中能煤礦回采工作面頂板水疏放研究

劉磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司 山西 長(zhǎng)治 047100）

1 引言

中能煤礦2306 回采工作面受到的水患威脅主要來自于頂板K8砂巖含水層水，為了切實(shí)保障回采工作安全，消除頂板水威脅，需要開展頂板水疏放工作。根據(jù)物探解釋成果，存在富水異常區(qū)，因此需要制定專項(xiàng)探測(cè)方案，并組織探測(cè)，開展疏放水工作。

2 概述

中能煤礦井田位于太行山西側(cè)長(zhǎng)治盆地南部，新生界地層厚度大，地表大部為黃土層所覆蓋。開采3#煤層，埋深約340 m～570 m，生產(chǎn)規(guī)模240 萬t/a，立井開拓，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。煤層厚度為3.68 m～5.93 m，平均為5.15 m。根據(jù)礦井水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告顯示，本井田奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性不均一，含水空間以巖溶裂隙為主，巖溶裂隙發(fā)育及富水性具有隨深度的增加而增強(qiáng)即上弱下強(qiáng)的特點(diǎn)，奧灰水水位標(biāo)高為+628 m～636 m，全區(qū)帶壓。

2.1 2306回采工作面概況

2306 工作面處于井田南部，沿3#煤層煤層頂板布置，工作面煤層平均厚度5.1 m 左右，煤層傾角0°～10°。煤層底板標(biāo)高在+425 m～+498 m 范圍內(nèi)。運(yùn)巷長(zhǎng)2 460.2 m，風(fēng)巷長(zhǎng)2 379.5 m,工作面長(zhǎng)249.45 m。

2.2 區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)情況

2.2.1 地層

中能煤礦井田位于沁水盆地東翼，全區(qū)幾乎全部為第四系所覆蓋，井田地層由老到新為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、第四系（Q）。

2.2.2 含水層

第四系松散巖類孔隙含水層，該含水層為孔隙含水層，主要由中-細(xì)砂組成，單位涌水量0.035 6 L/（s·m）～0.224 L/（s·m），該含水層富水性弱-中等。

基巖風(fēng)化帶裂隙含水層，該含水層為碎屑巖裂隙含水層，主要由粗-細(xì)粒砂巖組成，單位涌水量0.021 8 L/（s·m），滲透系數(shù)0.026 m/d，屬弱富水性含水層。

二疊系上石盒子組與下石盒子組砂巖裂隙含水層，該含水層為碎屑巖裂隙含水層，含水空間以構(gòu)造裂隙為主，含水層主要由粗-細(xì)粒砂巖組成，一般裂隙較發(fā)育，局部充填，單位涌水量0.036 5 L/（s·m），滲透系數(shù)0.062 2 m/d，該含水層屬弱富水性含水層。

山西組砂巖裂隙含水層，該含水層為碎屑巖裂隙含水層，含水空間以構(gòu)造裂隙為主，含水層由中、細(xì)粒砂巖組成，單位涌水量0.000 46 L/（s·m）～0.006 L/（s·m），滲透系數(shù)0.002 6 m/d～0.053 m/d，該含水層屬弱富水性含水層。

太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，該含水層為碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，含水空間以裂隙為主單位涌水量0.000 2 L/（s·m），滲透系數(shù)0.002 m/d，屬弱富水性承壓含水層。

奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，該含水層為巖溶裂隙含水層，含水空間以巖溶裂隙為主，峰峰組和上馬家溝組混合抽水試驗(yàn)結(jié)果單位涌水量4.248 L/（s·m），滲透系數(shù)11.373 m/d，屬強(qiáng)富水性承壓含水層。

2.3 地面物探

2.3.1 方法原理

瞬變電磁法的物理基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)原理，即導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生渦流場(chǎng)的問題。良性導(dǎo)電地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)與地質(zhì)體的電阻率密切相關(guān)，電阻率越低、低電阻地質(zhì)體規(guī)模越大，感應(yīng)二次場(chǎng)越高、二次場(chǎng)衰減越慢。

2.3.2 使用儀器

地面瞬變電磁勘探使用加拿大生產(chǎn)的PROTEM67瞬變電磁勘探系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有發(fā)射電流大，抗干擾能力強(qiáng)，采用不同頻率發(fā)射，可針對(duì)不同的勘探深度，保證不同時(shí)段的采樣精度

