聚德煤矿8＃煤层顶板淋水探测与治理研究＊

李 强 付玉平

（1.吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心，山西省吕梁市，033000；2.太原科技大学环境与安全学院，山西省太原市，030024）

聚德煤矿8＃煤层顶板淋水探测与治理研究＊

李 强1付玉平2

（1.吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心，山西省吕梁市，033000；2.太原科技大学环境与安全学院，山西省太原市，030024）

针对山西柳林聚德煤业在8＃煤层大巷开拓掘进过程中遇到的石炭系上统太原组L1灰岩岩溶裂隙含水层顶板水害隐患，采用瞬变电磁探测方法进行连续超前探测，以查清8＃煤层掘进工作面方向与煤层呈45°夹角区域的富水区分布情况。经过实践验证，该方法有效解决了开拓掘进中由于顶板淋水大而影响矿井开拓进度的问题。

水害治理 开拓掘进 瞬变电磁探测 顶板淋水

1 矿井概况

山西柳林宏盛聚德煤业有限公司为兼并重组煤矿，其拟开采的8＃煤层赋存于石炭系上统太原组中下部L1石灰岩之下，上距5＃煤层平均距离49.80m，下距9＃煤层11.74m。煤层厚度0～3.60m，平均2.56m，含0～2层夹矸，夹矸厚度为0.15～0.51m，岩性为泥岩或炭质泥岩，煤层结构简单。该煤层在井田东南部有小面积被剥蚀，总体上煤层稳定，赋煤区绝大部分可采。煤层顶板为灰岩，底板大多为泥岩、砂质泥岩，局部为泥质砂岩、炭质泥岩或细砂岩。8＃煤层掘进工作面为沿煤层施工的全煤巷道。

该矿地处吕梁山系，为典型的黄土高原地貌，地表切割强烈，地势总体南东高北西低，地表无常年性水体和常年性河流通过，因而8＃煤层受地表水影响不大。该井田内主要的煤系地层含水层为山西组砂岩裂隙含水层、太原组灰岩岩溶裂隙含水层和煤系地层下伏的奥陶系灰岩岩溶含水层等。其中太原组含水层主要为灰岩岩溶裂隙含水层，根据钻孔资料，该含水层裂隙发育，富水性中等。而8＃煤层顶板即为L1灰岩。所以，太原组灰岩岩溶水对8＃煤层开采影响较大。在实际掘进过程中，掘进面最大淋头水水量达到30～40m3／h，导致工作面无法连续施工，在开掘5m左右必须等2～3天工作面淋水衰减致5m3／h以下时方可继续施工作业，严重制约了矿井的建设进度。

2 水文地质因素及含水层分析

煤层开采时，水害一般来自三套含水系统。综合分析该矿水文地质类型划分报告及矿井施工中实际揭露的地质与水文地质资料后认为，当前影响8＃煤层掘进巷道施工安全的主要水文地质因素有以下几种。

2.1 石炭系上统太原组L1灰岩岩溶裂隙含水层

太原组含水层主要由4～5层石灰岩组成，总厚度平均为19.44m。岩溶裂隙发育，钻孔探测发现岩芯中多见有5～15mm的溶孔。分析ZK1孔抽水试验结果后发现，太原组含水层单位涌水量0.409L／s·m，渗透系数为2.111m／d，水位标高816.74m，水质为SO4·HCO3－Na·Mg·Ca型，矿化度0.968g／L，属中等富水性。

该含水层为8＃煤层的直接水害隐患，在进行采掘工作时，可能产生顶板淋水、涌水现象，涌水量为5～60m3／h，直接影响采掘工程的安全。

2.2 奥陶系灰岩岩溶含水层

奥陶系地层在该矿井田内全部覆盖，厚度为42.80m，岩性为青灰色、灰－深灰色石灰岩，裂隙较发育。单位涌水量最大为0.46L／s·m，渗透系数为1.97m／d，含水层富水性中等。水质类型以HCO3－Ca·Na、HCO3－Ca·Mg和HCO3·SO4－Ca·Na型为主。

