疏水降压技术体系在潘西煤矿奥灰水害防治中的应用*

尹会永魏久传Liliana Lefticariu郭建斌李子林赵 鹏

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.山东科技大学地球科学与工程学院山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东省青岛市，266590；3.南伊利诺伊大学地质系，美国伊利诺伊州卡本代尔市，62901；4.莱芜市万祥矿业有限公司，山东省莱芜市，271109）

疏水降压技术体系在潘西煤矿奥灰水害防治中的应用*

尹会永1，2魏久传2Liliana Lefticariu3郭建斌2李子林4赵 鹏4

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.山东科技大学地球科学与工程学院山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东省青岛市，266590；3.南伊利诺伊大学地质系，美国伊利诺伊州卡本代尔市，62901；4.莱芜市万祥矿业有限公司，山东省莱芜市，271109）

潘西煤矿19#煤层奥灰含水层为半封闭型、有限补给边界的富水性不均一的含水层，具备疏水降压的大环境；矿井涌水量与奥灰水位降深数据表明两者之间具有正相关性，获得了定量关系表达式。建立了一套完善的矿井疏水降压技术体系，包括探查边界导水性和井下工作面富水性、健全矿井水文观测系统、井下疏放水、加强矿压及突水征兆观测、增强排水能力等。

煤炭开采 奥灰承压含水层 疏水降压 突水防治 带压开采 安全开采

山东省莱芜煤田潘西煤矿对受底板奥灰承压含水层威胁的19#煤层采用疏水降压技术，在探查水边界水文地质条件和工作面底板含水层富水性的基础上，施工井下疏放水孔，健全矿井水文观测系统，并对开采过程中的矿压及涌水量加强观测，疏通排水线路，增加排水能力，建立了一套完善、可行的奥灰疏水降压技术体系。

1　矿井概况

潘西井田位于山东省莱芜煤田东部，地层自上而下分别为第四系、古近系、侏罗系、二叠系、石炭系和奥陶系，含煤地层为石炭-二叠系的太原组和山西组。井田构造属较简单的单斜构造，地层走向290°～320°，无明显褶曲，区内断裂构造主要为NW、近EW和近SN向三组，共有大中型断层22条，见图1。

图1　井田构造纲要及突水点位置图

潘西煤矿现主采19#煤层，目前生产水平为-740 m，开采深度近千米，对19#煤层生产有影响的含水层为煤层底板本溪组徐家庄灰岩（徐灰）、草家埠灰岩（草灰）和奥陶系灰岩（奥灰）。19#煤层下距徐灰平均19.05 m，距奥灰平均60.16 m。 19#煤层底板主要由粘土岩、石灰岩和砂岩等组成。随着开采水平的延深，煤层受底板奥灰含水层的威胁越来越大。潘西煤矿开采过程中共发生突水23次，其中奥灰底鼓突水4次，见表1，突水地点见图1。奥灰突水系数为0.08～0.09 MPa/m，井田19#煤层受底板奥灰突水威胁，在断层、裂隙发育地段，更容易造成底板突水。今后主采后四、后六和后七采区，而此区域煤层埋藏深度大，奥灰水压高，因此，需采取合理的防治技术保障19#煤层的安全开采。

表1　潘西煤矿开采以来奥灰底鼓突水情况

2　19#煤层疏水降压防治水技术体系

2.1奥灰水文地质特征

奥灰厚800 m左右，以质纯石灰岩为主，间夹数层白云质及泥质灰岩，露头位于井田南部的东泉庄至小里辛庄以南，出露面积约15 km2。奥灰除接受大气降水补给外，在第四系砂砾层覆盖区，接受大汶河第四系潜水补给，补给条件较好。目前，水位标高-150～-410 m，年度变化幅度一般9～20 m。全井田有15个地面钻孔揭露奥灰，有6个孔发现漏水或明显消耗。井下钻孔放水量0～200 m3/h。除浅部地面供水钻孔的单位涌水量大于1 L/s·m以外，其他均不大，表明奥灰富水性极不均匀，其总体富水性为弱～中等。

2.2边界条件分析

潘西井田西南部为颜庄断层（F2），西部为付家村断层与秦家洼断层，北部为梁坡断层，东南为F6断层，矿井属于断层交切的构造断块，总体为一地垒构造。

井田内奥灰属半封闭型有限补给的含水层，矿井总体上属于一个相对比较独立、封闭的水文地质单元。地面瞬变电磁勘探广泛用于探查含水层富水性及边界水文地质条件，潘西煤矿应用地面瞬变电磁探查结果表明，井田东南部F6断层与北部梁坡断层都具有良好的阻水性质，西南部颜家断层存在两处导水通道。其中一条测线位置见图1中Ⅲ线，获得Ⅲ线视电阻率断面图，见图2，图2中的数字为电阻率等值线，下部区域电阻率较高，上部及右部区域电阻率较低，电阻越低表明富水性越好。可以看出在图2右侧上下部分电阻率较为接近，表明有来自底部奥灰水的补给。西部的付家村断层和秦家洼断层在断层交汇处为导水通道。井田内部的奥灰含水层在上述几处通道将接受边界外奥灰或煤系上覆地层中含水层水的补给，但矿井涌水资料表明，其补给量有限。为矿井采取疏水降压防治奥灰突水提供了保障。

