礦井隔水關(guān)鍵層機理與防治水技術(shù)探討

申巧君

（霍州煤電集團有限責(zé)任公司團柏煤礦地測科，山西霍州 031400）

0 概述

煤礦透水事故是煤礦生產(chǎn)中的五大事故類型之一，事故后果通常都非常嚴(yán)重。煤礦透水事故具有隱蔽性強、事先不易預(yù)測和不確定性高等特點。隨著煤礦開采深度加大，礦井防水壓力也會隨之增加。很多大型煤礦已經(jīng)開采多年，工作面深度很大，深部煤層礦井的防治水問題因此變得非常嚴(yán)峻。煤礦礦井的防治水問題已經(jīng)成為采煤行業(yè)中需要高度重視的問題，值得深入研究。我國在煤礦的防治水方面歷來遵循防治水相結(jié)合的策略。但不同煤礦可能所處的地質(zhì)條件完全不同，因此煤礦的防治水策略的因地制宜就顯得非常重要。目前已經(jīng)成功應(yīng)用到煤礦防治水的方法有注漿技術(shù)、可控疏放技術(shù)、疏干降壓技術(shù)等。不論采用何種防治水技術(shù)，都是依賴于準(zhǔn)確全面的礦區(qū)水文地質(zhì)條件探測，根據(jù)具體地質(zhì)條件來制定最合理的防治水策略。因此準(zhǔn)確全面的地質(zhì)條件勘測也成為煤礦防治水的基礎(chǔ)。本文結(jié)合礦區(qū)的具體地質(zhì)條件，參考實踐中已經(jīng)證明行之有效的煤礦防治水策略，以煤礦隔水關(guān)鍵層機理為基礎(chǔ)來探討煤礦的防治水問題。

1 煤礦防治水原理

1.1 煤礦水害機理分析

煤礦水害是在煤礦建設(shè)或者生產(chǎn)過程中進(jìn)入礦井的非可控水源給生產(chǎn)建設(shè)所帶來的災(zāi)害事件。從構(gòu)成元素上看，形成煤礦水害的幾個關(guān)鍵因素是進(jìn)入礦井的水量、充水途徑以及充水強度。這3類因素不同組合會形成不同的事故形式。

煤礦水害的水量來源主要有地表水、地質(zhì)夾層內(nèi)的地下水和礦區(qū)老空積水等類型。其中地質(zhì)夾層內(nèi)的斷層水、裂隙水和奧灰水是形成煤礦水害的主要水量來源。從機理上看，形成煤礦水害的主要條件是短時間內(nèi)大量水填充坑道。就常見的奧陶系灰?guī)r水害而言，常見的水害類型有正常底板型突水、溝通斷層型突水、裂隙型突水、溝通陷落柱型突水、封閉不良鉆孔導(dǎo)通型突水等。從形成機理上看，主要是由于奧陶系灰?guī)r的富水特性，加上地質(zhì)構(gòu)造裂隙和高水壓。而在采礦過程中的采礦動壓影響，加上礦山壓力、地應(yīng)力等環(huán)境因素，是誘發(fā)礦井突水的主要因素。通常情況下，奧陶系灰?guī)r的突水災(zāi)害都和礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造之間具有高度的相關(guān)性。形成突水災(zāi)害的導(dǎo)水通道主要是斷裂構(gòu)造帶、網(wǎng)絡(luò)裂隙、陷落柱等。其中斷裂構(gòu)造帶富水性強，容易成為溝通奧灰水的主要通道，奧灰水沿著裂隙進(jìn)入礦井后成為突水的潛在危險源。陷落柱在奧陶系灰?guī)r中成為通道和突水口時比斷層的潛在危害大，但形成導(dǎo)水陷落柱的條件更為苛刻。采煤過程中的底板奧灰水突出是隔水層轉(zhuǎn)化為透水層的外在表現(xiàn)，在采動和裂隙共同影響下，礦壓和高壓奧灰水耦合作用的結(jié)果。發(fā)生突水前，高壓奧灰水沿裂隙（采動引起的原生裂隙擴展）導(dǎo)升，并與采動裂隙溝通形成貫通的導(dǎo)水通道。這種導(dǎo)水通道的產(chǎn)生通常較為緩慢且具有一定的滯后性。

1.2 煤礦隔水關(guān)鍵層原理分析

鑒于以上幾類容易造成煤礦水害的潛在危險，保水采煤就成為了煤礦生產(chǎn)中的迫切需求。經(jīng)過研究和實踐，隔水關(guān)鍵層模型在煤礦保水采煤中具有實際作用。隔水關(guān)鍵層的基本原理可簡述如下：由于煤系地層具有明顯的分層特性，各層之間的承載力和抗?jié)B流能力都存在差異。水源和礦井之間存在著若干隔離層，水最終需要穿透的那部分巖層或最終被阻隔住的巖層即為隔水關(guān)鍵層。水突破隔水關(guān)鍵層的主要途徑有兩個：一是地質(zhì)構(gòu)造中的天然通道，二是采動裂隙貫通。二者之一滿足條件都可能形成突水通道而造成突水事故。因此從隔水關(guān)鍵層的原理可知，保護(hù)隔水關(guān)鍵層的完整性，避免采動破壞、控制該層中不形成突水通道是避免突水事故的關(guān)鍵因素。

