趙永波

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

在煤礦開采過程中，要對工作面的涌水量進(jìn)行預(yù)測，并及時(shí)制定防治水方案。郭莊煤礦17號(hào)煤層在太原組的下部，與下部太原組底界平均距離16.44 m，上部與16號(hào)煤層平均距離16.26 m，根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，通過判斷充水水源，采用大井法[1]來計(jì)算礦區(qū)的涌水量，以制定防治水措施。

1 水文地質(zhì)概況

郭莊煤礦17號(hào)煤層的平均厚度為0.65 m，煤層比較穩(wěn)定。其中，直接頂?shù)拿簩雍穸葹?.11 m，煤層的平均抗拉強(qiáng)度為1.04 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為21.39 MPa，工作面的瓦斯涌出量為7.41 t/min，正常涌水量為212.5 m3/h，最大涌水量為311 m3/h，工作面的排水能力為245 m3/h。

根據(jù)郭莊煤礦的實(shí)際水文地質(zhì)概況，17號(hào)煤層在開采時(shí)，礦井的主要充水水源是奧陶系灰水，以靜態(tài)儲(chǔ)量為主。隨著對含水層的疏放，水量會(huì)不斷減少，鉆孔的富水性相對較弱，井田內(nèi)賦存狀態(tài)不穩(wěn)定，對開采幾乎沒有影響。17號(hào)煤層下奧陶系灰含水層的水頭比煤層底板高，底板的破壞深度為11.6 m，由于17號(hào)煤層處于帶壓開采狀態(tài)，開采過程中產(chǎn)生的裂隙不會(huì)與奧陶系灰含水層導(dǎo)通，但如果在構(gòu)造比較發(fā)育的塊段，奧陶系灰水會(huì)通過構(gòu)造與17號(hào)煤層導(dǎo)通，構(gòu)成煤層開采的直接充水水源。

2 涌水量特征分析

2.1 往年涌水量預(yù)測

近幾年礦井涌水量的觀測資料[2]可以看出，正常的涌水量為52.7～237.6 m3/h，平均年正常涌水量小于200 m3/h，最大的涌水量為463.4 m3/h。隨著開采時(shí)采空區(qū)的面積不斷增加，礦區(qū)工作面內(nèi)的涌水量也在不斷增加。

2.2 未來涌水量預(yù)測

由于井田內(nèi)煤層的地質(zhì)構(gòu)造較簡單，主要充水水源是奧灰水，采用大井法來預(yù)測工作面內(nèi)的涌水量。由于大井法是一種數(shù)學(xué)解析法，根據(jù)水文地質(zhì)條件，采用地下水動(dòng)力學(xué)分析方法對涌水量進(jìn)行預(yù)測，將承壓水轉(zhuǎn)為無壓水，計(jì)算穩(wěn)定流，公式為：

式中：Q為礦井涌水量，m3/h；K為滲透系數(shù)，m/d；M為含水層的厚度，m；H為水柱高度，m；h為疏干井的水位深度，一般取0；r0為引用半徑，m；R0為含水層的引用影響半徑，m。

郭莊煤礦17號(hào)煤層滲透系數(shù)為0.198 8 m/d；含水層厚度是一個(gè)平均值，是對頂板冒裂范圍內(nèi)含水層砂巖累計(jì)厚度求平均后得到的，根據(jù)頂板砂巖等厚線圖，預(yù)測出含水層厚度平均值為15 m；水柱高度是指含水層原始水位到底板的深度，取原始水位為+354.61 m，計(jì)算出水柱高度為155.84 m；引用半徑與采區(qū)的總面積有關(guān)，計(jì)算出引用半徑為682 m；影響半徑與含水層的穩(wěn)定流有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出影響半徑為695 m，引用影響半徑是引用半徑與影響半徑的和，則引用影響半徑為1377 m。根據(jù)公式，計(jì)算出在-200 m水平處礦區(qū)的正常涌水量和豐水涌水量結(jié)果見表1。

