楊莊煤礦Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)水文地質(zhì)條件分析及疏水降壓方案設(shè)計(jì)

李遵明

[摘 要]楊莊煤礦Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)6煤層開采受到太原組灰?guī)r水的嚴(yán)重威脅，通過分析水文地質(zhì)條件，針對含水層富水性不均一的特點(diǎn)，計(jì)算各工作面安全開采輸降量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了太灰疏水降壓方案。研究表明：太原巖溶水具有明顯分區(qū)性、分帶性，與奧灰相對獨(dú)立性與且可疏性強(qiáng)的特點(diǎn)；采用階梯式施工上部放水孔、中部輔助放水孔和下部順層孔可以得到較好效果；利用Jacob公式，對各工作面放水時(shí)間進(jìn)行了預(yù)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]楊莊煤礦，水文地質(zhì)條件，疏水降壓，Jacob

中圖分類號：G644 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）16-0320-02

隨著煤礦開采深度、強(qiáng)度、速度的增加和規(guī)模的增大，煤層底板高承壓灰?guī)r裂隙巖溶水對煤礦安全開采威脅也日趨嚴(yán)重 淮北煤田作為典型的華北型煤田，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，下組煤開采普遍受到太原組灰?guī)r水和奧灰水的嚴(yán)重威脅。

我國在煤礦疏降水方面進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，取得了一些重要的理論和實(shí)踐成果。主要采用地面、井下鉆孔疏放水或巷道疏放水或者采用井上下結(jié)合的方法，結(jié)合地面鉆孔直接穿透含水層進(jìn)行控制疏放水或選擇井下巷道仰斜鉆孔放水降低含水層厚度的方法降低水害威脅，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。

1 研究區(qū)概況

楊莊煤礦位于閘河復(fù)向斜最南端，井田內(nèi)褶皺和斷層構(gòu)造較為發(fā)育，灰?guī)r富水性極不均一性，水文地質(zhì)條件分區(qū)特征明顯。Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)位于礦井深部，太灰水文地質(zhì)條件具有相對獨(dú)立性，據(jù)簡易放水試驗(yàn)成果資料，設(shè)計(jì)采用分區(qū)疏水降壓為主，局部底板加固為輔的防治水方案降低灰?guī)r突水威脅。

1.1 地質(zhì)概況

Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)6煤巖層走向、傾向變化較大，總體構(gòu)造形態(tài)為一向斜盆地，斷層較為發(fā)育，巖漿巖侵入次之，未發(fā)現(xiàn)陷落柱和疑似陷落柱。戴圩子向斜貫穿于整個(gè)采區(qū)，延展長度約2000米，兩翼基本對稱，采區(qū)內(nèi)三維地震解釋物探斷層及二次解釋斷層21條。采區(qū)6煤局部受巖漿巖侵蝕嚴(yán)重，在兩采區(qū)主體上山以北形成大面積不可采區(qū)。采區(qū)東南部6煤層受古河床沖刷影響，形成大面積不可采區(qū)。

1.2 水文地質(zhì)概況

1）6煤頂、底板砂巖裂隙含水層

由細(xì)砂巖組成，厚度7.6～27m，裂隙一般不發(fā)育，靜止水位標(biāo)高為+3.29m，s=66.98mm，q=0.07000L/（s.m），k=0.1300m/d，富水性弱。砂巖裂隙水通過淋、滲水形式進(jìn)入工作面，是生產(chǎn)中的直接充水水源。

2）6煤底板隔水層

太原組一灰頂至6煤層底間距49～68m，平均51m。巖性主要為泥巖和砂巖，巖性致密。近6煤處為淺灰色細(xì)粒砂巖，波狀、透境狀、混濁狀層理發(fā)育，巖性較致密，隔水性能較好。

3）太灰含水層

太原組厚度127.13～154.60m，平均140.40m。巖性由海陸交替相沉積的石灰?guī)r、泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及薄煤層組成，以石灰?guī)r為主。根據(jù)前期鉆孔抽水試驗(yàn)得q=0.046～0.156L/s·m，K=0.074～4.23m/d，富水性弱～中等。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 主要水害類型分析

采區(qū)主要水害為6煤頂、底板砂巖裂隙水和太原組1～3灰水。

6煤頂?shù)装迳皫r裂隙水：6煤頂?shù)装辶严恫话l(fā)育，富水性弱，依據(jù)巷道實(shí)揭資料，6煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層對掘進(jìn)影響較小，但采區(qū)東南部至Ⅲ63采區(qū)下部，因受河床沖刷影響，6煤被砂巖含水層取代，富水性強(qiáng)，巷道掘進(jìn)期間，涌水量可達(dá)20m3/h以上，臨近巷道施工后，水量逐漸變小。