從地質(zhì)勘測的角度上看，應(yīng)用隔水關(guān)鍵層原理來避免突水事故的步驟應(yīng)當(dāng)是首先通過地質(zhì)勘探確定隔水關(guān)鍵層的準(zhǔn)確位置，在找到隔水關(guān)鍵層后，需要進(jìn)一步判定其穩(wěn)定性，這一步的工作往往是最困難的。當(dāng)檢測到隔水關(guān)鍵層中存在滲流突變通道時，就需要采取必要的注漿、加固甚至改造的輔助措施來降低突水事件發(fā)生的可能性。由此可見，地質(zhì)條件的準(zhǔn)確勘測是煤礦防水治水的關(guān)鍵前提。在本文中將以某地煤礦的地質(zhì)勘測和防水治水措施為例來進(jìn)一步探討隔水關(guān)鍵層原理的實踐應(yīng)用。

2 應(yīng)用

2.1 礦井水文地質(zhì)條件概況

本例中的煤礦位于山西境內(nèi)，井田內(nèi)廣為第四系黃土覆蓋，主要分布于中西部的山梁及溝谷地段，地層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)及上統(tǒng)上石盒子組地層(P2s)。井田內(nèi)發(fā)育地層由老到新的順序為奧陶系（O2）、石炭系（C）、二疊系（P）、第三系（N）、第四系（Q）。井田主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，含煤地層總厚度134.85m，共含煤層13層，其中可采煤層7層。煤層總厚12.62m，含煤系數(shù)9.3%?？刹擅簩邮?、2、6、7、9、10、11號煤層。在上述11個煤層中，大多數(shù)煤層都較為穩(wěn)定，不穩(wěn)定煤層是6號和7號煤層。這兩個煤層的特點如下：①6號煤層：位于太原組上段下部，上距2號煤層平均間距33.16m。煤層厚度0～2.20m，平均0.89m，一般不含夾矸，個別孔含一層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，井田內(nèi)大部分在可采厚度以上，西部及中部有變薄、尖滅現(xiàn)象，屬不穩(wěn)定的全井田局部可采煤層。頂板為黑色泥巖，局部為粉砂巖，厚3.11～12.5m；底板為灰黑色泥巖，下部夾粉砂巖，厚度2.5～11.5m；②7號煤層：位于太原組中段中部K3與K4石灰?guī)r之間，上距6號煤層平均間距29.46m。煤層厚度0～1.35m，平均厚度0.68m，個別孔含一層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，中、東部局部尖滅，屬不穩(wěn)定的全井田局部可采煤層。頂板為粉砂巖及泥巖，厚1.2～12.5m；底板為粘土質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖，厚0.5～14.5m。

2.2 巷道掘進(jìn)階段防治水方案

依據(jù)隔水關(guān)鍵層的基本原理，避免突水事故的重要環(huán)節(jié)就是避免遭遇突水通道。在巷道掘進(jìn)階段，應(yīng)當(dāng)對掘進(jìn)前方可能存在的導(dǎo)水構(gòu)造做嚴(yán)格檢查，遵循掘進(jìn)之前先探測，物探先于鉆探的原則。在巷道掘進(jìn)防水治水工作中包含了超前探測、鉆探驗證異常體治理等內(nèi)容。

其中超前探測可實現(xiàn)圈定可能存在異常的地質(zhì)體，采用直流電法、音頻電穿透式法等不同方法來綜合評判，增加探測的可靠性。對于需要進(jìn)行鉆探驗證的前方區(qū)域，布置傾角在-10°～-20°之間、數(shù)量不低于2個，鉆孔探查距離不低于30m的探查孔。對于孔口治水套管的長度，根據(jù)煤礦防治水規(guī)定的有關(guān)條款來實施。一旦確定了異常體及突水潛在風(fēng)險源，就需嚴(yán)格遵守有關(guān)固定，采用超前預(yù)注漿加固后再行掘進(jìn)。

2.3 工作面回采前防治水方案

當(dāng)采煤工作面已經(jīng)形成，在回采之前需要對工作面影響范圍內(nèi)的裂隙、薄弱地帶、以及富水區(qū)進(jìn)行必要的探測工作，必要時輔以鉆探驗證，以確定具體異常范圍。對于已經(jīng)確定的導(dǎo)水構(gòu)造等潛在突水風(fēng)險的趨于，必須按照規(guī)定進(jìn)行局部注漿加固，并事后檢驗加固強度是否滿足要求。判斷依據(jù)是依據(jù)巷道底板厚度、底板隔水層的抗拉強度等計算安全隔水層厚度。當(dāng)滿足實際隔水層厚度超過安全隔水層厚度并有足夠富余時，才能考慮繼續(xù)掘進(jìn)。如果資料不足，也可采取較為簡單的突水系數(shù)法來計算。

2.4 工作面回采過程中防治水方案

從奧灰含水層突水機理可見（主要是形成緩慢，但又往往爆發(fā)突然），工作面回采過程中的水情監(jiān)測（水位、水溫等）就顯得很有必要，在奧灰含水層和開采層之間布置監(jiān)測點具有重要意義。這一過程中的關(guān)鍵問題是選擇合適的監(jiān)測層。其基本思路是選擇一個和奧灰含水層在水位、水質(zhì)等存在較大的差異的含水層作為監(jiān)測層，把奧灰含水層作為目標(biāo)層，實現(xiàn)對目標(biāo)層的間接監(jiān)測。

3 小結(jié)

煤礦的防水治水是煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題之一。由于各個煤礦地質(zhì)構(gòu)造都不相同，因地制宜的采取防治水措施就特別重要。在對礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造已經(jīng)做了較為詳盡的勘測基礎(chǔ)上，必要的超前探測、設(shè)置監(jiān)測層和必要時注漿加固是煤礦防治水的主要途徑。尤其是對監(jiān)測層的合理設(shè)置值得深入研究。

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