表1 涌水量預(yù)測結(jié)果表

從表1可以看出，根據(jù)綜合分析，預(yù)測的涌水量結(jié)果準(zhǔn)確，與實(shí)際開采情況相符。

3 防治水措施

3.1 帷幕注漿堵水方案

對工作面的主要進(jìn)水補(bǔ)給方向進(jìn)行帷幕注漿堵水[3]，注漿孔從巷道中心呈傘形布置，采用后退式分段注漿方式，注漿分段長度為30～40 m，單孔注漿擴(kuò)散半徑為2 m，終孔間距為2～3 m，注漿壓力約是靜水壓力的2～3倍，采用水泥-水玻璃雙液注漿材料，水灰比為0.8:1～1.5:1，并加入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)漿，形成一定的擋水墻，阻隔地下水進(jìn)入井下的水源補(bǔ)給通道，可以有效地截?cái)嗟叵滤膫?cè)向補(bǔ)給源，堵水效果在70%以上，可以大量節(jié)約排水的費(fèi)用。

3.2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)測的礦井涌水量，在工作面的低洼處共安設(shè)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)共4個(gè)水倉，在工作面運(yùn)輸巷北側(cè)施工長403.2 m的泄水巷，并在泄水巷和運(yùn)輸巷之間建立相互溝通的聯(lián)絡(luò)巷，在副井底車場處安設(shè)強(qiáng)排水泵房。具體的水倉布置示意圖如圖1。

圖1 工作面水倉布置示意圖

工作面水倉的具體布置為：1號(hào)水倉的容積為1100 m3，其余三個(gè)水倉的容積均為500 m3；在1號(hào)水倉中配有4臺(tái)潛水泵，其中兩臺(tái)使用兩臺(tái)備用，2號(hào)水倉中配有2臺(tái)潛水泵，其中一臺(tái)使用一臺(tái)備用；井田內(nèi)有一個(gè)內(nèi)水倉，水倉容積為3385 m3，有一個(gè)外水倉，水倉容積為4100 m3；在中央水泵房配有5臺(tái)水泵，其中兩臺(tái)使用兩臺(tái)備用，一臺(tái)檢修，水泵流量為485 m3/h，揚(yáng)程為670 m；強(qiáng)排水系統(tǒng)中使用2臺(tái)潛水泵，并配套1600 kW的電機(jī)，潛水泵與對應(yīng)管路同時(shí)進(jìn)行工作，強(qiáng)排水系統(tǒng)的排水能力為1100 m3/h。

確保回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷兩巷溝通順暢，及時(shí)對排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確保排水系統(tǒng)正常進(jìn)行排水作業(yè)，加強(qiáng)對井下的監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的突水事故及時(shí)進(jìn)行匯報(bào)。在回采時(shí)遇到突水征兆時(shí)，比如頂板片幫、底板鼓起、鉆孔噴水、掛紅變濕等現(xiàn)象[4]，立即停止排水作業(yè)，工作人員撤出井下，快速制定有效的解決辦法。在回風(fēng)巷常備防水方木材料，有兩種規(guī)格，分別是1600 mm×200 mm×150 mm和2000 mm×200 mm×150 mm，各備50根，搪柴50捆，塑料編織袋200只，黃泥2車。

4 效果分析

對郭莊煤礦17號(hào)煤層進(jìn)行帷幕注漿堵水，帷幕軸線長約300 m，按30 m的布孔間距，打注漿孔10個(gè)，鉆探進(jìn)尺12 000 m，注漿量約24 000 m3。礦區(qū)的涌水量預(yù)測值見表2。

從表2可以看出，采用帷幕注漿堵水后，涌水量得到有效控制，大面積地面塌陷情況得以解決，保護(hù)井下地質(zhì)環(huán)境。

表2 帷幕注漿堵水礦區(qū)涌水量預(yù)測值

5 結(jié)論

為了準(zhǔn)確預(yù)測礦井內(nèi)的涌水量，根據(jù)礦區(qū)工作面的實(shí)際水文地質(zhì)條件以及往年涌水量情況：

（1）采用大井法對工作面的涌水量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測出正常期礦區(qū)的涌水量為165.01 m3/h，豐水期礦區(qū)的涌水量為278.64 m3/h。

（2）根據(jù)預(yù)測結(jié)果，采用帷幕注漿堵水方案進(jìn)行封堵，并設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)，預(yù)測出正常期礦區(qū)的涌水量為100.31 m3/h，豐水期礦區(qū)的涌水量為241.14 m3/h，強(qiáng)排水系統(tǒng)的排水能力為1100 m3/h，能滿足工作面的正常排水需要，為井下安全開采提供了保障。