新莊孜煤礦63301工作面突水水源和通道分析

張秀云，竇春遠，錢家忠，馬 雷，周小平

（1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥230009；2.淮南礦業(yè)集團新莊孜煤礦，安徽 淮南232000）

礦井突水是影響煤礦生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一，礦井突水水源和突水通道的識別是進行防治水工作的基礎(chǔ)內(nèi)容［1］。目前常用的突水水源的判別主要是根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，從水化學常規(guī)分析［2］、同位素分析［3］、水溫［4］、水位動態(tài)［5］變化等方面進行。其中，根據(jù)水化學特征進行判別最為常用，具有代表性的主要有Bayes判別模型［6］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［7］、模糊綜合評判模型［8］、灰色關(guān)聯(lián)分析模型［9］等。突水通道的確定需要結(jié)合礦井的地質(zhì)條件和開采條件進行綜合判斷。

新莊孜煤礦地處安徽淮南市八公山東北麓，為山前坡地與淮河河漫灘間的過渡地帶，屬山前沖積平原。目前主要生產(chǎn)水平為六水平（-812m）。井田巖層總體呈單斜構(gòu)造，主要以斷裂構(gòu)造為主，局部發(fā)育有小型褶曲。2012年10月4日，新莊孜煤礦63301工作面底板突然出水，最終致使工作面封閉，A組煤停采。此次灰?guī)r突水造成嚴重的后果，因此探尋工作面突水水源，對進行突水水害的有效治理和礦井未來對A組煤的重新開采及水害預(yù)防具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工作面突水過程

63301工作面為新莊孜煤礦六三采區(qū)三階段A1煤層工作面，南起新謝井田技術(shù)邊界線北10m，北至Ⅷ-Ⅸ線南100m，上風巷標高-741～-756m，下順槽標高-821～-833m，回采走向長約235m。工作面回采前實測單孔最大出水量5m3/h，最大水壓0.6 MPa，安全水壓值為0.76MPa。工作面突水地點見圖1。

圖1 63301工作面突水地點

工作面采用懸移支架炮采工藝。2012年8月1日開始回采，至10月4日早班回退125m，剩余110 m。10月4日早班炮后14時10分，工作面老塘側(cè)底板突水，水量約20m3/h，15時水量增為40m3/h，15時50分增為50m3/h，后因無法觀測，至23時泵測水量為130m3/h，然后一直保持穩(wěn)定狀態(tài)。由于工作面剛剛放炮，加之傾角大，致使工作面迅速積水，并將浮煤沖帶至下順槽及工作面水倉，淤埋了水倉和2臺排水泵吸水口以及下順槽外段，并且導(dǎo)致排水泵失去功能。因此，判別突水水源對如何進行工作面疏干、降壓、突水水源的注漿等處理措施非常重要。

2 突水水源分析

為了準確判別此次突水的水源，礦井自10月4日起對新莊孜地區(qū)灰?guī)r觀測孔水位和水壓開展加密觀測，并采集了突水口、鄰近放水鉆孔的水樣送檢，進行水質(zhì)常規(guī)分析。綜合分析各種觀測和檢驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合礦井的突水特征，對突水水源進行準確的判定。

2.1 根據(jù)出水特征的分析

2012年10月4日早班炮后14時10分發(fā)現(xiàn)出水，初始水量20m3/h，然后迅速增加，23時突水量已達到130m3/h，并保持穩(wěn)定。可以發(fā)現(xiàn)，此次突水具有來勢迅猛，水量增速快，歷時長，并且衰減極為緩慢的特點，表明有較強的含水層水的補給，顯示為動儲量為主的特點［10］。

新莊孜礦六三采區(qū)富水性的特點是：C3-Ⅰ組灰?guī)r水為影響A組煤開采的直接充水含水層，但是-412m以下富水性弱；C3-Ⅱ組灰?guī)r水富水性最弱，可作為C3-Ⅰ、C3-Ⅲ組間相對隔水層看待；C3-Ⅲ組灰?guī)r水單位涌水量為0.134～1.73L/s·m，富水性中等到強，且與奧灰強含水層的水力聯(lián)系較為密切；寒灰富水性較強，與奧灰含水層有較密切的水力聯(lián)系。63301工作面下順槽標高-821～-833m，由C3-Ⅰ組412m以下富水性弱的特點可知，此次礦井突水主要突水水源不是C3-Ⅰ組。因此判斷，此次突水的主要突水水源為下伏C3-Ⅲ組灰?guī)r水。C3-Ⅲ組富水性強、水壓大，如果通過導(dǎo)水通道進入到工作面，則可能發(fā)生較嚴重的突水事故，與工作面突水特點一致。

