天祝煤矿3228工作面突水机理分析及水害防治

王 桦

(1.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013;2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013;3.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 100013)

天祝煤矿3228工作面于2012年7月28日开始回采，2012年8月2日因工作面发火停采，2012年10月15日恢复开采。3228工作面在回采过程中出现三次突水，均从工作面下隅角采空区流出。2012年12月4日，工作面回采121.0 m时，发生第一次突水。2012年12月19日，工作面回采194.0 m时，工作面无水。期间最大涌水量25.1 m3/h，平均涌水量 14.9 m3/h，共突水5721.6m3;2012年12月30日，工作面回采197.0m时，发生第二次突水。2013年1月14日，工作面回采199.0 m时，工作面无水。期间最大涌水量77.2 m3/h，平均涌水量 44.1 m3/h，共突水15876.0 m3;2013年1月26日，工作面回采238.5 m时，发生第三次突水，至2013年3月28日，水量基本稳定在26.0～30.0 m3/h(表1)。水害严重威胁3228工作面的安全生产，因此，有必要对突水水源及突水机理进行分析，采取科学的防治水措施，确保工作面安全生产。

表1 3228工作面出水情况表

1 井田概况

天祝煤矿位于甘肃省天祝藏族自治县炭山岭镇，在县城(华藏寺)西南约74km处，地理位置为东经 102°41'，北纬 36°54'。

根据钻探与井巷揭露资料，井田地层由老到新依次为:元古界前震旦系马衔山群(AnZmx)、元古界震旦系中统(Z2)、中生界侏罗系下统大西沟群(J1dx)、中生界侏罗系中统窑街组(J2y)、中生界侏罗系中统新河组(J2x)、中生界侏罗系上统苦水峡组(J3k)、中生界白垩系(K)、新生界第四系(Q)。其中中生界侏罗纪中统窑街组(J2y)为井田主要含煤地层。煤系地层走向一般为N10°～40°W，倾向 NE，倾角一般为9°～18°之间;含煤总层数为4层，平均总厚度为9.94 m，可采煤层2层:上层煤及中层煤，局部可采煤层1层(顶层煤)。

炭山岭地区属大陆性高山气候，平均降水量476.6 mm，年蒸发量为1548.5 mm，每年6～9月份为降雨期，10月至次年四月为降雪期，大气降水为矿区主要补给水源。金沙河和沙金河为矿区两条常年径流河，其中金沙河自井田北部流入，沿南北走向几乎贯穿了整个井田。

2 3228工作面地质及水文地质情况

2.1 地质

3228工作面位于天祝煤矿三采区，北起2060轨道下上，南至XXII勘探线，西临3226工作面运输顺槽，南接南14、南15两钻孔，工作面运输顺槽与金沙河在中煤层底板上的投影的最小水平距离(即图1中A、B两点的水平距离)约102m。工作面对应的地面位置位于拉卜子沟及两侧的山坡地带。该面轨道顺槽长876 m，运输顺槽长890 m，倾斜宽155 m，可采面积约132200 m2。该面回采上中层煤，煤层倾角9°～20°，平均15°，中煤层底板标高为2230～2315 m;上、中煤层厚度7.89～15.70 m，平均9.92 m(表1);上、中层煤之间含一层油页岩，厚度0.33～1.14 m，平均0.68 m;煤层直接顶板一般为油页岩，厚度14.29～48.98m，平均24.38m;煤层底板为泥岩。工作面采用综合机械化放顶煤开采。

3228工作面构造比较简单，无明显的断层存在，地层基本以XXI勘探线为背斜轴，两翼分别向南、北下降，属于较宽缓的背斜构造(图 1)。

图1 天祝煤矿局部采掘工程平面图

2.2 水文地质

3228工作面上覆地层划分为四个含水层和一个隔水层，由上而下依次为:第四系冲积层孔隙潜水强含水层、下白垩系河口群(K1hk)孔隙潜水弱含水层、上侏罗系苦水峡组(J3k)孔隙裂隙承压水弱含水层、中侏罗系窑街组(J2y)孔隙裂隙承压含水层。其中，第四系冲积含水层大部分区域发育，厚度0～8.31 m，平均厚度6.09 m;下白垩系河口群含水层仅局部发育;上侏罗系苦水峡组含水层，厚度39.50～118.37 m，平均厚度91.07 m;侏罗系中统新河组隔水层，厚度100.71～126.82 m，平均厚度111.64 m;中侏罗系窑街组含水层，厚度51.58～111.44m，平均厚度87.24m(表2)。

