劉超林，李江華，樊少武，于廣龍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083;2.保利能源控股有限公司高家莊煤礦，山西中陽(yáng)033400;3.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013)

隨著煤礦開(kāi)采深度、速度及規(guī)模的增加和擴(kuò)大，礦井突水問(wèn)題日益嚴(yán)重。礦井水害給企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也給生產(chǎn)安全帶來(lái)了很大威脅，嚴(yán)重地影響工程進(jìn)度［1－2］。因此，查清礦井水文地質(zhì)條件、分析煤礦突水原因，采取合理有效的治理方案成為確保煤炭安全開(kāi)采的關(guān)鍵。

1 井田概況

國(guó)強(qiáng)煤礦井田東西寬1.78km，南北長(zhǎng)2.80km，批準(zhǔn)開(kāi)采4－1，9，11號(hào)煤層。

井田為簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育有寬緩的向背斜。地層總體走向?yàn)楸睎|，傾向南東，地層傾角2～10°。井田中各溝谷平時(shí)基本干枯無(wú)水，只有雨季才有洪水流向季節(jié)性河流馬關(guān)河。

4－1號(hào)煤頂板含水層有第四系沖積層孔隙含水層、二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖裂隙含水層組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖裂隙含水層組、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層及石炭系上統(tǒng)太原組層間砂巖裂隙含水層;煤層底板僅有奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該礦現(xiàn)開(kāi)采4－1號(hào)煤層，其直接充水含水層為山西組砂巖風(fēng)化裂隙含水層，屬弱富水性。據(jù)該礦開(kāi)采情況，礦井正常涌水量為230m3/d，4－1號(hào)煤層井下正常涌水量為86m3/d，最小為38m3/d，最大為146m3/d。

2 涌水巷道基本情況及涌水過(guò)程

2.1 巷道基本情況

回風(fēng)大巷位于4－1號(hào)煤層當(dāng)中，沿煤層底板布置，巷道標(biāo)高+910m?；仫L(fēng)大巷距運(yùn)輸大巷中對(duì)中33m，掘進(jìn)長(zhǎng)度比運(yùn)輸大巷超前72m。

回風(fēng)大巷斷面形狀為矩形，凈高2.6m，凈寬4m，凈面積10.4m2。支護(hù)型式為錨梁網(wǎng)支護(hù)，錨桿型式為樹(shù)脂錨桿，直徑18mm，長(zhǎng)2m，矩形排列，間排距均為0.9m。頂板布設(shè)5根錨桿，中部3根以垂直巷道頂板方向打入，外側(cè)2根以與垂直方向30°夾角打入巷道頂板;兩幫壁各布設(shè)3根錨桿，垂直側(cè)幫方向。每隔3m施工1根錨索，錨索長(zhǎng)度6.3m。四煤回風(fēng)大巷斷面特征示意見(jiàn)圖1。

圖1 四煤回風(fēng)大巷斷面特征

2.2 涌水過(guò)程

2010年12月20日4－1煤回風(fēng)大巷綜掘工作面涌水量增大，進(jìn)行工作面超前鉆探26m(13根鉆桿)處疑似見(jiàn)空，鉆孔內(nèi)水壓將探水鉆桿頂出鉆孔5m，出水噴射1.3m。通過(guò)取芯勘探，發(fā)現(xiàn)無(wú)煤區(qū)域，初步判斷為陷落柱構(gòu)造。截止到2011年1月1日，工作面累計(jì)涌出水量5800m3，涌水量基本穩(wěn)定在40m3/h左右。

1月6日、26日在回風(fēng)大巷完成2次探放水，共布置探水鉆孔8個(gè)，均探到了水體界面，累計(jì)鉆孔長(zhǎng)度220m。各鉆孔鉆進(jìn)至水體界面時(shí)均發(fā)生頂鉆現(xiàn)象，且推力較大，孔內(nèi)時(shí)而伴有煤爆聲，工作面涌水量在60m3/h左右。期間回風(fēng)大巷累計(jì)排出水量約5.5×104m3，工作面出水量無(wú)明顯減小趨勢(shì)，推斷工作面前方積水量很大，且有水源補(bǔ)給的可能。