经勘查，井田内奥灰水位标高为800～802m，5＃煤层可采区域最低底板等高线标高为490m，8＃煤层底板距奥灰顶面为74m。

根据奥灰水突水系数计算公式：

式中：K——突水系数，MPa／m；

P——底板隔水层承受的静水压力，MPa；

M——隔水层有效厚度，m；

经计算，8＃煤层的最大突水系数为：

由计算可知，8＃煤层可采范围内最大突水系数为0.0511MPa／m，小于受构造破坏块段突水的临界值0.06MPa／m。因此，在正常情况下，开采8＃煤层时不受奥灰水影响。但由于8＃煤层全部位于奥灰水承压带内，带压0.3～3.0MPa，不能排除隐伏构造或陷落柱导通奥灰水的可能，成为影响采掘安全的最大间接隐患。

2.3 矿井采空区水害

矿井整合前上覆4＃煤层大部已开采，5＃煤层可能局部开采。8＃煤层上距5＃煤层约50m。5＃煤层下部存在一赋存稳定的山西组隔水层，4＃、5＃煤层采空区对8＃煤层的水文地质条件基本无影响。

同时由于井田内8＃煤层基本无开采，不排除有开采资料不详的可能，因此在实际开拓中要采取探放水措施以确保安全。

2.4 地质构造的影响

井田总体上呈一较平缓的单斜构造，井田南部受聚财塔地堑的影响，地层略有抬升，南部边界附近有一条正断层，落差15m，为聚财塔地堑次一级断层。目前，本井田已揭露陷落柱4个，长轴80～300m，短轴60～130m，对8＃煤层的采掘工程进度带来了严重影响和水害威胁，因此，在8＃煤层的采掘工作中应加强对陷落柱的探测工作。

2.5 封闭不良钻孔、深水井及老窑井筒的水害威胁

对于井田内存在的勘探钻孔，整合前的地面深水井、原矿井井筒等，在8＃煤层采掘前应加强对相应区域钻孔、深水井和采空区井筒封闭情况的调查和治理工作。

综上所述，众多水文地质因素中，石炭系上统太原组L1灰岩岩溶裂隙含水层为8＃煤层的直接水害隐患，直接影响采掘工程的安全；奥陶系灰岩岩溶含水层突水系数小于受构造破坏块段突水的临界值，正常开采8＃煤层时不受奥灰水影响，但由于8＃煤层全部位于奥灰水承压带内，故不能排除隐伏构造或陷落柱导通奥灰水的可能；同时，矿井地质构造和封闭不良钻孔、深水井及老窑井筒对掘进工作的影响同样不可忽视。

3 矿井水患的超前探测方案

针对该矿在煤层掘进中遇到的水害危胁，在8＃煤层掘进过程中，采用瞬变电磁探测方法进行连续超前探测，以查清8＃煤层掘进工作面方向与煤层呈45°夹角区域的富水区分布情况。测线布置见图1。

图1 8＃煤层掘进头探测方案示意图

钻探探测方案的设计分为物探探测前方无异常和物探探测前方有异常两种情况。

图2 8＃煤层掘进巷道掘进面钻场的探孔布置示意图

当物探前方无异常时，根据8＃煤层充水因素分析，直接水害隐患是顶板L1灰岩岩溶裂隙水，最大间接隐患为奥灰水（包括其他导水地质构造、导水陷落柱、地下暗河等导通奥灰水）。因而在8＃煤层掘进工作面及行人侧开设钻场，在8＃煤层布置5个超前钻孔，采用KLJ－2350型和ZYD－2000S型探水钻机各1台同时进行钻探，以探测8＃煤层赋水、采掘、地质构造及其他隐伏地质体情况。钻孔孔深150m，控制帮距20m，超前距30m，允许掘进120m。在顶板淋水区域对前上方顶板L1灰岩岩溶水进行疏放，设计疏放水孔2个。在煤层底板沿巷道掘进方向设计2个探测孔，以探测前方隐伏构造，包括陷落柱与奥灰水的水力联系。掘进工作面钻场的探孔布置示意图见图2。

