林培軍

(霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

1 前言

煤礦水害對煤礦企業(yè)的生產、采掘工作和礦井安全具有消極的影響，不僅會增加采煤成本，也可能使礦井局部或全部被淹沒。我國煤礦水害事故非常嚴重，僅次于瓦斯和火災事故。因此，本文以山西翼城首旺煤業(yè)有限責任公司為例，對煤層底板構造水害防治進行研究，總結出一套合適的水害防治工作方法。

2 首旺煤業(yè)井田基本情況

2.1 礦井概況

首旺煤業(yè)井田為單獨保留礦井，由原山西牢寨煤業(yè)有限責任公司向北擴界而成。首旺煤業(yè)采用斜井開拓方式，井田一共有5個井筒，現(xiàn)正在使用的有主斜井、副斜井、行人斜井和牢寨村回風立井，回風斜井已封閉。

2.2 井田構造

首旺煤業(yè)井田內斷裂構造較發(fā)育、分布較廣。目前，井田內共發(fā)現(xiàn)斷層20條，且均為正斷層，斷層斷距為2～200m不等，長度為89～5 689m不等；井田內陷落柱1個，在2號煤層中的長軸為100m，短軸為20m。井田內斷層、陷落柱構造分布見圖1。

3 底板水及構造水害評價

首旺煤業(yè)2號煤層底板水為太灰水和奧灰水，構造水主要為斷層含水或導水。

圖1 井田斷層、陷落柱構造分布示意圖

3.1 太灰和奧灰水文地質條件

3.1.1 太灰水文地質條件

太灰含水層(K2、K3、K4)為2號煤層底板間接充水含水層。井田受斷層構造控制，奧灰水通過斷層向太灰含水層補給，因此井田內太灰水位與奧灰水位標高基本一致。根據(jù)水文地質資料，井田內太灰水位標高為+599～+606m，2號煤層底板標高為+373～+740m，大部分區(qū)域太灰水位標高遠高于2號煤層底板標高，2號煤層存在太灰水帶壓開采。

2號煤層曾施工3個鉆孔，對太灰含水層水文參數(shù)進行了觀測，觀測結果如表1所示。從表1中可以看出，太灰含水層屬于中等～極強富水性含水層(采用表中SDZK3-1、SDZK3-2鉆孔觀測結果)。

根據(jù)物探勘查結果，太灰K2、K3含水層和K4含水層富水性分布如圖2和圖3所示，對比兩圖中的含水層富水性分布發(fā)現(xiàn)，勘查區(qū)內的西南和北部區(qū)域的K2、K3含水層和K4含水層富水性分布對應較好。因此，K2、K3、K4含水層可能通過斷層存在一定的水力聯(lián)系。

表1 井下鉆孔太灰水觀測結果表

圖2 勘查區(qū)內K2、K3富水性分布示意圖

圖3 勘查區(qū)內K4富水性分布示意圖

3.1.2 奧灰水文地質條件

奧灰水為2號煤層間接充水含水層。井田內奧灰水位標高為+592～+602m，2號煤層底板標高為+373～+740m，大部分區(qū)域2號煤層存在奧灰水帶壓開采。

根據(jù)SDZKO2-1號專門探測奧灰含水層水文觀測孔(開孔層位為2號煤層地板)資料，孔深190.95m，揭露奧灰?guī)r層段107.5～190.95m，揭露厚度83.45m，揭露層位為O2f，奧灰水位標高為+599.32m，單位涌水量為0.394L/s·m，水質屬于HCO3·SO4- Ca·Mg型水，礦化度766mg/L，富水性屬中等。

根據(jù)物探勘查結果，奧灰頂以下50m和奧灰頂界面的富水性分布如圖4和圖5所示，對比兩圖中的含水層富水性分布發(fā)現(xiàn)，除勘查區(qū)內東南部區(qū)域外，其他區(qū)域的富水性分布對應較好。因此，奧灰含水層內部水力聯(lián)系較好，巖溶裂隙較為發(fā)育。

圖4 奧灰頂以下50m富水性分布示意圖

圖5 奧灰頂界面富水性分布示意圖

另外，根據(jù)太灰、奧灰含水層富水性分布情況以及礦山提供的太灰、奧灰含水層動態(tài)監(jiān)測資料分析，礦井內太灰含水層與奧灰含水層通過斷層等導水構造存在一定的水力聯(lián)系。

3.2 斷層和陷落柱含/導水性評價

根據(jù)物探勘查結果，F(xiàn)X1斷層和NFX1斷層從2號煤層至奧灰?guī)r地層段推斷為含/導水，見圖6，其中FX1斷層含/導水性較差；DF3斷層存在一定的含水性，且可能存在一定導水性。

圖6 斷層在CSAMT斷面中反映特征

根據(jù)物探勘查成果，推斷勘查區(qū)內的斷層局部均存在一定的含水性，且導水的可能性較大，見表2。

從勘查區(qū)內斷層的含水性與導水性情況來看，勘查區(qū)外的斷層很可能局部含水和導水。由于煤層采動可能使某些斷層“活化”，導水性增強，在進行2號煤層采掘時，極有可能與太灰、奧灰含水層導通而產生突水。因此，在斷層附近伴生構造發(fā)育地段，應根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》留設防隔水煤(巖)柱，以防構造導水，并在開采過程中注意加強監(jiān)測。