2月25日中班對(duì)8號(hào)探水鉆孔進(jìn)行疏通，當(dāng)鉆進(jìn)至出水點(diǎn)時(shí)，孔內(nèi)噴出泥巖大塊，伴隨巨大聲響，同時(shí)鉆孔突水，水量巨大。22點(diǎn)40分回風(fēng)大巷被淹110m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定出水量在480m3/h左右，水壓約為1.3MPa。

3 水質(zhì)化驗(yàn)

處于不同水文地質(zhì)條件中的地下水，其化學(xué)成分在構(gòu)成與含量上都有差別。因而，分析、研究地下水的化學(xué)特征和分布規(guī)律有助于分析地下水的賦存、補(bǔ)給、徑流和排泄條件，對(duì)查明井下突水水源、進(jìn)而預(yù)測(cè)并有效防治水害提供依據(jù)［3］。

為了查清涌水水源，國(guó)強(qiáng)煤礦于回風(fēng)大巷涌水處采集水樣，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 回風(fēng)大巷水質(zhì)分析

由表1可知，回風(fēng)大巷的Ca2+，Mg2+的含量為14.5%，K+，Na+為85.4%，其中 Na+為84.7%，HCO3－含量為52.1%。通過(guò)比對(duì)膠帶大巷頂板水和第四系砂礫層水源井水的水質(zhì)，并結(jié)合礦井水文地質(zhì)充水含水層的賦存情況，判斷涌水水源為底板奧灰水。

4 瞬變電磁探測(cè)

參照回風(fēng)大巷和運(yùn)輸大巷探測(cè)成果與工作面涌水情況，根據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料，結(jié)合本次實(shí)測(cè)的巖層視電阻率分布特點(diǎn)，一般把巖層含水性與電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系分為5個(gè)級(jí)別:視電阻率小于2Ω·m為含水性非常強(qiáng);視電阻率大于2Ω·m，小于7.5Ω·m為含水性較強(qiáng);視電阻率大于7.5Ω·m，小于25Ω·m為含水性中等;視電阻率大于25Ω·m，小于50Ω·m為含水性弱;視電阻率大于50Ω·m為基本不含水。

視電阻率大于25Ω·m的巖層含水性弱或者基本不含水，巖層完整性較好;視電阻率小于25Ω·m的巖層含水性中等到強(qiáng)，或者巖層完整性差形成了導(dǎo)水裂隙。

圖2為+920m標(biāo)高的水平切片圖。從圖中可以看到3處低阻異常。異常1推斷由巷道充水所致。異常2區(qū)域推斷為導(dǎo)水裂縫帶。異常3區(qū)域含水性較強(qiáng)，推斷為奧灰水經(jīng)由異常2區(qū)域或其他通道進(jìn)入此區(qū)域。異常2區(qū)域的范圍大致在橫向120～200m之間，縱向70～140m之間，范圍為80m×70m。

圖2 +920m標(biāo)高水平切片

圖3是視電阻率值為25Ω·m的等值曲面及俯視圖。在圖上坐標(biāo)所示范圍內(nèi)，上下兩曲面之間的視電阻率值都大于25Ω·m;此范圍外的視電阻率值都小于25Ω·m。俯視圖中有2個(gè)明顯的低阻異常 (從圖中所看到的2個(gè)洞)。左側(cè)異常的范圍較小，推測(cè)由巷道積水所引起;右側(cè)的范圍較大，推測(cè)為構(gòu)造形成的導(dǎo)水通道。

5 涌水治理方案

根據(jù)回風(fēng)巷道鉆探及鉆孔噴出物情況，再通過(guò)對(duì)涌水的水質(zhì)分析化驗(yàn)及瞬變電磁法探測(cè)的綜合分析，掘進(jìn)工作面遇到了陷落柱地質(zhì)構(gòu)造，該構(gòu)造導(dǎo)通了下伏奧灰含水層。結(jié)合目前巷道涌水、排水情況，制定了以下2種巷道涌水注漿治理方案［4］。

