水文地質(zhì)條件極復雜工作面水害探查與治理技術(shù)研究

衛(wèi)皓皓

摘 要：辛安礦是峰峰礦區(qū)一個水文地質(zhì)條件極復雜型的礦井，目前主要開采-500m水平的2#煤層。曾于2010年、2011年發(fā)生兩起特大型奧灰水突水事故，導致-500m水平被淹，損失巨大。2012年年底，礦井在準備復產(chǎn)的第一個工作面（112121工作面）掘進時，又發(fā)現(xiàn)該工作面底板相對富水區(qū)面積占工作面設計開采面積的近二分之一，工作面內(nèi)存在隱伏垂向?qū)ǖ?，通道形式等情況不明。在初步探查中，又發(fā)現(xiàn)已有鉆探地點巖體破碎，鉆孔固管及成孔困難，井下探查工作緩慢。為確保礦井安全，并做到工作面按期銜接，開展了防治水技術(shù)攻堅和工程會戰(zhàn)

關鍵詞：水文地質(zhì)條件；極復雜；水害探查治理

中圖分類號： P641.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）04-79-2

1 礦井概況

辛安礦布置有四個水平：+32m水平、-100m水平、-280m水平和-500m水平，現(xiàn)主要生產(chǎn)水平為-280m水平和-500m水平，采用走向長壁后退式輕型綜采放頂煤工藝采煤方法，頂板管理為全部跨落法。

2 112121工作面水文地質(zhì)條件概況

①112123老空水。112123老空水通過216軌道下山泄水孔組長期疏放，目前穩(wěn)定在-560米水平，其動水量1.0m3/min，水源為8411鉆孔。對工作面的安全開采不會造成太大影響。②工作面上覆60米頂板內(nèi)的砂巖弱含水層水。按照規(guī)程規(guī)定取煤厚4.5米、中硬質(zhì)覆巖巖性計算，工作面采動引起頂板采動裂縫帶發(fā)育高度在60米以內(nèi)。根據(jù)地質(zhì)條件工作面頂板采動裂縫帶內(nèi)共有兩層砂巖弱含水層，112123工作面開采中就已經(jīng)基本疏干。③野青石灰?guī)r含水層。層厚2.5～3.0米，為承壓溶隙裂隙含水層，位于工作面底板以下36～47米。工作面附近，-500水平外水倉巷道揭露野青含水層點，多年以來以0.5m3/min的水量長期疏放野青水，目前，其水位在-475米以下。單孔實測水溫19.5～21.5℃之間。④山伏青石灰?guī)r含水層。層厚3.5～5.5米，為承壓巖溶裂隙含水層，位于里工作面底板以下80～84米。有XD5、XD6、XSH2、8411等水文鉆孔揭露山伏青含水層，多年來，它們以約0.8 m3/min的水量長期疏放水，目前水位在-80米。水溫20.0～22.1℃之間，礦化度230～850mg/l，水質(zhì)類型屬HCO3·SO4-Na 或SO4·HCO3-Na型水。⑤大青石灰?guī)r含水層。層厚5.5～7.0米，為承壓巖溶裂隙含水層，位于里工作面底板以下114.5～126米。自2009年7月2123工作面揭露8411鉆孔以來，工作面所在區(qū)域大青含水層水就處在長期疏水降壓狀態(tài)，疏放水量約0.8m3/min，目前其水位在-192～-42米之間。水溫23.0℃，礦化度334～486㎎/l，水質(zhì)類型屬HCO3·SO4-Na型水。⑥陶系石灰?guī)r含水層。為石炭二疊系煤系地層的基底，是一區(qū)域性、巨厚、承壓、巖溶裂隙強含水層，位于工作面底板以下150米。

3 112121工作面存在的主要水害問題

①掘進前工作面內(nèi)沒有巷探工程，且區(qū)內(nèi)煤巖層傾角較大，對隱伏斷層的分析判斷有一定的不可靠性。②8411、XSH4等七個地質(zhì)、水文地質(zhì)鉆孔都位于工作面外圍，工作面內(nèi)部沒有水文地質(zhì)鉆孔。

