翟武杰，第偉偉

(陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，開采規(guī)模和開采強(qiáng)度不斷增大，帶來了一系列災(zāi)害防治問題，尤其是沖擊地壓、瓦斯、水害等災(zāi)害的復(fù)雜性顯得尤為突出。煤礦水害作為礦井主要災(zāi)害之一，可分為底板高承壓巖溶水、頂板砂巖及其松散層孔隙水、采空區(qū)水與地表水等4種類型[1]。我國(guó)中西部地區(qū)煤礦開采中，煤層埋藏深、煤層厚度大、開采強(qiáng)度大，頂板砂巖含水層富水性強(qiáng)，采用綜放開采技術(shù)對(duì)上覆含水層結(jié)構(gòu)破壞較為劇烈?！丁叭隆遍_采規(guī)程》中的計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的經(jīng)驗(yàn)公式主要針對(duì)采厚小于3 m、累計(jì)采厚小于15 m的分層開采工藝，但在中西部地區(qū)一次采厚往往可達(dá)10 m以上，很難通過經(jīng)驗(yàn)公式獲得較為可信的計(jì)算結(jié)果[2]?；诖?，陜西彬長(zhǎng)孟村礦為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頂板含水層對(duì)礦井安全開采的影響程度，摸清工作面回采對(duì)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶、垮落帶高度及其發(fā)育程度的影響規(guī)律，采取地面鉆孔鉆液漏失量觀測(cè)法、鉆孔測(cè)井法和鉆孔彩色電視窺視法綜合確定401101綜放工作面“兩帶”發(fā)育高度，并依據(jù)該規(guī)律指導(dǎo)401102綜放工作面開展防治水工作。

1 礦井概況

孟村煤礦位于陜西省咸陽市彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部，孟村井田位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部，屬鄂爾多斯盆地內(nèi)涇河-馬蓮河二級(jí)地下水系統(tǒng)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬t/a，4號(hào)煤層為井田唯一可采煤層，平均厚度為16.25 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均傾角3°，采用分層綜采放頂煤工藝、走向長(zhǎng)壁式采煤方法，全部垮落法管理頂板，采放比為1∶3.5，割煤高度為3.5 m，平均放煤高度為12.4 m，平均采厚為15.9 m，礦井開采的401102工作面為401盤區(qū)第2個(gè)工作面，預(yù)測(cè)回采期間工作面正常涌水量640 m3/h，最大涌水量800 m3/h。

2 水文地質(zhì)情況

2.1 含水層情況

4號(hào)煤層頂板直接充水含水層為侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅵ)和侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層(Ⅶ)，直羅組單位涌水量0.002 6 L/(s·m)、滲透系數(shù)0.016 4 m/d，延安組單位涌水量0.000 577 L/(s·m)、滲透系數(shù)0.001 15 m/d，其埋藏深而裂隙不甚發(fā)育，補(bǔ)給來源單一、導(dǎo)水性差、逕流滯緩、富水性弱、水量小，對(duì)工作面開采威脅不大。4號(hào)煤層頂板間接充水含水層為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙潛水含水層(Ⅳ)和白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層(Ⅴ)，宜君組單位涌水量0.008 8～0.220 6 L/(s·m)、滲透系數(shù)0.020～0.861 m/d，洛河組單位涌水量0.018 2～0.748 4 L/(s·m)、滲透系數(shù)0.128 9～0.156 9 m/d，洛河組砂巖含水層分布廣、厚度大、富水性中等-強(qiáng)、水量大，受工作面推采長(zhǎng)度影響，將通過裂隙帶進(jìn)入工作面，造成較大突水，對(duì)工作面開采存在較大威脅，見圖1。

圖1 礦井主要含隔水層與主采煤層上下位置關(guān)系圖(m)

2.2 “兩帶”發(fā)育高度

根據(jù)工作面含水層特征，上覆含水層水將主要通過煤層采動(dòng)所形成的裂隙帶涌入工作面，裂隙帶高度與煤層頂板巖體工程地質(zhì)性質(zhì)、煤層采厚、采煤方法、頂板管理方法密切相關(guān)[3]。導(dǎo)水裂縫帶高度的確定方法有實(shí)際探測(cè)法、理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法[4]。理論計(jì)算主要是建立在固體力學(xué)基礎(chǔ)上的解析法和數(shù)值法；經(jīng)驗(yàn)公式法是在分析判斷煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型基礎(chǔ)上，利用“三下”規(guī)程中所列公式進(jìn)行計(jì)算。鑒于頂板覆巖破壞發(fā)育高度影響因素的復(fù)雜性，不同礦區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)、開采條件均有不同，頂板導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶發(fā)育規(guī)律應(yīng)以本礦區(qū)實(shí)測(cè)資料為準(zhǔn)，結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合判定[5]。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法是確定導(dǎo)水裂縫帶高度的主要途徑，其他方法為輔助手段進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。目前應(yīng)用較成熟的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)方法主要有：地面鉆液法、注水試驗(yàn)法、高密度電阻率法、超聲成像法、聲波CT層析成像法、鉆測(cè)井法、鉆孔電視法、水位觀測(cè)法等[6-7]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探查條件，該礦通過地面鉆孔鉆液漏失量觀測(cè)法及鉆孔測(cè)井法和鉆孔彩色電視窺視法進(jìn)行導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶發(fā)育高度的綜合確定。401101工作面4號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶最大高度288.68 m(洛河組地層)，最大裂高采厚比為18.58。結(jié)合401102工作面回采煤層厚度13～17 m，預(yù)計(jì)401102工作面因采動(dòng)形成的裂隙將達(dá)到260.12～315.86 m[8]。

