安徽恒源卧龙湖煤矿北一采区充水特征与水害防治

童世杰，陈增宝，李 俊

(1.安徽恒源煤电股份有限公司卧龙湖煤矿，安徽 宿州 234000； 2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232000； 3.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(宿州学院)，安徽宿州 234000)

0 引言

煤矿水害类型比较多，按照充水水源分为松散层水害、煤系砂岩水害、底板岩溶水害等[1-3]；按照井下来水的方向可分为顶板水害和底板水害等。煤系顶板砂岩水轻则影响开采效率，重则造成灾害事故，因此煤矿开采中防治顶板水害是一项经常性的工作[4-6]。

通常情况下，开采煤层顶板砂岩裂隙含水层以静储量为主，涌水量衰减快，出水持续一段时间后即被疏干[7-9]。但如果顶板砂岩裂隙含水层富水性强，甚至有外来补给源，这种情况下，井下涌水量衰减较慢，即使衰减，也不至于被疏干，威胁煤矿安全生产，同时对煤矿开采效率造成严重制约[10-12]。

安徽恒源煤电股份有限公司卧龙湖煤矿始建于 2004 年 3 月 1日，2008 年 6 月 13 日正式投产，矿井设计能力为 90 万 t/a。全井田划分为一个水平开拓、上下山开采，一水平标高为-535m。该矿分南翼和北翼盘区，其中北翼盘区设计了5个采区，北一采区共设计 了8101、8102、8103、8104四个工作面。主采的8煤层，平均厚度3.0m，倾角为4°～6°，新生界松散层厚度为 230m左右，8煤层覆岩厚度大于 330m。

8101工作面是北一采区的首采面，于2012年7月5日开始回采。2012年9月15日，8101面在推进105m(过地面1#瓦斯抽采孔25m)时出现顶板砂岩突水，初始涌水量25 m3/h。随着1#瓦斯孔套管的断裂，突水量增大，水压增高，至9月19日夜班，水量达90m3/h，且持续增大；9月24日涌水量逼近400m3/h，10月5日出现最大涌水量420m3/h，对煤矿安全生产和开采效率造成严重影响。之后，边治水边开采，8101面于2013年3月18日正式收作。接着，8102面和8103面分别于2015年2月5日、2017年4月24日陆续开采完毕，8104面即将回采。目前北一采区涌水量在130 m3/h左右。

来自煤系顶板的水量如此之大、持续时间如此之长，在淮北-永夏煤田顶板水害防治历史上极为罕见。这种涌水特点使煤系顶板砂岩水以静储量为主的“疏干型”观念受到挑战。为此，本文将在弄清卧龙湖矿北一采区顶板水涌出规律的基础上，提出水害防治技术，为同类条件下的其他矿区防治顶板水害提供参考。

1 地质及水文地质背景

卧龙湖矿北一采区四个工作面布置如图1所示。地层倾向北，为单斜构造。煤系有下二叠系山西组和下石盒子组、上二叠系上石盒子组和石千峰组。8煤位于下石盒子组下部，其老顶厚度3.8～6.4m，均厚5.1m，为粉砂岩，含泥质，具水平层理。

8煤直接顶为泥岩，泥质结构，质软，厚度0～4.5m，均厚2.3m。局部受岩浆侵蚀影响；直接底为泥岩，块状，厚度4.4～4.6m，均厚4.5m。

北一采区直接充水水源是6～8煤上、下砂岩裂隙含水层。该含水层以中、细粒砂岩为主，夹泥岩、粉砂岩及岩浆岩。砂岩厚度为1.89～46m，平均33m，变化较大；岩浆岩厚度1.45～48.70m，平均31.20m，变化也较大。局部地段砂岩及岩浆岩裂隙较发育，在钻探施工时，有多个钻孔发生漏水现象。

图1 卧龙湖矿北一采区工作面布置Figure 1 Wolonghu coalmine winning district N1 coal face layout

工作面采掘过程中发现落差小于5m的小断层43条，均为正断层，导水性较好。

2 北一采区充水特征

自2012年9月中旬8101面突水以来，北一采区涌量规律比较明显。总结这些规律，对于有效防治顶板水害，确保工作面安全有序开采具有重要意义。

2.1 初始突水量较大

北一采区首采的8101工作面于2012年9月15日开始涌水，9月19日夜班，水量达90m3/h且持续增大，至20日已达122m3/h。虽然对地面1#瓦斯孔实施骨料封堵处理，但涌水量不减反升，至2012年9月22日上午10∶45，井下涌水量稳定在350～380 m3/h。继而对1#瓦斯孔进行注浆封堵，然而，至10月5日涌水量仍继续上升，并维持至390～420m3/h。说明该瓦斯孔套管破裂不是井下涌水的唯一通道。