3.3 太灰水和奧灰水及構造水害評價

太灰水、奧灰水突水危險性評價主要根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四突水系數(shù)進行評價，突水系數(shù)計算公式如下：

式中：M——底板隔水層厚度，m；

P——安全水壓，MPa；

Ts——臨界突水系數(shù)，MPa/m。

Ts值應當根據(jù)本區(qū)資料確定，一般情況下，在具有構造破壞的地段按0.06MPa/m計算，隔水層完整無斷裂破壞地段按0.1MPa/m計算。本井田為有構造破壞的地段，按0.06MPa/m計算。

3.3.1 太灰?guī)和凰u價

經計算，2號煤層底板太灰?guī)和凰禂?shù)為0～0.06MPa/m，各鉆孔2號煤層底板太灰?guī)和凰禂?shù)計算值見表3。由表3繪制的井田突水系數(shù)等值線如圖7所示。

從表3和圖7可以看出，在L- 7、L- 21、L- 23、L- 24、L- 26、L- 27、L- 28、L- 30、L- 31、L- 32、L- 42、L- 43鉆孔一帶，突水系數(shù)小于0.06MPa/m，因此一般情況下可以安全開采，但由于地質構造差異性，局部地段不排除有突水的可能。在L- 1、L- 25鉆孔一帶，突水系數(shù)大于等于0.06MPa/m，以及在有斷層、陷落柱等導水構造存在的區(qū)域，可能引發(fā)工作面突水。

表2 勘查區(qū)內斷層性質及含/導水性分析

圖7 2號煤層底板太灰?guī)和凰禂?shù)等值線分布圖

未來規(guī)劃的2203工作面～2211工作面太灰突水系數(shù)為0.005～0.057MPa/m，各個工作面的突水系數(shù)均小于0.06MPa/m，正常地段受太灰水的威脅相對較小，但2208工作面～2211工作面附近有斷層、陷落柱等導水構造存在，可能存在突水危險。

3.3.2 奧灰?guī)和凰u價

經計算，2號煤層底板奧灰?guī)和凰禂?shù)為0～0.027MPa/m，各鉆孔2號煤層底板奧灰?guī)和凰禂?shù)計算值見表4。由表4繪制的井田突水系數(shù)等值線如圖8所示。

表4 2號煤層底板奧灰水隔水層突水系數(shù)計算表

圖8 2號煤層底板奧灰突水系數(shù)等值線圖

從表4和圖8可以看出，未來規(guī)劃的2203工作面～2211工作面奧灰突水系數(shù)為0.008～0.023MPa/m，各個工作面的突水系數(shù)均小于0.06MPa/m，正常地段受奧灰水的威脅較小，正常情況下無奧灰水突水危險，但2208工作面～2211工作面附近有斷層、陷落柱等導水構造存在，可能存在突水危險。

3.3.3 突水危險區(qū)劃分

根據(jù)2號煤層底板太灰、奧灰?guī)和凰u價結果，結合井田內斷層、陷落柱構造分布情況，對2號煤層底板太灰、奧灰突水危險區(qū)進行劃分?？紤]到井田四周均為大斷層(正斷層)，伴生構造發(fā)育，故將斷層100m范圍內劃定為突水危險區(qū)。另外，鉆孔L- 1和L- 25附近一帶突水系數(shù)大于0.06MPa/m，存在突水威脅，也劃定為突水危險區(qū)。

3.3.4 掘進巷道底板隔水層安全評價

掘進巷道底板隔水層安全評價根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四安全隔水層計算公式：

式中：t——安全隔水層厚度，m；

L——巷道底板寬度，m；

γ——底板隔水層的平均重度，MN/m3；

Kp——底板隔水層的平均抗拉強度，MPa；

p——底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。

根據(jù)2號煤層工作面規(guī)劃布置，巷道底板寬度為3.0～3.6m，結合已有的《山西翼城首旺煤業(yè)有限責任公司礦井2號煤層承壓開采設計說明書》，且從安全角度考慮，巷道底板寬度取4m。因相關地質資料缺乏，底板隔水層的平均重度、平均抗拉強度、底板隔水層承受的水頭壓力等參數(shù)均取自《山西翼城首旺煤業(yè)有限責任公司礦井2號煤層承壓開采設計說明書》。底板隔水層的平均重度γ取值為0.025 7MN/m3，底板隔水層的平均抗拉強度Kp取值為0.90MPa。2號煤層太灰、奧灰水帶壓掘進巷道底板隔水層安全評價結果見表3和表4。

由表3和表4可知，根據(jù)2號煤層太灰、奧灰水帶壓掘進巷道底板隔水層安全評價結果，在正常地段進行巷道掘進時，受奧灰水、太灰水的影響較小，但在斷層構造破壞地段有突水威脅，應采取防治措施。

4 結語

煤礦水害防治工程是一項長期系統(tǒng)的工程，對煤礦底板水及構造水害要進行科學的評價，才能提出有針對性的措施和建議。煤礦水害的預防必須做到“防、排、探、放、疏、截、堵”，加強井上井下防水設施建設，井下排水設施建設，增強排水能力，促進井巷探水，要深入研究和分析老空區(qū)積水、可疑水源，對其及時放水或者超前放出頂板水，疏水降壓或疏干有害含水層，對有害水源要留設各種防水煤柱將其進行隔阻，并通過加固裂隙帶對水口進行圍堵，綜合采取多種手段和措施做好水害治理工作。

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