安阳煤矿水文地质条件评价及防治水技术研究*

孙洁

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054）

安阳煤矿水文地质条件评价及防治水技术研究*

孙洁

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054）

摘要：针对安阳煤矿深部5号煤层开采可能受到的水害威胁，利用“三图-双预测”评价体系和“突水系数”评价方法，分析首采面5号煤开采所面临的主要水害问题，并有针对性地提出超前综合物探探查、钻探验证，顶板水疏放，底板注浆加固及排水系统建设等综合防治水技术与对策，以确保矿井的安全生产。

关键词：水文地质条件评价；奥陶系灰岩；带压开采；底板注浆加固

安阳矿位于陕西省澄合矿区东南部，是矿区范围内进行资源整合的新矿井，主采煤层为山西组5号煤。在煤层开采过程中，矿井受到顶板砂岩水和底板灰岩水双重水害威胁。其中，底板奥陶系灰岩含水层作为对矿井威胁最大的含水层，严重制约了整合后矿井的发展。因此，需要尽快查清矿井水文地质条件，明确水害防治对象，并提出可行的防治水技术手段，从顶底板水害综合防治出发，保证矿井安全生产。

1　矿井及首采面概况

安阳煤矿是澄合矿务局矿区东部资源整合矿井，处于渭南合阳县境内。井田南北宽约3.3 km，东西长约8.0 km，面积约为24.57 km2。矿井设计生产能力1.20 Mt/a，矿井服务年限为38.4 a，主采5号煤，厚度为0.32 m～10.27 m，一般厚4.50 m左右，采用长壁式采煤法，垮落式管理顶板，采用综合机械化放顶煤采煤工艺。

井田共分三个采区，首采区位于井田中部，首采工作面为1505工作面。工作面位于井田首采区西部，走向长1 600m，倾斜长150 cm，开采山西组5号煤，煤层底板标高+317 m～+365 m，平均约+345.01m，煤层倾角1°～12°，平均约5°。

2　地质及水文地质条件

2.1矿井地质条件

矿井整体构造形态为一箕状向斜，内部尚发育一些次一级的小型背向斜，幅度在几十米左右，倾角也都小于10°。同时，区域内部发育少量断层，根据地质勘探资料，井田首采区内共揭露断层8条，如图1所示。

图1　井田内首采区断层分布图

2.2矿井水文地质条件

矿井范围内煤层开采有影响的含水层可划分为孔隙含水层、基岩裂隙含水层及岩溶裂隙含水层三种类型。由上至下依次为：①孔隙水（松散沉积层孔隙水及孔隙裂隙水），第四系孔隙潜水；②基岩裂隙水，上石盒子组底部K5砂岩含水层、下石盒子组底部KD砂岩含水层、山西组底部K4砂岩含水层、太原组砂岩含水层K3；③岩溶裂隙水，太原组K2灰岩含水层、奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。

井田内没有稳定的隔水层存在，根据其岩性特征可划分为相对隔水层的地层有：二叠系山西组地层，组成隔水层的岩性主要为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、煤层及粉砂岩。含、隔水层位置关系如图2所示。

图2　安阳井田含、隔水层位置关系图

3　工作面水文地质条件

3.1充水水源分析

安阳矿1505首采工作面回采过程中，可能的充水水源包括地表水、煤层顶板水、煤层底板水、老空水等。

由于其煤层埋深大，顶板导水裂隙带高度均小于5号顶板基岩厚度，因此地表水基本不会影响工作面开采；对于煤层顶板，主要影响含水层为上石盒子组K5砂岩含水层、下石盒子组底部KD砂岩含水层、山西组底部K4砂岩含水层；煤层底板主要影响含水层为太原组K2灰岩含水层，奥陶系灰岩含水层是对矿井威胁最大的含水层。

3.2工作面顶板水害分析

煤层回采形成的顶板扰动破坏带是顶板水进入工作面的主要通道。通过对首采面5号煤开采形成的导水裂隙带发育高度进行计算，分析其可能波及的上覆含水层。

对于综放开采条件下煤层顶板导水裂缝带发育高度计算公式尚未有统一的定论，考虑到相邻王村矿有顶板导水裂缝带高度实测资料，本次研究采用该实测成果裂采比为21.11倍进行比拟分析，结果如图3所示。