太原組石灰?guī)r巖溶裂隙水：鉆孔資料及巷道實(shí)揭資料表明，Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)太灰富水性不均一，是生產(chǎn)期間水害治理的重點(diǎn)。

2.2 太灰?guī)r溶水賦存特征

1）灰?guī)r含水層平面上明顯分區(qū)性

東南部1～4灰隱伏露頭，該處發(fā)育有青龍山逆掩斷層，造成奧灰與太灰對接，為補(bǔ)給邊界，補(bǔ)給方式是通過斜交于青龍山斷層的斷層導(dǎo)致奧灰水對太灰進(jìn)行側(cè)向補(bǔ)給。井田內(nèi)太灰水位差別較大，井田東南翼高（水位-10m）、富水性強(qiáng)，西北翼較低（水位-210m）、富水性較弱，水位差近200m，表明向斜深部巖溶不發(fā)育，存在滯流帶。

2）灰?guī)r含水層垂向上明顯分帶性

通過多年來井上下水文補(bǔ)勘，和一、二、三水平生產(chǎn)實(shí)踐，一水平太灰含水層q=1～5L/s.m，富水性強(qiáng)，但水壓較小，二水平q=0.1～5L/s.m，富水性強(qiáng)，水壓升高，1988年突水后采用疏水降壓，實(shí)現(xiàn)了安全開采；三水平q=0.01～1L/s.m，水壓升高，但富水性減弱。

3）太灰、奧灰含水層相對獨(dú)立性

井下鉆孔資料表明，在Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)，太灰與區(qū)域奧灰水位相差約220m，說明該區(qū)域內(nèi)無奧灰對太灰的垂向補(bǔ)給通道（斷層、陷落柱）。太灰接受奧灰補(bǔ)給的形式表現(xiàn)為礦井外垂向補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給。

因此，Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)6煤開采不存在陷落柱或隱伏陷落柱突水威脅，灰?guī)r水害治理的重點(diǎn)是1～3灰含水層。

4）太灰含水層可疏性

以往放水試驗(yàn)結(jié)果顯示，越靠近深部，富水性越差，越易于疏降。只要放水孔位置合理，在一定疏放水量拉動(dòng)下，便實(shí)現(xiàn)達(dá)到安全疏降開采。

（1）Ⅲ622工作面灰?guī)r出水量20m3/h，相距470m處的Ⅲ62放3孔三灰水位降深11.4m；Ⅲ623軌道巷8-3孔二灰水量60m3/h，相距約600m處的三灰長觀孔水位降深24.5m。

（2）在Ⅲ63石門Ⅳ1觀1孔二灰放水量80m3/h情況下，Ⅳ1二區(qū)段Ⅳ1觀3孔四灰水位降深48m，Ⅳ1運(yùn)輸上山下口Ⅳ1放2孔四灰水位降深15m；Ⅳ2二區(qū)段Ⅳ2觀3-2孔三灰新增放水量40m3/h后，Ⅳ1觀3孔四灰水位累計(jì)降深62m，Ⅳ1放2孔四灰水位累計(jì)降深45m；Ⅳ1一區(qū)段Ⅳ1觀2-2孔二灰新增放水量65m3/h后，Ⅳ1觀3孔四灰水位累計(jì)降深91m，Ⅳ1放2孔四灰水位累計(jì)降深50m。

（3）Ⅳ2二區(qū)段Ⅳ2觀3-2孔三灰放水量40m3/h情況下，Ⅳ2一區(qū)段Ⅳ2觀2孔三灰水位降深45m，Ⅳ2回風(fēng)石門Ⅳ2觀1孔五灰水位降深26m。

3 Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)疏水降壓方案設(shè)計(jì)

3.1 工作面下限及疏降要求

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，采煤工作面安全水頭壓力值計(jì)算公式p=TSM，式中p--安全水壓，MPa；TS--臨界突水系數(shù)，MPa/m；M--底板隔水層厚度，m。Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)6煤到一灰隔水層最小間距50m，根據(jù)淮北礦業(yè)集團(tuán)公司《煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理規(guī)定》的要求，TS取0.07MPa/m，計(jì)算得3.5MPa，6煤開采下限為-750m，根據(jù)突水系數(shù)反算，采區(qū)最深部需將灰?guī)r水位降至-450m以下。