3 防治水設(shè)計(jì)

3.1 總體思路

針對(duì)401102工作面水文地質(zhì)條件變化及預(yù)測(cè)涌水量，同時(shí)參照401101工作面回采期間防治水經(jīng)驗(yàn)，主要采取“探、防、疏、排、監(jiān)”綜合措施?！疤健敝傅氖窃诠ぷ髅婊夭汕皩?duì)401102工作面回采區(qū)域開展頂板直流電法勘探，圈定富水異常區(qū)；“防”指的是與臨近采空區(qū)之間設(shè)置區(qū)段隔水煤柱，防止老空水影響工作面回采；“疏”指的是對(duì)圈定的富水異常區(qū)開展鉆探疏放水驗(yàn)證工作；“排”指的是建立可靠的排水系統(tǒng)，通過設(shè)置大管徑排水管路、大尺寸排水溝與大容量水倉(cāng)，確保工作面排水系統(tǒng)滿足涌水量需要。

3.2 超前探查

為探明401102工作面開采范圍內(nèi)煤巖層富水性，該礦應(yīng)用高分辨直流電法勘探技術(shù)，在工作面運(yùn)順、回順與切眼范圍頂板施工鉆孔432個(gè)，等間隔10 m，每孔深250～400 mm布置，共采集3 124個(gè)數(shù)據(jù)，控制工作面頂板上方20～160 m巖層層段，共發(fā)現(xiàn)5處立體電性低阻異常體，自西向東(切眼至停采線方向)依次命名為A、B、C、D和E異常，見表1和圖2。

表1 401102富水異常區(qū)分布特征

圖2 401102工作面頂板直流電法探測(cè)異常立體圖

3.3 頂板預(yù)疏放

針對(duì)頂板直流電法勘探圈定的富水異常區(qū)，在401102工作面施工頂板疏放水鉆孔對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行探查、驗(yàn)證及頂板水預(yù)疏放，物探異常區(qū)驗(yàn)證鉆孔主要進(jìn)行直羅組、宜君組含水層富水異常區(qū)驗(yàn)證疏放，同時(shí)兼顧直羅組底部和延安組內(nèi)部異常區(qū)的探查與疏放，對(duì)洛河組下段含水層，后期回采期間將主要以排為主。根據(jù)富水異常區(qū)分布情況，在工作面兩巷道均進(jìn)行鉆孔施工，運(yùn)順布設(shè)鉆孔6個(gè)(T1～T6)，回順布設(shè)探查鉆孔3個(gè)(T7～T9)，共布設(shè)鉆孔9個(gè)，鉆探總進(jìn)尺約1 160 m。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一次變徑，一開鉆孔D153 mm鉆進(jìn)至孔深22 m，下D108 mm套管，注漿固孔，做耐壓試驗(yàn)(壓力為6 MPa)，二開鉆孔D75 mm鉆進(jìn)至終孔。通過施工期間涌水量觀測(cè)，除T7鉆孔涌水量為2 m3/h外，其余鉆孔水量均小于0.5 m3/h，見表2。

表2 401102工作面疏放水鉆孔施工參數(shù)

3.4 排水設(shè)計(jì)

401102工作面回采區(qū)域主要為俯采，且在切眼至1 146 m范圍內(nèi)回順側(cè)高于運(yùn)順側(cè)，1 146 m至停采線范圍運(yùn)順側(cè)高于回順側(cè)，根據(jù)401102工作面巷道起伏變化，對(duì)該工作面分段設(shè)計(jì)排水方案。工作面切眼至1 146 m范圍涌水流向運(yùn)順側(cè)，因此在運(yùn)順側(cè)施工800 mm×600 mm大水溝，利用401103回順側(cè)作為401102工作面泄水巷，在泄水巷最低點(diǎn)535 m處設(shè)置容量為70 m3的集中排水點(diǎn)，配備6臺(tái)流量為500 m3/h的水泵，敷設(shè)3趟D325 mm排水管路至401盤區(qū)水倉(cāng)。工作面1 146 m至停采線范圍涌水流向回順側(cè)，因此在回順側(cè)施工800 m×600 m大水溝，通過水溝工作面涌水自流至401102回順側(cè)3號(hào)聯(lián)巷，在401102回順側(cè)(3號(hào)聯(lián)巷以東)煤壁側(cè)設(shè)置容量為2個(gè)60 m3的水倉(cāng)。兩水倉(cāng)交替使用，分別配備6臺(tái)500 m3/h水泵，敷設(shè)3趟D325 mm排水管路至401盤區(qū)水倉(cāng)。