图2　Ⅲ线视电阻率断面图

2.3疏水降压可行性分析

从上述矿井水文地质条件及边界条件可知，井田内奥灰含水层为一半封闭型有限补给边界块段，具备疏水降压条件。矿井目前已开采至-740 m水平，共有14个工作面发生了底板突水，奥灰突水量和井下钻孔疏放奥灰水量占矿井涌水量的大部分。统计与对比了矿井涌水量和奥灰水位，见表2，可看出两者之间具有较好的正相关性，证明奥灰具有可疏降性。

表2　矿井涌水量和奥灰水位变化关系

为寻求奥灰水位与涌水量的定量关系，以1988年水位+116 m为基准，计算累计水位降深值，绘制了涌水量和奥灰水位下降关系曲线，见图3。可以看出，随着矿井涌水量的增加，奥灰水位逐渐降低。矿井涌水量与奥灰水位降深符合关系式:

式中:Q——矿井涌水量，m3/h；

S——奥灰水位降深（以1988年水位为基准），m。

图3中R2为趋势线拟合程度的指标，表明趋势线值与实际数据之间的拟合程度，取值范围为0～1，越大表明相关性越强。

图3　涌水量与奥灰水位降深关系图

2.4疏水降压技术体系

采用疏水降压技术防治底板奥灰突水是潘西煤矿-740 m水平安全生产的保证，在工作面底板含水层富水性探查的基础上，施工井下放水孔，同时健全矿井水文观测系统，并对开采过程中的矿压和水压加强观测，疏通排水线路，增加排水能力，建立一套完善、可行的奥灰疏水降压技术体系。

（1）采前利用物探技术探查奥灰水富水性。在结合地面物探成果的基础上，每个工作面开采之前利用电法、瞬变电磁等物探手段，探查底板奥灰富水性，为实施疏放水孔奠定基础。如利用数字式DZ -ⅡA型直流电法仪对4194西工作面底板含水层富水性进行探测，探明工作面东部和西部两个富水区，为井下疏放水孔准确定位提供了可靠的依据。

（2）施工疏放水钻孔。在物探探查结果的基础上，在富水区域施工疏放水孔，疏放奥灰水以降低其水压。如在4194西工作面的西部富水区施工了2个疏放水钻孔和2个底板破坏深度观测孔（兼作疏水钻孔），初始出水量为19 m3/h；在东部的强富水区内施工了3个疏放水钻孔，初见奥灰水量120 m3/h。4194西主巷钻孔疏水量达139 m3/h。

（3）健全矿井地下水动态观测网。通过动态观测奥灰水位变化情况，可以了解地下水的补、径、排条件，也为调节疏放水量提供支持。潘西煤矿布置了一批井下奥灰、徐灰、草灰观测孔（有的兼作疏水孔），如在-740 m后五石门施工了1个奥灰观测孔；-150 m东大巷施工了1个奥灰观测孔；在4194西主巷施工了5号孔，作为奥灰观测孔，并兼作疏水孔；4195西主巷内施工了两个疏水孔（兼作水压观测孔）。对疏水过程中的奥灰、徐灰、草灰含水层水位进行动态监测。

（4）加强矿压及突水征兆观测。根据突水前支柱载荷增大的现象，在富水区内加强了矿压观测，如果发现矿压增大，及时进行分析，确定是否周期性来压。另外，还加强了现场新增涌水点的观测。

3　疏水降压应用效果

以4194西工作面为例，了解疏水降压应用效果。4194西工作面位于-740 m水平后四采区西翼第四亚阶段，标高-500～-564 m，地面标高在+220 m左右。该面平均走向长830 m，平均倾斜宽125 m，开采19#煤层，厚度约2.55 m。4194西工作面为一简单的单斜构造，小断层不发育，但局部煤层走向变化较大。工作面主要的充水含水层为底板的徐灰、草灰和奥灰，距19#煤层分别为22 m、38 m、60 m，徐灰、草灰为直接充水水源，间接充水水源为奥灰。主要隔水层由煤层与含水层以及含水层之间的泥岩或泥质粉砂岩组成。工作面受奥灰突水威胁，如不采取措施，无法安全开采该工作面，需进行疏水减小奥灰水头压力，进而降低突水威胁。