3.2 疏水降壓方案

1）疏降方案

采用階梯式疏放的方法進(jìn)行疏降太灰水位，實(shí)現(xiàn)安全回采的目的，分別施工上部放水孔、中部輔助放水孔和下部三灰順層孔。

（1）上部灰?guī)r放水孔：在Ⅲ63進(jìn)風(fēng)石門、Ⅳ1人行上山上部施工放水孔4孔/2處，預(yù)計(jì)新增放水量200m3/h，在-500軌道巷施工放水孔20孔/5處，預(yù)計(jì)新增放水量300m3/h，預(yù)計(jì)可將太灰水位降至-400m；

（2）下部三灰放水孔：施工-750放水石門揭露三灰，施工三灰順層放水孔12孔/3處，預(yù)計(jì)新增放水量約200m3/h，可將太灰水位降至-450m；

（3）輔助灰?guī)r放水孔：在各區(qū)段揭煤處（收作線外）施工放水孔，預(yù)計(jì)增加疊加放水量200m3/h，進(jìn)一步增大太灰水位降深，確保工作面安全回采。

2）鉆孔布置

（1）布孔原則及施工條件分析

開展底板電法探測，尋找太灰富水區(qū)位置；以斷層上盤、裂隙帶為靶心；先找靶心，再定孔位；小角度施工放水孔，長距離揭露灰?guī)r。利用已有巷道工程刷擴(kuò)鉆場，施工放水孔。

（2）放水孔施工設(shè)計(jì)

①上部放水孔

在Ⅲ63進(jìn)風(fēng)石門和Ⅳ1人行上山上部施工放水孔，利用Ⅳ1二區(qū)段觀測孔觀測水壓。修護(hù)-500軌道巷設(shè)計(jì)施工5個(gè)放水鉆場，施工密集鉆孔5處，每處4個(gè)孔，其中每處3個(gè)孔放水，1個(gè)孔作為觀測孔使用。

②下部放水孔

施工-750放水石門，工程量330m；巷道揭露三灰后，施工三灰順層放水孔，利用Ⅳ1下部觀測孔觀測水壓。巷道從Ⅳ2人行上山下部開窩，揭煤后嚴(yán)格控制巷道距一灰距離，采取物探超前探查及鉆探驗(yàn)證的循環(huán)超前探查掩護(hù)掘進(jìn)施工措施。

③輔助放水孔

利用區(qū)段石門施工輔助放水孔。

3）鉆孔施工技術(shù)要求

鉆孔結(jié)構(gòu)：開孔用Φ168mm鉆進(jìn)至煤層底板以下4m，下Φ146mm護(hù)壁管至煤層底板以下3m；再用Φ133mm刮刀鉆頭鉆進(jìn)至泥巖以下15m，下入Φ108mm止水套管至泥巖以下10m；最后用Φ94mm刮刀鉆頭裸孔鉆進(jìn)至終孔。

固管要求：鉆孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)套管位置下止水套管，采用標(biāo)號為P.O32.5及以上的普通硅酸鹽水泥固管，待凝固48h后，采用壓水方式進(jìn)行套管耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力不低于預(yù)計(jì)靜水壓1.5倍，注漿泵設(shè)置在一檔35L/min下，穩(wěn)定時(shí)間30min以上，鉆孔及周邊無滲漏和套管無松動(dòng)或頂出現(xiàn)象為合格。

3.3 疏降時(shí)間預(yù)計(jì)

根據(jù)Jacob公式：

式中：s--水位降深，Q--放水孔流量，r--距離放水孔距離，t--時(shí)間，T—導(dǎo)水系數(shù)（T=KM）；—儲水系數(shù)（根據(jù)放水試驗(yàn)結(jié)果，取10-3）

根據(jù)公式，-500軌道巷放水孔施工完畢后，放水量300m3/h，33天可將太灰水位降深100m；-750放水石門放水孔放水量200m3/h，68天可將太灰水位降深250m；-750放水石門放水孔放水量200m3/h，Ⅳ1上部放水孔放水量200m3/h，合計(jì)放水量400m3/h，51天可將太灰水位降深200m。

4 結(jié)論

Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)6煤層開采主要充水水源為6煤層頂、底板砂巖裂隙含水層與太原組1～3灰含水層，Ⅳ1、Ⅳ2采區(qū)太灰富水性不均一，是生產(chǎn)期間水害治理的重點(diǎn)。太原組灰?guī)r巖溶水賦存具有平面上明顯分區(qū)性、垂向上明顯分帶性、太灰、奧灰含水層相對獨(dú)立性與含水層可疏性較強(qiáng)的特征。