4 水害探查與治理技術(shù)方法

①目標。通過對工作面進行，綜合探查和注漿改造加固底板，查清工作面水文地質(zhì)條件，實現(xiàn)工作面無水害安全開采。②原則。依照“物探指導、鉆探超前、查治結(jié)合、改造薄灰、適量加固”的原則，以查清隱伏斷層（含導水裂隙帶、陷落柱）、查清工作面正下方含水層具體水文地質(zhì)特征。③路線。施工探查孔→進行疏放水試驗→查明含水層富水性和水力聯(lián)系→進行注漿加固（改造含水層和加固隔水層）→施工檢查孔→進行采前綜合評價→實現(xiàn)安全開采。④工程設計。a利用現(xiàn)有巷道對工作面運料巷進行超前物探，探測的范圍是“整條運料巷及其兩側(cè)各60米范圍以內(nèi)、工作面底板下80米以淺”區(qū)域。b分井上、井下同時施工鉆孔，開展全工作面的水文地質(zhì)條件查證及相關治理工作。井上主要是探查工作面底板80米以下（即伏青石灰?guī)r層位以下）地層條件，重點是其中大青、奧灰兩石灰?guī)r含水層特征，同時進行注漿治理等相關工作。井下主要是探查工作面底板80米以淺（即伏青石灰?guī)r層位以上）地層條件，重點是其中野青、山伏青兩石灰?guī)r含水層特征，同時進行注漿治理等相關工作。c工作面形成后進行瞬變電磁和無線電坑道透視兩種探測，進一步探查區(qū)域有無隱伏構(gòu)造（陷落柱）及其含（導）水性、山伏青野青含水層有無富水區(qū)域、地層的完整性等，如有異常，繼續(xù)進行鉆探驗證和注漿治理等相關工作。⑤完成的工程。2121工作面防治水工作井下于2012年12月開始，地面于2013年4月開始，截至2014年1月，累計完成鉆孔125個，鉆探進尺23700米，注水泥11194噸，累計資金2357.1萬元。其中，井下完成鉆孔111個，鉆探進尺19552米，注水泥4470噸。地面完成鉆孔14個，鉆探進尺4148米，注水泥6724噸。

工作面里段（切眼往外300米）治理已結(jié)束，且完成采前評價并報集團公司審批，工作面里段正在進行回采。

5 水害探查與治理取得的成果

5.1 查明并封堵了主要導水通道

通過施工探查孔，查明了工作面主要導水通道：工作面外段的f2斷層，該斷層為山伏青與大青、大青與奧灰含水層間的垂向水力聯(lián)系通道。通過井下和地面鉆孔同時對f2斷層時行注漿加固，已經(jīng)基本上切斷了山伏青與大青含水層之間水力聯(lián)系，大青與奧灰含水層間的水力聯(lián)系也得到了進一步弱化。下伏野青、山伏青、大青含水層都得到了弱化改造，富水性都大為降低，達到了改造目的。

5.2 含水層特征已查明，并且已經(jīng)得到有效治理改造

①野青含水層富水性和獲得補給的能力較弱，野青水中多含硫化氫氣體，處于停滯徑流狀態(tài)。經(jīng)過注漿改造，野青含水層富水性又得到了進一步弱化。②山伏青含水層水以靜儲水為主，山伏青含水層層內(nèi)水力連通性較好，但富水性和獲得補給的能力較弱，且隨著注漿改造變得更弱。經(jīng)過近期疏放水和注漿改造，其水位已經(jīng)由元月份以前的-240～-300米下降到目前的-350～-460米。③大青含水層層內(nèi)水力連通性較好，但富水性和獲得補給（主要是奧灰水）的能力較弱，它與山伏青含水層之間水力聯(lián)系不密切。其裂隙發(fā)育程度和富水性較野青、山伏青含水層好，是良好的注漿改造目的層。④本區(qū)奧灰頂部古風化殼多被充填，富水性較差，可視為相對隔水層。另外，各鉆孔施工中未發(fā)現(xiàn)奧灰水有原始導高現(xiàn)象。

5.3 隔水層得到了加固，大面積富水區(qū)水位大幅度下降

在對含水層進行注漿改造的同時，也對隔水層進行了加固，工作面內(nèi)施工的高密度的鉆孔和高壓注漿，對底板隔水層的完整性和整體阻隔水能力有了較大的提高。

5.4 工作面開采安全性評價

方法一：依照《煤礦防治水規(guī)定》附錄四，計算出治理后里工作面底板隔水層能夠承受的最小水壓力（H安）和實際承受的最大水壓力（H實），相應對比表兩者的大小，可以發(fā)現(xiàn)，無論對底板哪一個含水層的隔水層都有H安始終大于H實，所以，據(jù)此判斷里工作面開采后底板各含水層水突然涌出的可能性都小。（參見表1）

方法二：底板伏青煤以上厚約80米的隔水層經(jīng)過33個鉆孔水泥注漿加固，變得更加完整，阻水能力進一步加強，其突水系數(shù)按0.1MPa/m計算，僅這80米厚的隔水層就可以承受8.0MPa的水壓力，這比里工作面底板隔水層實際承受的大青水最大水壓力（參見表1，640mH2O=6.23MPa）大。里工作面底板隔水層實際承受的奧灰水最大水壓力為8.1MPa（參見表1，827mH2O=8.1 MPa）因而，據(jù)此推斷里工作面開采后底板大青、奧灰兩主要含水層水突然涌出的可能性都小。

綜合分析表明：工作面內(nèi)隔水層相對完整阻隔水能力強，底板各隔水層能夠承受的最小水壓力（H安）均大于相應實際承受的最大水壓力（H實），開采后底板各含水層水突然涌出的可能性都小，可以進行帶壓開采。

6 結(jié)語

針對水文地質(zhì)條件極復雜工作面，堅持“預測預報、逢掘必探（鉆）、先探后掘、先治后采（掘）、采前評價”的防治水原則，加強地質(zhì)構(gòu)造勘探工作，采取多種物探手段、方法和鉆探驗證、底板注漿加固手段，完全可以實現(xiàn)無水害安全開采。