表2 3228工作面附近主要钻孔地层统计表

3 3228工作面突水原因分析

3.1 运输顺槽端塌陷区范围计算

煤层地下开采后，采空区上覆岩层与底板岩层由于应力平衡状态遭到破坏，从而产生移动。随着采空区面积的扩大，岩层移动的范围也相应地增大，当采空区面积扩大到一定范围时，岩层移动向地表发展，使地表产生移动，从而形成塌陷区。塌陷区范围可通过工作面埋深、地层倾角、基岩移动角、表土移动角、工作面形状与尺寸等相关参数求得(图2)。3228工作面运输顺槽与切眼交汇处(图1中A点)与金沙河之间的水平距离最短，此范围内上煤层覆岩层主要为侏罗系地层，煤层倾角约10°，为缓倾斜煤层(倾角θ≤35°)，参照文献［1］阜新、绞河、鸡西等侏罗纪矿区基岩下山移动角计算经验公式，选择计算的最小值作为3228工作面覆岩的下山移动角(表3)。

图2 缓倾斜煤层地表塌陷区范围示意图

表3 3228工作面覆岩下山移动角计算结果表

因此，3228工作面切眼与运输顺槽交汇处在AB延长线上地面塌陷区的边界距离A点在地面投影的水平距离按下式计算:

式中， l——工作面开采边界与同侧地表塌陷区边界的水平距离，m;

hjy——工作面上覆基岩厚度，m;

hbt——工作面上覆表土层厚度，m;

β——工作面上覆基岩下山塌陷角，(°);

φ——工作面上覆表土层塌陷角，(°)。

3228工作面切眼与运输顺槽交汇处(图1中A点)中煤层底板标高约2255m;B点附近金沙河河谷标高约2526m，第四系冲积层厚度约7 m;依据表2计算结果，以67°作为覆岩的下山塌陷角;另外，参照文献［3］取表土层塌陷角φ=40°。因此，得:

即3228工作面地面塌陷区已进入金沙河河谷约18 m，因此，应对金沙河河水溃入3228工作面的危险性进行分析。

3.2 3228工作面导水裂缝带高度计算

3228工作面上覆岩层以砂岩为主，其次为泥灰岩(表4)，总体属坚硬岩层，根据文献［2］，导水裂缝带高度为:

式中，Hli——导水裂缝带高度，m;

Σ M——累计采厚，m。

3228工作面切眼附近南15孔揭露的上中煤层厚度为15.70 m，将Σ M=15.70分别代入(2)、(3)式，得:

(注:为了确保安全生产公式(2)中“±”中误差项取“+”。)

比较公式(1)、(2)的导水裂缝带计算结果，取最大值Hli=128.87 m。

3.3 地表地裂缝深度计算

开采沉陷使地表产生不均匀的沉降和水平移动，在沉陷盆地内的部分区域可能产生裂缝［3］。3228工作面开采后，地面塌陷区范围内同样出现了严重的地裂缝(图3)。地裂缝具有严重危害性，我国许多专家学者分别采用理论分析、数值模拟、相似模拟、现场实测等方法，对煤矿地裂缝灾害进行了深入广泛的研究［3－10］，结果表明:地裂缝宽度一般为0.01～2.0 m;深度一般为1.0～5.0 m，部分矿区达30～70 m。

图3 3228工作面地表塌陷区的地裂缝

3228工作面地表为第四系松散层覆盖，厚度0～8.31 m，属薄松散层、厚基岩覆盖煤层工作面，地裂缝深度取上述研究结果的极大值(即70 m)。参照表3可知:3228工作面开采后，地表裂缝会穿透第四系冲积含水层、苦水峡组含水层，延深到新河组隔水层的上部(距上煤层顶板208.30m、距导水裂缝带79.43m)，不会与工作面导水裂缝带沟通。

通过以上计算并参照表4可知:3228工作面开采后，导水裂缝带会穿透顶板油页岩(厚度26.08m)，并穿透顶板窑街组含水层(其顶板距工作面煤层顶板121.93m)，Hli小于苦水峡组含水层底板至上层煤顶板之间岩层的厚度(231.46 m)。因此，3228工作面回采过程中，窑街组含水层的水会涌入工作面，应进行工作面涌水量预计，并采取必要的防治水措施;地表水(包括金沙河水)、苦水峡组含水层的水涌入工作面的可能性极小。

