礦井涌水量預(yù)測及防治水建議

崔耀明

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團通合煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

煤炭資源在推進國家經(jīng)濟發(fā)展過程中扮演至關(guān)重要的角色，然而伴隨著多年的開采，開采難度越來越大，賦存地質(zhì)構(gòu)造也越來越復(fù)雜。含水層、老窖水以及采空區(qū)積水等水源對煤礦安全生產(chǎn)帶來巨大隱患，影響到煤炭資源的開采生產(chǎn)工作[1-2]。準(zhǔn)確地預(yù)測礦井涌水量，是后期生產(chǎn)中的排水防水設(shè)施進行合理安排、制訂相應(yīng)排水方案的前提條件，也是煤礦安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟效益的重要保證。本文結(jié)合山西省某煤礦進行實例分析，為今后水治理提供了針對性意見。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造情況

山西省某煤礦14152（以下簡稱14152）綜放工作面位于太行山脈西側(cè)，煤層頂板到地面的垂直厚度約為180～152 m，井下與地面相較于基礎(chǔ)面標(biāo)高分別為739～809 m、919～968 m，地面無水體、建筑等，均為植被覆蓋區(qū)與耕種區(qū)。14152 工作面南側(cè)為運輸巷道，北側(cè)為安全煤柱，東側(cè)采空區(qū)，西側(cè)為基礎(chǔ)工作面。該工作面長為302.7 m，區(qū)段運輸平巷長1 235 m，區(qū)段回風(fēng)平巷可采長度1 209 m，15 號煤層平均長度為1 222 m，平均煤層厚度為3.0 m，夾矸總厚度為0.34 m；最低傾角為2°，最高傾角7°，煤層平均傾角3°，煤層頂部部分區(qū)域存在溶洞及破碎現(xiàn)象，已探明可采煤炭儲量約209 萬t。14153 工作面回風(fēng)平巷斷面為4 m×3.5 m 的矩形，方位角92°，巷道掘進作業(yè)中每間隔150 m 布設(shè)一個規(guī)格為4 m×4 m×3 m的鉆場。14153 工作面回風(fēng)平巷與14152 工作面運輸平巷兩巷道之間凈煤柱約20 m。該工作面頂板、底板圍巖情況見表1。

表1 某煤礦14152 工作面圍巖情況表

1.2 水文情況

14152 工作面地表為荒山、荒溝、荒丘等地貌特征，無水體存在，平均厚度約為168 m。進入雨季后，因地面持續(xù)積水滲水，同時采空區(qū)雨水積聚，導(dǎo)致15號煤層上部含水層富水性加強，出現(xiàn)部分煤層老頂K2 灰?guī)r富水情況，礦井水文地質(zhì)條件中等（受采掘破壞或影響的孔隙裂隙，溶隙含水層補給條件一般，且有一定的補給水源）[3]。預(yù)計該工作面正常水流量為3 m3/h。

2 礦井涌水量預(yù)測與分析

常用的礦井涌水量預(yù)測方法有富水系數(shù)比擬法、垂直滲流-側(cè)向徑流法、地下水?dāng)?shù)值模型法、灰色系統(tǒng)理論、時序分析法等，目前富水系數(shù)比擬法研究進展迅速，且預(yù)測準(zhǔn)確率高[4-5]。本文結(jié)合14152 工作面冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶測量參數(shù)，利用富水系數(shù)比擬法對該礦井涌水量進行預(yù)測分析。

2.1 導(dǎo)水裂隙帶與冒落帶觀測方案設(shè)計

根據(jù)14152 工作面現(xiàn)場實際條件以及此次觀測的時間要求，確定導(dǎo)水裂隙帶高度觀測點設(shè)置在該工作面附近14153 工作面回風(fēng)平巷中。

2.1.1 導(dǎo)水裂隙帶觀測孔

14152 工作面15 號煤層平均厚度3 m，根據(jù)現(xiàn)場分析，在14153 工作面回風(fēng)平巷觀測點設(shè)置了2 個導(dǎo)水裂隙帶，在實際觀測中，必須嚴(yán)格控制觀測流速和精確度；通過對鉆孔觀測數(shù)據(jù)分析，可以計算出導(dǎo)水裂隙帶高度。如果所觀察到的數(shù)據(jù)錯誤或誤差較大，則必須重新觀測。

2.1.2 導(dǎo)水裂隙帶對比孔

若已布設(shè)的導(dǎo)水裂隙帶觀測孔獲取的觀測數(shù)據(jù)無法反映出其發(fā)育高度，則應(yīng)在尚未掘進的位置重新設(shè)置觀測孔洞，作為導(dǎo)水裂隙帶觀測對比孔。最后，結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶觀測孔與對比孔數(shù)據(jù)，可推算得出較為準(zhǔn)確的導(dǎo)水裂隙帶高度。