3.5 防水閘墻

由于401102工作面前1 146 m回采期間，401103回順側(cè)兼做泄水巷，為防止采空水對(duì)401103工作面影響，設(shè)計(jì)在兩處泄水聯(lián)巷處施工防水閘墻，分別壓設(shè)D325 mm排水管路3趟，均安設(shè)閘閥，墻體厚度為6.5 m，采用“0.5 m預(yù)制塊墻體+1.0 m黃土墻+0.5 m預(yù)制塊墻體+4 m混凝土澆筑墻+0.5 m預(yù)制塊墻體”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，為保證墻體與煤體周圍密實(shí)，分別在頂部設(shè)置6個(gè)注漿孔、兩幫設(shè)置9個(gè)注漿孔，對(duì)墻體進(jìn)行注漿加固，見圖3和圖4。

圖3 防水閘墻平面布置示意

3.6 水文監(jiān)測(cè)

孟村礦安裝有KJ1049型煤礦水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水文監(jiān)測(cè)主機(jī)、煤礦水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)V19.0(軟件)、KJ1049-YDJ水文遙測(cè)分站(地面)、KJ1049-F礦用本安型水文監(jiān)測(cè)分站(井下)及各種水文傳感器組成，可監(jiān)測(cè)水位、水壓、水溫和水流量等有關(guān)水文的多個(gè)觀測(cè)參數(shù)，通過水文遙測(cè)分站+傳感器組合形式可將地面采集到的地面水文長(zhǎng)觀孔數(shù)據(jù)、河流流量數(shù)據(jù)、明渠流量數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)等各種水文實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使用GPRS網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿谋O(jiān)測(cè)主機(jī)；通過井下水文監(jiān)測(cè)分站+工業(yè)以太網(wǎng)/專線可將采集到的井下水文長(zhǎng)觀孔數(shù)據(jù)、明渠流量數(shù)據(jù)、管道壓力數(shù)據(jù)、管道流量數(shù)據(jù)等各種水文實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、處理并存儲(chǔ)到水文信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。該礦井地面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位5個(gè)，主要對(duì)洛河組含水層水位、水溫等變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；井下安設(shè)水位監(jiān)測(cè)儀6套、管道流量監(jiān)測(cè)儀9套、明渠流量監(jiān)測(cè)儀1套，涵蓋中央水倉(cāng)、401盤區(qū)水倉(cāng)及401盤區(qū)各排水點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)水位、水溫、管道流量等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，地面水文觀測(cè)孔水位及工作面涌水量隨回采的變化情況見圖5和圖6。

圖4 防水閘墻剖面布置示意

圖5 水文孔水位隨工作面回采變化曲線圖

圖6 工作面涌水量隨工作面回采變化曲線圖

通過水文觀測(cè)孔水位變化及工作面水量水質(zhì)變化分析，工作面涌水量與頂板洛河組含水層直接相關(guān)，工作面涌水可分為3個(gè)時(shí)期：Ⅰ段(平緩上升期)工作面推采0～120 m，工作面涌水，導(dǎo)水裂隙逐步向頂部含水層發(fā)育，工作面涌水礦化度與延安組接近，鉆孔水位主要受地表涌水影響；Ⅱ段(上升期)工作面推采120～1 000 m，鉆孔水位明顯下降，導(dǎo)水裂隙發(fā)育至洛河組砂巖含水層，并在洛河組砂巖中繼續(xù)發(fā)育，工作面涌水礦化度分析與洛河組含水層相近；Ⅲ段(穩(wěn)定期)工作面推采1 000 m以后，鉆孔水位趨于穩(wěn)定，導(dǎo)水裂隙已貫穿洛河組或發(fā)育至最大高度，工作面涌水趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

本文以彬長(zhǎng)孟村礦為例，對(duì)上覆巨厚砂巖含水層在特厚煤層綜放開采技術(shù)條件下的防治水技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明，采取地面鉆孔鉆液漏失量觀測(cè)法、鉆孔測(cè)井法和鉆孔彩色電視窺視法綜合確定了401101綜放工作面“兩帶”發(fā)育高度，對(duì)工作面涌水量變化規(guī)律進(jìn)行了分析，并結(jié)合臨近工作面防治水經(jīng)驗(yàn)，采取“探、防、疏、排、監(jiān)”綜合防治水措施，為類似條件礦井防治水工作提供了參考依據(jù)。