5.1 追水注漿治理

圖3 視電阻率值為25Ω·m等值曲面及俯視

增加排水能力，追水至涌水工作面［5］，在離涌水工作面2～3m位置，砌筑防水閘墻，并安裝孔口閥門(mén)，為后續(xù)注漿施工做好準(zhǔn)備。以新砌防水閘墻為基礎(chǔ)，向涌水的地質(zhì)構(gòu)造打鉆，并向出水的地質(zhì)構(gòu)造含水體注漿。施工示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 追水注漿治理施工

該方法在含水體附近施工，治理用時(shí)短;可采用能夠精確控制膠凝時(shí)間的水泥－水玻璃雙液漿或化學(xué)漿液，節(jié)省漿液用量。但巷道內(nèi)注漿施工時(shí)，鉆孔布置和注漿壓力受到一定程度的限制，且在涌水點(diǎn)附近，承壓較高，施工質(zhì)量要求較高。

5.2 地面鉆孔注漿治理

在回風(fēng)上山和回風(fēng)巷內(nèi)砌筑防水閘墻，變動(dòng)水為靜水。在離出水點(diǎn)10～30m位置，通過(guò)地面打孔，打穿回風(fēng)大巷，下入套管，先向巷道內(nèi)投入砂子埋住掘進(jìn)機(jī)，再下入骨料或灌注混凝土，最后采用漿液將剩余空隙充填完整，切斷涌水，在地面對(duì)地質(zhì)構(gòu)造含水體鉆孔注漿［6］，達(dá)到堵水目的。

該方法在地面施工不受空間限制，機(jī)械設(shè)備能力能夠保證。鉆孔可根據(jù)實(shí)際情況布置，注漿壓力大，漿液擴(kuò)散加固范圍大，能夠有效充填含水體。但是由于地面標(biāo)高約為1219m，巷道標(biāo)高約910m，每個(gè)鉆孔深約360m，施工需下入套管等多重工序，孔數(shù)多，工程量大，工期長(zhǎng)，占用地面面積大，故施工成本高，地面鉆孔注漿治理方案示意見(jiàn)圖5。

圖5 地面鉆孔注漿治理方案

6 結(jié)論

通過(guò)工作面鉆探、出水水質(zhì)化驗(yàn)及瞬變電磁探測(cè)等手段的判定，綜合分析認(rèn)為回風(fēng)大巷出水是由于陷落柱構(gòu)造導(dǎo)通下部奧灰水導(dǎo)致的巷道涌水。根據(jù)目前涌水量并結(jié)合礦井排水能力，提出追水注漿治理和地面打孔注漿治理2種涌水治理方案。

(1)當(dāng)巷道追水情況理想時(shí)，追水注漿治理方案相比地面鉆孔注漿治理方案的施工治理周期短，可優(yōu)先選用此方案。

(2)當(dāng)巷道追水情況不理想時(shí)，合理優(yōu)化地面鉆孔注漿治理方案的施工工期、施工成本以及施工效果等方面后，可采用地面鉆孔注漿治理方案。

［1］崔祥琨，郭盛彬，宋 旭.淺談礦井突水原因及其防治 ［J］.科技資訊，2009(17):134.

［2］國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.中國(guó)煤礦水害防治技術(shù) ［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

［3］佟鳳健，郭愛(ài)民，孟新華，等.用水化學(xué)分析法判別井下突水水源［J］.煤礦開(kāi)采，1999(4).

［4］張國(guó)中.礦井水災(zāi)防治中探水與透水事故處理的幾個(gè)問(wèn)題［J］.煤炭技術(shù)，2002，21(8):35－36.

［5］張周權(quán)，汪善好.高溫斜巷追水技術(shù)的實(shí)踐［J］.能源技術(shù)與管理，2005(6):29－31.

［6］王 強(qiáng).常德青峰煤礦地面鉆孔注漿堵水實(shí)踐［J］.探礦工程，2011，38(10):63－65.