2.3.3 物探成果

本次主要探放工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶所溝通的各含水層（主要為K8 含水層，距離工作面底板約55 m）及其物探解釋異常區(qū)。減輕其對(duì)工作面的影響，保證工作面采掘安全。根據(jù)資質(zhì)單位提交的《地面電法勘探報(bào)告》，顯示2306 工作面切眼距停采線內(nèi)共賦存的K8富水異常區(qū)2處（編號(hào)1#、2#），面積分別為11 667 m2和 66 422 m2。

圖1 地面瞬變電磁勘探解釋富水異常區(qū)分布位置示意圖

3 疏放水鉆孔設(shè)計(jì)

3.1 2306工作面導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算

礦井水文地質(zhì)將冒落帶、裂隙帶合并稱為導(dǎo)水裂縫帶，導(dǎo)水裂縫帶所溝通的含水層水參與礦井充水。中能煤礦3#煤頂板巖性為砂巖、砂質(zhì)頁巖、頁巖等煤系地層，2306 工作面3#煤層最大厚度為5.5 m，采煤方法為走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化綜采低位放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

Hc—冒落帶的最大高度（m）；

Hf—導(dǎo)水裂縫帶的高度（包括冒落帶）（m）；

M—累計(jì)采厚，2306工作面最大煤厚5.5 m；

n—煤分層數(shù)。下霍煤礦為一次采全高，n取1。

經(jīng)計(jì)算，開采3 號(hào)煤層冒落帶的最大發(fā)育高度為22 m，上覆巖層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶最大高度為82.6 m。

式中：

Hm—垮落帶高度，m；

Hli—導(dǎo)水裂縫帶高度，m；

∑M—累計(jì)采厚，工作面3號(hào)煤最大厚度為5.5 m。

經(jīng)計(jì)算，開采3#煤層垮落帶的最大高度為14.5 m，上覆巖層采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶最大高度為50.0 m。綜合上述兩種計(jì)算方法，取相對(duì)較大值，開采3#煤層冒落帶的高度為22 m，上覆巖層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶高度為82.6 m。局部能達(dá)到K8 砂巖及K8 以上砂巖裂隙含水層，甚至某些地段達(dá)到上石盒子組K10 砂巖含水層，使之成為工作面直接充水含水層

3.2 2306工作面疏放水鉆孔設(shè)計(jì)

本次井下疏放水鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)均參考礦井以往物探及3802、3803 鉆孔柱狀圖確定，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探放水情況再做適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到本次疏放水工作的目的。計(jì)劃分別布置8 個(gè)鉆場(chǎng)對(duì)頂板含水層水進(jìn)行疏放，具體情況如表1、圖2：

圖2 2306工作面探放水鉆孔分布位置示意圖

表1 2306工作面鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

4 鉆孔疏放水成果

經(jīng)疏放，共計(jì)疏放水量為176 250.6 m3，回采過程中，工作面涌水量為18.6 m3/h，對(duì)工作面推采影響較小。各鉆場(chǎng)疏放孔放水量匯總情況見表2.

表2 2306工作面頂板含水層疏放水孔匯總表

5 結(jié)論

（1）本次物探異常區(qū)范圍內(nèi)1、2、4、6、7 號(hào)鉆場(chǎng)疏放水量總計(jì)達(dá)到137 852 m3，K8 砂巖含水層富水區(qū)與物探常區(qū)較為對(duì)應(yīng)，物探異常區(qū)與K8砂巖含水層吻合率達(dá)到78.2%，成果較為可靠。但其余鉆場(chǎng)位置處無物探異常范圍顯示，本次探測(cè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)根據(jù)煤巖層高程變化進(jìn)行了補(bǔ)充鉆探設(shè)計(jì)，疏放水效果較為良好。

（2）通過科學(xué)分析，針對(duì)性的開展頂板K8 砂巖水疏放工作，有效解除了2306 回采工作面頂板水患威脅，確保了回采工作的安全。由于導(dǎo)水裂隙帶能夠直接溝通頂板富水異常區(qū)，避免了回采過程中頂板水直接到達(dá)工作面，也保障了回采工作的安全文明生產(chǎn)。

（3）針對(duì)頂板水疏放，應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合含水層物探異常及煤層頂板高程變化趨勢(shì)，同時(shí)可以考慮增加第二種物探方式，提高物探探測(cè)的準(zhǔn)確率，保障疏放水效果。