于是，1#瓦斯孔注浆封堵结束后，在该孔西南5m处新施工一注浆孔，对1#瓦斯孔外围的环形空间导水通道进行注浆封堵。但井下涌水量仍然变化不大，至2013年1月，涌水量仍在300m3/h以上(图2)。

2.2 老工作面水向新工作面转移

8101工作面最大涌水量420m3/h，然后逐渐衰减，在2013年5月至2014年4月之间稳定在180m3/h左右。8101面于2013年3月18日收作，8102工作面于2014年2月15日开始回采。8102面回采过程中，8101面涌水量自180m3/h迅速下降，8102面涌水量随之增大，二者出现此消彼长的态势(图3)，8101面约80%的涌水量转嫁到8102面，而两面涌水量之和以及北翼盘区总涌水量基本不变。

图2 卧龙湖矿北一采区8101工作面涌水量历时曲线Figure 2 Wolonghu coalmine winning district N1 coal face No.8101 water inflow duration curve

图3 8101工作面涌水量向8102工作面转移Figure 3 Water inflow migrating from coal face No.8101 to No.8102

8102工作面与8103工作面的涌水情况与8101和8102类似。

顶板水涌出向新开工作面转移的主要原因有两方面，一是单斜构造，煤矿开采方式为“下行式”，后续工作面标高较前面已采工作面低；二是层理构造及采动覆岩离层空间发育，横向导水通道畅通。近年来顶板离层水害发生频率较高，离层发生机理及其导含水规律逐渐被人们所认识[13-17]。通过对8103面开采顶板离层的识别，并于2016年4月10日—8月22日对顶板两处主要的离层部位进行了注浆，期间8103面几乎无水，尽管8101和8102工作面涌水量比较大(140～160m3/h)，但由于受到离层注浆的阻隔而没有向8103面转嫁。

2.3 涌水水源为K3砂岩水

K3砂岩是淮北煤田的标志层之一[18-20]，总厚度5.55～76.10m，平均26.29m。岩性以中、粗砂岩为主，位于3煤组下23.15～63.30m(平均53.40m)，分布较稳定。

煤系砂岩的富水性与构造裂隙有密切的联系[21-23]。勘探资料显示，卧龙湖矿北一采区K3砂岩构造裂隙发育，特别是在风氧化带范围内及褶曲轴部、断层带附近、断层交汇部位，裂隙更为发育。钻探过程中多数钻孔在K3砂岩层段发生漏水现象，漏失量9～15m3/h。

据估算，卧龙湖矿北一采区自2012年9月中旬突水以来，总计涌出水量850万m3。如此之大的涌水量，是否与厚层K3砂岩水有关，成为待解之谜。为此，卧龙湖矿陆续施工了K3砂岩含水层水位长观孔(水7、水8)。水7孔和水8孔分别于2013年12月2日、2016年3月18日安装水位观测系统，并开始启用。

从图4看，8103面在实施顶板覆岩离层注浆期间(2016年4月10日—8月22日)，水7孔(图4a)和水8孔(图4b)水位明显上升；停止注浆后，两个孔的K3砂岩水位明显呈下降趋势。说明北一采区工作面回采，存在K3砂岩水的补给。

从层位上看，K3砂岩距离8煤200m之多。而8煤开采导水裂隙带最大高度45m左右， 远达不到K3砂岩含水层。但是，在北一采区附近发育多条倾角70°以上的急倾斜正断层(如F15、F15-1等)，造成煤系中各含水层相互串通。此外，区内岩浆侵入范围较大，从2煤至10煤均有不同程度的岩浆侵入。岩浆与围岩之间由于岩浆上侵挤压、高温岩浆烘烤围岩、岩浆冷凝收缩等地质作用，会在岩浆岩(岩墙和岩床)与围岩之间出现缝隙，为K3砂岩含水层向8煤工作面充水提供了纵横向导水通道。

图4 卧龙湖矿北一采区开采对K3砂岩水位动态的影响Figure 4 Impact from extraction of Wolonghu coalmine winning district N1 on sandstone K3 water level dynamic state

3 北一采区水害防治

到目前为止，卧龙湖矿北一采区已安全收作三个工作面(8101、8102、8103面)，8104面即将回采。针对北一采区涌水规律，所采取的防治水技术措施主要是煤水分流、隐患排查和超前截流。

3.1 煤水分流

目前北一采区涌水量130m3/h左右，如果按工作面传统设计(回采上限为风巷，下限为机巷)，综采无法进行。为此，改革工作面设计思路，将机巷设计在工作面以上，风巷设计在以下，煤从上限运出，水向下限流走，实现煤水分流，确保工作面正常回采。

3.2 隐患排查

隐患排查的原则是“物探先行，钻探验证”，即对于每个工作面顶板富水性，都先使用物探探查，然后利用钻探对物探异常区进行验证[24-26]。

以8102工作面为例，对其顶板富水性采用并行电法探查，共发现4个物探异常区：1)DZ1低阻区。位于8102改造风巷测点Q5和测点Q6之间(注：“Q”是“切眼”拼音的首字母，下同)，对应8102接架切眼测点Q8和测点Q7之间，朝顶板上延伸高度超过45m。