为了安全开采4194西工作面，首先利用直流电法探测底板含水层富水性及其分布；在保障矿井排水能力的基础上，在富水区域实施疏放钻孔进行疏水降压，同时，实时监测奥灰水位、水压变化以及矿压变化。当4194西工作面通过西部富水区时在运输巷13 m、24 m、33 m测点处的上帮新增了3个涌水点，也说明了富水性探查结果较为可靠，总涌水量为50 m3/h。同时，加强矿压观测。通过矿压观测没有发现支柱载荷异常现象。安全采出煤炭2.6万t。当施工完所有疏水钻孔时，该面总疏水量（包括4193西采空区涌水）最大达900 m3/ h，最小为660 m3/h，使局部奥灰水压大幅度下降，其中东部的5号孔水压由4 MPa下降到2.8 MPa，地面87-1孔水位由-117.63 m下降至-210.0 m，原计划在东部强富水区内留160 m的煤柱也安全采出，采出煤炭6.8万t。仅4194西工作面增加产值4700万元，经济效益显著。目前，采用疏水降压技术体系后，解放了潘西煤矿后四、后六、后七采区大量受奥灰水威胁的煤炭资源。

4　结论

（1）针对潘西井田奥灰含水层为矿井主要突水水源，但富水性不均匀的特点，在探查边界条件、水位动态观测的基础上，认为奥灰含水层为一半封闭型有限补给边界块段，具备疏水降压的条件。

（2）通过分析矿井涌水量与奥灰水位变化可以明显看出两者之间具有正相关关系，说明奥灰接受补给量较小，通过加大疏放水强度，奥灰含水层水位可以疏降到安全水头以下。

（3）建立了一套完善的矿井疏水降压技术体系，主要包括探查边界水文地质条件和井下工作面富水性、健全矿井观测系统、井下疏放水、加强矿压及突水征兆观测、增加排水能力等。

（4）通过疏水降压技术，潘西煤矿已安全开采了19#煤层后四、后六、后七采区受底板水威胁的工作面，解放了煤炭资源，取得了巨大的经济效益和社会效益。

［1］ 尹会永，魏久传，李子林等.潘西煤矿断裂构造突水机制探讨 ［J］.山东科技大学学报（自然科学版），2007（1）［2］ 武强，刘守强，贾国凯.脆弱性指数法在煤层底板突水评价中的应用［J］.中国煤炭，2010（6）

［3］ 张志龙，高延法，武强等.浅谈矿井水害立体防治技术体系［J］.煤炭学报，2013（3）

［4］ 李子林.大采深条件下徐、奥灰突水机理及防治技术研究——以潘西煤矿为例 ［D］.山东科技大学，2007

［5］ 杨峰，李子林.潘西煤矿奥灰岩溶富水特征及综合防治技术［J］.山东煤炭科技，2001（5）

［6］ 卜昌森.煤矿水害探查、防治实用技术应用与展望［J］.中国煤炭，2014（7）

Application of dewatering and depressurizing technology system in preventing water disaster from the Ordovician limestone in Panxi Coal Mine

Yin Huiyong1，2，Wei Jiuchuan2，Liliana Lefticariu3，Guo Jianbin2，Li Zilin4，Zhao Peng4
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization&Sedimentary Minerals，College of Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.Department of Geology，Southern Illinois University，Carbondale，Illinois 62901，United States；4.Wanxiang Mining Industry Co.，Ltd.，Laiwu，Shandong 271109，China）

The Ordovician limestone aquifer in No.19 coal seam of Panxi Coal Mine had the semi-closed and boundary which had heterogeneous water abundance and limited supply，it had the environment of dewatering and depressurizing.There was positive correlation between mine inflow and drawdown of Ordovician limestone，and the quantitative expression was made out.A integrated dewatering and depressurizing technology system was built，including searching the transmissibility of boundary and water abundance of working face，improving the mine hydrological observing and drain and blowdown system，reinforcing the observation of rock pressure and water inrush omen，and enhancing the drainability.

coal mining，Ordovician limestone confined aquifer，dewatering and depressurizing，prevention and control of water inrush，mining with high aquifer pressure，safe mining

TD823.8 P641

A

尹会永（1979-），男，河北衡水人，副教授，中国矿业大学在职博士后，山东科技大学地科学院水文系主任，主要从事矿井地质及水文地质的教学与研究工作。

（责任编辑 张毅玲）

国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2012CB723104），国家自然科学基金资助（41372290，41402250），山东省自然科学基金资助（ZR2013EEQ019）