2.1.3 冒落帶觀測孔

沿14153 工作面回風(fēng)平巷到14152 工作面鉆冒落帶觀測孔2 個，要求兩孔傾斜。因鉆孔需要穿越14152 工作面采空區(qū)上部的破碎巖層，所以在完成鉆孔后需用高壓水沖孔，并在鉆具撤離后盡快開展觀測工作，以避免出現(xiàn)破裂的巖體和不規(guī)則孔壁對觀測造成影響。在鉆井過程中，對鉆機的卡鉆、鉆速等也需進行詳細(xì)的記錄。

導(dǎo)水裂隙帶觀測孔、對比孔與冒落帶觀測孔相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 14153 工作面導(dǎo)水裂隙帶與冒落帶觀測孔參數(shù)表

導(dǎo)水裂隙帶觀測孔、對比孔與冒落帶觀測孔布設(shè)刨面示意圖如圖1 所示。

圖1 14153 工作面導(dǎo)水裂隙帶與冒落帶觀測孔布設(shè)刨面圖

2.2 觀測結(jié)果分析

將觀測孔觀測數(shù)據(jù)通過GMS 軟件分析可得，該導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為41.99 m，因該工作面15 號煤層平均厚度3 m，計算可知裂采比為13.99。對冒落帶高度觀測兩鉆孔（4 號鉆孔與5 號鉆孔）孔壁微觀分析，發(fā)現(xiàn)兩鉆孔中巖層都存在著明顯的斷裂分區(qū)，并且兩個鉆孔的斷裂區(qū)域?qū)Ρ让黠@。根據(jù)冒落帶高度觀測兩鉆孔全長測段孔壁裂隙分布，計算得出冒落帶上部邊界分別為4 號鉆孔孔深35.7 m，5 號鉆孔孔深30.3 m。結(jié)合現(xiàn)場測量鉆孔軌跡，兩鉆孔實際傾角為：4 號鉆孔21.83°，5 號鉆孔27.42°。計算可得14152工作面兩鉆孔冒落帶距煤層垂直距離：H4=35.7 m×sin21.83°=13.28 m，H5=30.3 m×sin27.42°=13.95 m。

由上述計算結(jié)果可知，冒落帶發(fā)育高度實際值約為13.95 m。

結(jié)合上述14152 工作面冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果，利用水文地質(zhì)比擬法進行涌水量預(yù)測計算：

式中：Q 為礦井涌水量；P 為同時期內(nèi)礦井開采量，Kp為裂采比擬系數(shù)。

計算可得結(jié)論：該煤礦14152 工作面正常生產(chǎn)情況下，15 號煤層產(chǎn)量為每小時90 萬t，此時礦井平均涌水量預(yù)測值為10.13 m3/h，最大涌水量預(yù)測值為12.96 m3/h。

3 礦井防治水建議

通過對14152 工作面冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶觀測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合礦井涌水量的預(yù)測結(jié)果，提出下列防治水措施保障該工作面安全生產(chǎn)：

1）加強地面監(jiān)測，并安排專業(yè)人員及時對塌陷裂縫特別是溝壑內(nèi)裂隙進行填充，防止地表積水滲入。

2）定期開展礦井及周圍區(qū)域內(nèi)采空區(qū)積水調(diào)查與治理工作。

3）配備符合工作要求的防治水技術(shù)人員并配置專業(yè)探放水設(shè)備，加強培訓(xùn)，提高其防治水技術(shù)水平。嚴(yán)格落實“有掘必探、先探后掘”原則，堅持掘進作業(yè)前進行探放水，防止透水事故發(fā)生。嚴(yán)格按照礦井設(shè)計留設(shè)防水煤柱。

4）對主排水系統(tǒng)、抗災(zāi)排水系統(tǒng)和工作面排水系統(tǒng)進行定期維護，確保排水作業(yè)可以正常進行。用于排水的電力輸送線路，也須定期進行檢修。

5）礦方應(yīng)按照應(yīng)急管理部2022 年《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)要求，對該煤礦14152 工作面15 號煤層因開采產(chǎn)生對導(dǎo)水裂隙帶高度開展實測。同時應(yīng)制定水災(zāi)事故應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié)語

含水層、老窖水以及采空區(qū)積水等水源對煤礦安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。根據(jù)統(tǒng)計表明，在煤礦井下水災(zāi)害事故發(fā)生頻率僅低于瓦斯爆炸與頂板塌陷事故，而因水災(zāi)害事故導(dǎo)致的傷亡人數(shù)大于瓦斯或頂板事故。本文對某煤礦14152 工作面導(dǎo)水裂隙帶與冒落帶相關(guān)數(shù)據(jù)進行實測，預(yù)測涌水量并針對該煤礦實際提出防治水建議，對綜采工作面安全生產(chǎn)具有重要意義。