2.2 根據(jù)鉆孔水量、水壓變化特征

而工作面突水后，位于六三采區(qū)內(nèi)的11個C3-Ⅰ組放水鉆孔總出水突水量快速增加。22＃補孔水量上升了3m3/h，17＃1＋補孔等六孔水量之和上升了5m3/h?？偝鏊凰坑?月30日的11.3m3/h增加到10月7日的28.3m3/h，凈增加了17m3/h。井下C3-Ⅰ組灰?guī)r水壓觀測孔21＃2孔的水壓由10月2日的0.6MPa上升到10月7日的2.2MPa后保持穩(wěn)定，凈增了1.6MPa。突水量和水壓均增幅較大，表明C3-Ⅰ組灰?guī)r水受到下伏高水壓、強富水性的灰?guī)r含水層補給。

表1 C3-Ⅰ組疏放水鉆孔水量變化表 單位：m3/h

C3-Ⅰ組與下伏高水壓、強富水性的灰?guī)r含水層之間有作為隔水層存在的C3-Ⅱ組，上下處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。當工作面通過導(dǎo)水通道與C3-Ⅰ組灰?guī)r水導(dǎo)通時，C3-Ⅰ組灰?guī)r水進入到工作面，導(dǎo)致其水壓降低，隔水層兩端的應(yīng)力平衡被打破，下伏灰?guī)r含水層由于壓力過大沖破隔水層進入到C3-Ⅰ組，同時也進入到突水工作面，導(dǎo)致C3-Ⅰ組水量、水壓驟然增大，工作面突水量也快速增大，并且由于下伏強含水層的補給，導(dǎo)致工作面突水量達到130m3/h后保持穩(wěn)定。根據(jù)63301工作面所處的水文地質(zhì)條件，推測高水壓、強富水性的灰?guī)r含水層為C3-Ⅲ組含水層或奧灰強含水層。

2.3 根據(jù)鉆孔水位變化特征

通過對灰?guī)r含水層水位的觀測發(fā)現(xiàn)，自9月20日至突水前，水位有輕微下降，變化緩慢，自10月4日63301工作面突水后，地面水文孔水位降幅明顯增大。距出水點2 177m的ⅦC3-Ⅰ淺孔，至10月12日（出水后8天，水位基本穩(wěn)定）水位下降0.92m；距出水點2 377m的Ⅵ-ⅦC3-Ⅲ孔，至10月12日水位下降15.18m；距出水點1 738m的Ⅷ-ⅨC3-Ⅲ孔，至10月12日水位下降15.23m；距出水點4 751m的李ⅤC3-Ⅲ上孔，至10月12日水位下降3.61m；距出水點5 251m的李ⅤO1-Ⅰ上孔，至10月12日水位下降1.97m；距出水點2 926m的Ⅶε孔，至10月12日水位下降4.34m。各灰?guī)r水文觀測孔水位下降趨勢見圖2。

圖2 2012年63301工作面出水前后各灰?guī)r觀測孔水位變化

由圖2可知，C3-Ⅰ組觀測孔水位是先緩慢下降再趨于穩(wěn)定；C3-Ⅲ組和奧灰觀測孔水位為先快速下降，后緩慢下降，再趨于穩(wěn)定；寒灰觀測孔水位則表現(xiàn)為先緩慢下降，后快速下降，再趨于穩(wěn)定。

據(jù)以上資料分析，10月4日工作面剛出水時水量較小，水源首先來自C3-Ⅰ組含水層，隨即由于工作面底板應(yīng)力平衡被破壞，C3-Ⅰ組含水層與C3-Ⅲ組含水層導(dǎo)通，致使工作面水量短時間內(nèi)迅速增大到130m3/h。C3-Ⅰ組含水層富水性弱，補給條件差，因此水位短暫下降后基本處于穩(wěn)定，C3-Ⅲ組含水層成為主要充水水源，因此觀測孔水位快速下降。由于C3-Ⅲ組含水層與奧灰含水層有較密切的水力聯(lián)系，因此奧灰觀測孔水位下降趨勢與C3-Ⅲ組觀測孔水位基本保持一致。奧灰與寒灰也有密切的水力聯(lián)系，導(dǎo)致寒灰孔水位也有所下降。但在突水初期，由于水位差、水壓和地質(zhì)條件等因素，使得寒灰的補給有一定的滯后性，表現(xiàn)出先緩慢下降后快速下降的特點。