当物探前方存在异常区时，必须另外补充2～3个孔进行加密验证。

4 矿井水患的探放水设计

在工作面回采过程中，利用布置在工作面运输巷的钻场，向工作面施工超前疏放水钻孔，形成人为导水通道，在顶板采动裂隙中或砂岩含水层中截住水源，使顶板水从疏水钻孔中流出，经水沟或水泵排出工作面，从而达到顶板水治理目的。排水钻孔装置由孔口管、泄水测压三通、孔口水门和钻杆逆止阀等组成，见图3。

图3 探放水钻孔单孔设计和套管装置示意图

矿井探放水时，开孔孔径一般大于孔口管直径1～2级，钻至10.5m深度，将孔内冲洗干净。下入ø108mm地下套管，长度为10m，进行注浆。待孔口管周围水泥浆凝固72h后扫孔至孔底。扫孔后对孔口管进行耐压试验。试验压力为预计水压1.5倍并稳定30min，孔口管不松动、周围不漏水时为合格，否则重新再注浆固管打压，再做耐压试验直至合格。在节理裂隙发育、岩石松软或破碎并且无条件另选放水地点的区段，一般采用先注浆加固后，再安设孔口管的方法。

5 矿井水患治理效果考察

8＃煤层集中运输大巷2号探放水钻孔施工前后的顶板淋水量及钻孔水量见表1。

表1 8＃煤层集中运输大巷2号探放水钻孔施工前后淋水量分析表

由表1可知，在集中运输大巷未进行水患探测及治理之前，顶板淋水量始终在45m3／h以上，而在开展水患治理之后，大部分矿井水由探放水钻孔流出，顶板淋水显著减少，并始终维持在5m3／h以下，从而加快了矿井的建设进度。

［1］ 许光泉，桂和荣，张连福，李学富.矿井大型放水试验及其意义［J］.地下水，2002（4）

［2］ 李龙清，王永洪，刘金辉.京府八尺沟矿8－2煤层底板突水危险性分析［J］.中国煤炭，2010（12）

［3］ 杭远.煤矿顶板水砂灾害及防治对策［J］.西部探矿工程，2006（1）

［4］ 李家祥.原岩应力与煤层底板隔水层阻水能力的关系［J］.煤田地质与勘探，2000（4）

［5］ 魏久传，李白英.承压水上采煤安全性评价［J］.煤田地质与勘探，2000（4）

［6］ 刘友奎，邸伟，王四洋.新安煤矿3112工作面顶板砂岩水探测及评价［J］.科技资讯，2009（15）

［7］ 张光辉，吴鹏飞，王飞.大平矿超前疏放钻孔治理顶板水害实践［J］.中州煤炭，2010（1）

Research on detection control of roofwater leakage in No.8 coal seam in Jude Mine

Li Qiang1，Fu Yuping2
（1.Lvliang Coal Ventilation and Gas Control Center，Lvliang，Shanxi 033000，China；2.School of Environment and Safety，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Aimed at the hidden troubles of aquifer roof leakage through karst fissures of carboniferous Taiyuan group L1limestone during the excavation of No.8main roadway in Jude colliery in Liulin county of Shanxi province，the transient electromagnetic exploration method was carried out for continuously detection in advance to make a thorough investigation of water－riched area distribution in the zone within 100min the 180°direction having an included angle of 45°between coal seam and floor.Practice proved that this method effectively solved the problem of mine excavation progress affected by the roof water leakage，achieving safe and high efficient production.

water damage control，excavation，transient electromagnetic detection，roof water leakage

TD745

A

太原科技大学博士科研启动基金（20122006）

李强（1971－），男，山西交口人，大学本科，主要从事煤矿安全技术研究与管理方面的研究。

（责任编辑 梁子荣）