图3　首采面及附近区域5号煤层顶板导水裂缝带高度等值线图

由图3可以看出，首采工作面范围及周边顶板导水裂缝带高度为94.78 m～135.10 m，平均约113.99m。总体呈现出由东到西逐渐变厚的趋势。

图4　首采面及附近区域5号煤层顶板至K5含水层底板等厚线图

利用地质勘探成果分析可知，K4和KD砂岩含水层由于距离煤层顶板较近，均在顶板导水裂缝带波及范围之内。然而，K5砂岩含水层离煤层距离相对较远，采用“三图-双预测”理论煤层顶板含水层涌（突）水评价方法进行分析。煤层顶板到含水层距离分析如图4所示，利用图4和图3综合分析得出顶板K5含水层受波及范围及涌（突）水危险性评价，如图5所示。

图5　首采面及附近区域5号煤层顶板导水裂缝带导通K5厚度等值线图

由图5可知，1505工作面中部受K5含水层影响较为严重，两端基本不受含水层影响。

综合分析可知，安阳矿煤层顶板主要导水通道为顶板导水裂缝带。受此影响，煤层开采后，工作面全部范围内受到顶板K4和KD砂岩含水层影响，部分范围受K5含水层影响。

3.3工作面底板水害分析

5号煤底板水包括太原组K2灰岩水和奥陶系灰岩水。根据首采面5号煤层底板等高线及区域含水层水文地质条件分析可知，首采1505工作面全区均为带压开采。根据区域底板破坏深度测试分析，煤层底板破坏深度为10.75m～13.87 m，首采区内K2含水层与5号煤层间距约为12 m～20 m，工作面5号煤层开采引起的底板扰动可能会影响到K2含水层，该含水层成为底板主要充水含水层。但是，由于K2含水层厚度相对较小，富水性较弱，在不沟通奥灰含水层前提下对矿井威胁不大。

奥陶系灰岩含水层是对华北型煤田下组煤开采威胁最大的含水层。通过首采1505工作面范围内底板突水系数，见图6，可知在工作面范围内突水系数均小于0.06 MPa/m，根据相关规定，工作面区域内均为相对安全区。

图6　首采面及附近区域5号煤层底板奥灰突水系数等值线图

由此可知，安阳矿首采工作面范围内底板主要充水水源为K2灰岩含水层。同时，潜在导水通道是沟通奥灰含水层与K2的主要途径，使得奥灰含水层成为工作面生产潜在威胁含水层。

4　工作面防治水工程

针对前期水文地质条件及水害分析，制定出相应的防治水措施：利用顶板疏放水钻孔对顶板受波及含水层富水区域进行疏放，同时采用底板注浆改造工程对底板K2含水层富水异常进行注浆改造，封堵底板潜在导水通道并改造K2含水层。设计工程主要有物探工程、钻探及含水层疏放工程、注浆工程及排水系统工程4个部分，其中探查工程包括针对首采区地面三维地震、地面瞬变电磁及针对工作面的井下直流电法。

4.1物探工程

通过实施相应的地球物理勘探工程，对工作面构造及各含水层富水情况进行了探查。地面三维地震勘探解释了首采面构造发育情况及煤层底板起伏形态及厚度。地面瞬变电磁勘探解释了顶板各含水层的主要富水区域、富水异常区在垂向上（如K5砂岩含水层、K4砂岩含水层、以及5号煤顶板砂岩含水层）变化程度；底板K3含水层、5号煤底板下25 m范围的主要富水区及奥灰顶面下25 m范围的富水异常区范围。矿井直流电法探测煤层顶板和底板不同深度的低阻异常区。

4.2钻探及含水层疏放工程

1505工作面顶板水疏放工程布置综合考虑工作面直流电法勘探顶板低异常区、工作面初次来压步距及地下水流场特征，共施工两个疏放水钻场，钻孔布置如图7所示。

图7　首采工作面顶板疏放水钻孔布置平面图

通过长期疏放，一号钻场累计放水量143 063 m3，之后钻孔水量基本稳定在23m3/h。二号钻场位于回风顺槽距切眼约60 m处，累计放水量40 556 m3，累计放水395天之后水量基本稳定至2.5m3/h。顶板含水层疏放基本达到安全回采要求，疏放效果较为明显。