因此，判斷該次突水水源不僅有C3-Ⅰ組灰?guī)r水，還有下伏C3-Ⅲ組灰?guī)r水、奧灰水和寒灰水，且C3-Ⅲ組為主要水源。圖2中奧灰觀測孔李ⅤO1-Ⅰ上孔距離突水點較遠：5 251m。因此，不能憑借此孔的水位下降幅度判斷奧灰水是否為主要突水水源。

2.4 基于水質(zhì)的分析

為了確定突水水源，分別于10月4日、6日、11日在工作面抽取水樣進行水質(zhì)常規(guī)檢測，檢測結(jié)果見表2。通過以往的水質(zhì)分析可知，C3-Ⅰ組含水層水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg，C3-Ⅲ組含水層為HCO3-K＋Na型水，奧灰為HCO3-Ca·Mg或Cl-K＋Na型水，寒灰為HCO3-Ca·Mg型水。

表2 63301工作面水樣水質(zhì)分析結(jié)果表

采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法對以上3個樣品的突水水源進行判別?；疑P(guān)聯(lián)分析方法的模型為：

其中：ri為關(guān)聯(lián)度；ξi（k）為第i個被評價對象的第k個指標與第k個最優(yōu)指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)；jk＊為第k個指標的最優(yōu)值；ρ∈（0，1），一般取ρ＝0.5。

根據(jù)以上判別模型，得出4個水樣與太灰水的相似度分別為62.2%、61.5%、61.9%和61.7%，與奧灰水的相似度分別為66.5%、65.7%、66.1%和71.0%。因此，可知突水水源與太灰水和奧灰水比較接近，推測突水水樣為混合水，主要突水水源為太灰和奧灰。這也驗證了上面的分析結(jié)果。

因此，通過對工作面水文地質(zhì)情況、工作面突水特征、灰?guī)r觀測孔水位和突水水樣的分析可知，此次突水的突水水源為C3-Ⅲ組含水層和奧灰含水層，其次為C3-Ⅰ組含水層和寒灰含水層。

3 突水通道分析

確定礦井突水的突水通道，是進行注漿治理的前提。突水通道的確定，應(yīng)根據(jù)工作面的地質(zhì)條件并結(jié)合工作面突水特征進行綜合分析。新莊孜煤礦A1煤層底板至C3-Ⅰ灰?guī)r頂板的隔水層厚12～18m。C3-Ⅲ含水層裂隙與溶洞比較發(fā)育，水量較大，富水性較強，可以通過斷層或采動影響下產(chǎn)生的導(dǎo)水通道涌入礦井巷道或工作面內(nèi)，造成突水事故。突水點附近沒有揭露大的斷層，工作面采掘前的勘察工作也未發(fā)現(xiàn)特殊地質(zhì)構(gòu)造，判斷突水通道為采動影響下產(chǎn)生的底板裂隙。在工作面的回采過程中，由于采掘的作用使得工作面周圍的巖層應(yīng)力重新分布［11］，打破了煤巖層的原始應(yīng)力場平衡，導(dǎo)致底板的變形破壞了底板裂隙，裂隙導(dǎo)通了C3-Ⅰ組和C3-Ⅲ組含水層，發(fā)生此次突水事故。另外，新莊孜煤礦以往的突水事故中，約50%突水通道為裂隙。因此，根據(jù)以往經(jīng)驗和礦井的水文地質(zhì)條件判斷，此次突水事故的突水通道為底板裂隙。

4 結(jié)論

根據(jù)工作面突水特征、出水后井上下鉆孔水量、水壓、水位觀測以及水質(zhì)常規(guī)分析，得到以下結(jié)論：

（1）63301工作面出水水源主要來自于C3-Ⅲ組含水層、奧灰含水層，其次為C3-Ⅰ組含水層和寒灰含水層。

（2）根據(jù)工作面突水特點和水文地質(zhì)情況，判斷突水通道為采動影響下產(chǎn)生的底板裂隙。工作面回采中，采掘?qū)Φ装宓钠茐牟暗装辶严叮瑢?dǎo)致裂隙聯(lián)通工作面和含水層，從而產(chǎn)生突水。

因此，在深部開采過程中，需要進一步研究探明巖層底板的破壞規(guī)律，以達到減小或消除突水危害的目的。

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