表4 南15孔地层岩性及含水层划分表

3.4 3228工作面突水水质化验资料分析

3228工作面突水后，地质人员分别在3228工作面下隅角老塘、金沙河、第四系含水层、拉卜子沟等采取了水样，进行了水质化验，化验结果如表4所示。由表5可知，金沙河、第四系含水层、拉卜子沟三者水质化验的K++Na+、Ca+、Cl－、、矿化度、总硬度等指标比较接近，而3228工作面老塘水的水质的上述各指标与金沙河、第四系含水层、拉卜子沟等水体的相应指标间存在着显著的差异，说明第四系含水层接受地表水体的补给能力较强;地表水和第四系含水层与3228工作面突水无明显的联系。

表5 3228工作面突水与矿区主要含水层及河水水质对比表

4 3228工作面涌水量计算

计算矿坑涌水量的方法很多，包括比拟法(富水系数法、矿井单位涌水量比拟法、相关关系分析法等)、Q=f(s)曲线外推法、解析法(大井法、水平廊道法)、水均衡法、数值法等［11］。综合考虑矿井水文地质条件的控制程度和文献［11］中各涌水量预测方法的适用条件，采用大井法(承压转无压水完整井)进行3228工作面涌水量计算。

承压转无压水完整井:

式中，Q——矿井涌水量，m3/d;

K——渗透系数，m/d;

H——水柱高度，m;

h——动水位至底板隔水层水柱高度，m;

M——含水层厚度，m;

r0——“大井”半径(r0=

R0——“大井”影响半径(R0=R+r0)，m;

R——含水层影响半径，m。

在单孔抽水试验求参中，承压水含水层影响半径常用吉哈尔特(Siechardt)经验公式［12］:

式中，S——含水层水位降深值，m。

在3228工作面开采过程中，水害威胁主要来自上覆窑街组含水层(J2y)。据文献［13］南13孔窑街组含水层(J2y)抽水试验结果渗透系数K=9.29×10－4m/d，承压水位高度在中煤层顶板之上322.07 m，因此，3228工作面计算涌水量Qcal:

根据生产水平(2240 m水平)生产中得出的 经验，算得3228工作面正常涌水量如下:

式中，μ——涌水量备用系数，一般取2。因此，有:

5 3228工作面防治水措施

3228工作面煤层倾向为NEE～SEE，开采过程中，运输顺槽端基本为工作面的最低端，工作面前半段(切眼至运输顺槽拐点C)为仰采，后半段为俯采(图1)。前半段开采过程中，老塘水随着工作面的推进而前移，并汇集在工作面的下隅角，工作面运输顺槽端配备排水能力150 m3/h的水泵(同时配备相同排水能力的备用泵);后半段由于总体为俯采，沿着运输顺槽外侧底板开挖水沟，在低洼处开挖水泱子，规格为:长 ×宽 ×深=2 m×1 m×1 m。为了避免底板泥岩遇水软化，引起巷道变形，在水沟及水泱子上铺设废旧皮带。

目前，3228工作面已安全回采完毕。

6 结论

通过对3228工作面地质及水文地质条件分析、理论计算、水质化验等方法，分析了工作面突水水源及突水机理、计算了工作面的正常涌水量，并采取了有针对性的防治水措施，确保了工作面的安全回采。主要结论如下:

1)3228工作面开采后，导水裂缝带发育的最大高度为128.87 m，导水裂缝带会穿透煤层顶板油页岩和窑街组含水层;

2)地表裂缝会穿透第四系冲积含水层、苦水峡组含水层，延深到新河组隔水层的上部，不会与工作面导水裂缝带沟通;

3)窑街组含水层是工作面突水的主要水源;

4)工作面计算正常涌水量为30.26 m3/h，与实际涌水量基本相当;

5)工作面运输顺槽配备排水能力150 m3/h的水泵和备用水泵。仰采块段，工作面下隅角遇水即排;俯采块段，在运输顺槽底板开挖排水沟，排水沟上铺设废旧皮带，将工作面涌水通过排水沟引入顺槽低洼处的水泱子，然后排出。

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