4.3底板注浆工程

参考工作面井下直流电法探测结果，对1505工作面开展5号煤层底板K2含水层探查及注浆加固改造工程。共设计14个底板注浆硐室，注浆钻孔36个，各孔终孔层位为底板下垂深25 m处。在施工过程中，工作面南部部分区域涌水量较大，吃浆量较大，浆液为粘土-水泥浆液，比重1.2～1.3，水泥占粘土的20%～30%，填充骨料为海带锯末。

所有钻孔注浆完毕，对工作面注浆工程进行效果检验。对注浆后依然富水异常的区域进行加密钻孔或透孔重新注浆，浆液与第一次注浆浆液相同。通过底板二次注浆改造，彻底改造底板K2含水层富水异常区，同时对潜在奥灰与K2含水层通道进行了治理。

4.4排水系统建设工程

1505工作面的排水系统分别在进风顺槽、回风顺槽各铺设2趟φ150mm排水管路，工作面进风顺槽设立一个水仓及三个临时中转水仓，工作面回风顺槽设立1个临时水仓及5个临时中转水仓，共配备19台水泵，排水能力共计690m3/h。

通过实施上述防治水措施，矿井工作面目前回采230 m，工作面涌水量仅10 m3/h，实现矿井首采工作面安全高效开采。

5　结束语

1）通过分析区域及矿井水文地质条件，利用“三图-双预测”评价体系和“突水系数”评价方法，确定影响安阳煤矿1505首采工作面5号煤层开采的含水层主要为顶板K4、KD、K5砂岩裂隙含水层和底板K2灰岩含水层。底板奥陶系灰岩含水层是对工作面开采威胁最大的含水层。

2）对工作面水害威胁评价成果进行分析，制定出顶底板综合防治水体系。在工作面回采前对5号煤层采动影响波及到的顶板含水层进行预疏放，同时对底板K2含水层进行注浆加固，增加有效隔水层厚度，实现5号煤层的奥灰带压开采。

3）首采工作面的顺利回采证明了综合利用物探探查、钻探验证工程，顶板含水层预疏放工程、底板注浆加固工程及排水系统建设等手段进行顶底板水害综合防治是可行的，可在国内外相似条件的华北型煤田进行推广应用。

参考文献：

［1］陈新明.大埋深复杂水文地质条件工作面防治水技术研究［D］.北京：中国矿业大学（北京），2012.

［2］李志明.大采深高承压矿井水文地质条件及防治水技术［J］.煤炭科学技术，2010，38（9）：105-107，116.

［3］张忠温，武强，付恩俊，等.平朔井工开采煤层顶底板水文地质条件评价及防治水对策研究［J］.中国工程科学，2011，13（11）：94-100.

［4］武强.矿井水灾防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2002.

［5］苏玉娟.赵官矿井水文地质条件评价及防治水研究［J］.中国煤炭地质，2009，21（8）：29-36.

［6］陕西省合阳县安阳井田补充勘探地质报告［R］.陕西：陕西省煤田地质一三九队（2008-2009）.

（编辑：杨鹏）

中图分类号：TD 741

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-001-05

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.001

收稿日期：2016-01-13

基金项目：国家自然科学基金（煤矿区地下水中天然有机质的量化表征及迁徙转化机理41302214）

作者简介：孙洁（1986-），女，陕西韩城人，硕士，助理工程师，从事矿井防治水工作。

Hydrogeological Condition Evaluation and W ater Control Technology in Anyang M ine

SUN Jie
（Xi'an Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Xi'an 710054，China）

Abstract：No.5 coal seam mining in Anyang Mine could be threatened bywater hazards.With the evaluation system，three-graph-double-prediction，and the evaluation method on water burst coefficient，major water hazards faced by the initial mining face were studied.A comprehensive water control technology was proposed，including in-advance geophysical detection，drilling verification，roof water draining，floor grouting reinforcement，and water drainage system construction，to guarantee the safe production in themine.

Keywords：hydrogeological condition evaluation；Ordovician limestone；aquifer mining；floor grouting reinforcement