北一采區(qū)的涌水水源和出水規(guī)律，為8煤安全有效回采奠定了基礎(chǔ)。得出的主要結(jié)論如下：

1)臥龍湖礦8煤頂板砂巖水豐富，初始涌水量較大(最大達420m3/h)。隨著涌水時間的延續(xù)，涌水量逐漸衰減，但涌水量絕對值仍然比較大(130m3/h左右)，對安全生產(chǎn)及開采效率構(gòu)成一定的影響。

2)北一采區(qū)8煤頂板砂巖水的涌出規(guī)律是，新工作面開采時，前面已收作的工作面涌水量逐漸減小，新工作面涌水量逐漸增大，新老工作面涌水量之和基本穩(wěn)定。

3)根據(jù)北一采區(qū)涌水量與K3砂巖水位觀測結(jié)果分析，二者密切相關(guān)，基本可以判斷北一采區(qū)涌水水源為K3砂巖含水層。北一采區(qū)斷層發(fā)育，且有巖漿侵入，縱橫向?qū)ǖ澜豢椷B通，致使K3砂巖水涌向工作面。

4)根據(jù)北一采區(qū)的涌水規(guī)律，采取的防治水技術(shù)措施主要有煤水分流、隱患排查和超前截流。這些技術(shù)措施在開采實踐中逐步完善，效果越來越顯著。