2)DZ2低阻区。靠近风巷位于X=120～220m，对应风巷测点Q4向外15m到测点F17，朝顶板上延伸高度超过25m。

3)DZ3低阻区。靠近机巷位于X=450～500m，对应机巷测点J18到测点J17段，朝顶板上延伸高度为10m域。

4)DZ4低阻区。靠近风巷位于X=400～600m，对应风巷F15向外40m到测点F9段，朝顶板上延伸45m域。

针对物探异常区，设计并施工4组物探验证孔，每组1～2个孔，终孔层位为6煤顶板砂岩层位。钻孔施工完毕后，仅有DZ1、DZ2共计2孔出水，总水量小于1.5m3/h。钻探验证DZ1～DZ4物探异常区8煤顶板50m(冒裂带)以内，富水性不强。

探查成果为下一步安全开采打下了基础。

8104面是北一采区的最后一个开采工作面。为进一步查清8104工作面的地质及水文地质条件，需要对煤层顶板含水层富水性、工作面采动影响范围内的断层含导水性以及工作面内的隐伏构造做重点探查(图5)。从图5可以看出：

1)顶板的整体富水性不强，但也存在局部低阻异常体；

2)依据瞬变电磁法判别的异常体为：在距离F7约30m、J8约15m为低阻异常区段，回采期间出现滴淋水的可能性较大；

3)在距离F4约20m、F6约7m、J9约20m为低阻异常区段，推测小断层有一定的导富水性，在回采过程中出现滴淋水的可能性亦较大。

图5 卧龙湖矿8104工作面瞬变电磁探测结果Figure 5 Wolonghu coalmine coal face No.8104 TEM prospecting results

3.3 超前截流

3.3.1 截流孔设计

对顶板砂岩裂隙水提前疏放是确保采掘安全的重要措施[27-29]。卧龙湖矿北一采区的涌水规律表明，8煤顶板水紧跟新开采的工作面涌出。8104工作面紧邻8103工作面，且标高低于8103工作面。目前已采的8101及8102工作面涌水量很小，全部集中到8103面采空区，出水量130m3/h左右。受采动影响，8104工作面回采期间，8103工作面顶板砂岩水会通过导水冒落、裂隙带进入8104工作面。为了改善8104工作面的生产环境，减小涌水对生产安全和开采效率的影响，在8104机巷(回采上限)设计10组截水孔，组间距10m左右，每组3个孔，在距离收作端100m范围内施工30个截流孔(图6)，提前对8104工作面顶板水进行截流疏放。

3.3.2 钻孔参数

截流孔方位244°～274°，仰角55°～60°，孔深80m左右(以过6煤25m为准)。

3.3.3 钻孔施工要求

1)严格按照给定参数施工，各钻孔应加导向，要求各钻孔开孔方位误差小于2°，倾角误差为±1°，且按钻孔编号顺序施工。同时，在施工过程中要控制钻进速度，以防钻孔偏斜。

2)要求终孔直径127mm，终孔提钻后需置入Φ108mm护壁管(深度以过7煤为准)，护壁管置入后需固定牢固，防止窜出。

3)钻孔施工前需清理好排水水沟，保证出水能正常排出机巷。

4)施工过程中要准确记录钻孔见煤、过煤、出水位置及水量等情况，如有水文、瓦斯等异常情况，及时与技术部地质组联系。

图6 卧龙湖矿8104工作面截流孔布置Figure 6 Wolonghu coalmine coal face No.8104 water intercepting boreholes layout

4 结论

通过开采过程中的防治水观测与分析研究，逐步弄清了卧龙湖矿北一采区的涌水水源和出水规律，为8煤安全有效回采奠定了基础。得出的主要结论如下：

1)卧龙湖矿8煤顶板砂岩水丰富，初始涌水量较大(最大达420m3/h)。随着涌水时间的延续，涌水量逐渐衰减，但涌水量绝对值仍然比较大(130m3/h左右)，对安全生产及开采效率构成一定的影响。

2)北一采区8煤顶板砂岩水的涌出规律是，新工作面开采时，前面已收作的工作面涌水量逐渐减小，新工作面涌水量逐渐增大，新老工作面涌水量之和基本稳定。

3)根据北一采区涌水量与K3砂岩水位观测结果分析，二者密切相关，基本可以判断北一采区涌水水源为K3砂岩含水层。北一采区断层发育，且有岩浆侵入，纵横向导水通道交织连通，致使K3砂岩水涌向工作面。

4)根据北一采区的涌水规律，采取的防治水技术措施主要有煤水分流、隐患排查和超前截流。这些技术措施在开采实践中逐步完善，效果越来越显著。