掘进工作面煤层底板K3砂岩水出水分析及治理

王占武，赵亚斌，李宏宏

(1. 山西焦煤集团 岚县正利煤业有限公司， 山西 岚县 035200； 2. 山西焦煤集团 投资有限公司， 山西 太原 030024)

山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司隶属于山西焦煤集团投资有限公司，矿井位于山西省吕梁市岚县，为资源整合单独保留矿井。井田面积9.26 km2，批准开采4-1#、4#、7#、9#煤，地质资源储量21 361万t，工业储量14 287万t，可采储量7 291万t，煤种为1/3焦煤和少量气肥煤，开采标高+990～+350 m. 设计生产能力150万t/a，服务年限36年。矿井为立井开拓方式，布置一个+590 m开采水平。矿井地质构造简单，水文地质类型中等。

1 概 况

1.1 14-1106工作面概况

14-1106工作面地表位于葛铺村正南方向，工作面对应地表为黄土梁峁地貌，无建筑物等设施，盖山厚度451～571 m. 井下位于一采区，东为实煤，西为14-1107工作面采空区，一采区轨道上山南为矿界。工作面四邻关系见图1. 工作面设计走向长2 556 m，倾斜长200 m，煤层整体呈单斜构造，岩层走向大致近南北，倾向东，倾角6°左右，4-1#煤层厚度2.90～3.80 m，平均3.26 m.

图1 14-1106工作面四邻关系示意图

1.2 14-1106工作面水文地质概况

1) 顶板含水层。

山西组岩性主要由4～5层灰白色中细粒砂岩组成，平均厚度15 m，彼此被隔水层隔开，岩性变化大。本组含水段主要为砂岩裂隙含水层，含水性微弱。据ZK2号孔上、下石盒子组、山西组含水层混合抽水试验，单位涌水量0.066 1 L/s·m，转换口径后为0.046 L/s·m(口径91 mm,落差10 m)，渗透系数为0.025 0 m/d，水位标高1 162.31～1 167.44 m，含水层富水性弱，水化学类型为HCO3-Ca·(K+Na) ·Mg，矿化度为218 mg/L. 从一采区各个工作面的实际揭露情况可知，该层位主要以滴水、淋水现象为主，一段时间后水量明显减小，对生产一般不会产生影响。

2) 底板含水层。

a) 太原组岩溶裂隙含水层。

本组岩性主要由泥岩、砂岩、石灰岩及煤层组成，含水层主要为L1、L2、L3石灰岩及K3砂岩。井田内太原组地层总厚度98.78～127.60 m，K3砂岩厚0～19.23 m，平均13.40 m. L1多为泥灰岩，一般厚0.50 m左右，最厚达3 m. L2石灰岩较纯，裂隙发育不均，厚2.06～6.80 m，平均为3.50 m，层位及厚度变化不大。L3为中厚层状厚石灰岩，厚0.30～6.70 m，平均为4.20 m，裂隙发育不均，方解石脉穿插于裂隙之中。根据钻孔抽水试验得知，单位涌水量0.011 71 L/s·m，转换口径后为0.039 L/s·m(口径91 mm,落差10 m)，水位标高1 104.85 m，含水层富水性弱，但局部富水性中等。

b) 奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层。

该矿奥灰水静止水位标高为1 139 m，实际隔水层厚度150.9 m，14-1106工作面4-1#煤层底板标高715～793 m，低于奥灰水静止水位标高424～346 m，属带压开采。经计算，巷道底板突水系数为0.038～0.033 MPa/m，低于临界突水系数值，属于相对安全区；安全隔水层厚度6.8 m，小于实际隔水层厚度150.9 m.

2 工作面胶带顺槽钻孔出水经过和机理分析

2.1 出水经过

2017年12月13日，该矿在14-1106工作面下顺槽23#点前58 m处进行超前物探，直流电(图2)和井下瞬变电磁结果(图3)显示前方存在低阻异常区域，对物探异常区进行钻探验证。2017年12月14日开始施工钻孔，截止2018年1月5日累计施工钻孔15个。其中，顺层方向10个钻孔、顶板方向2个(出水量均为1.5 m3/h左右、第二天疏干)、底板方向3个，总进尺1 017 m，疏放水量26 145 m3. 截止2018年1月15日15个钻孔中有6个钻孔出水，其中底板方向3个，顺层方向3个，合计涌水量为40.5 m3/h. 出水钻孔情况见表1.

图2 23#点前58 m直流电法超前探测成果图

图3 23#点前58 m瞬变电法超前探测成果图

表1 出水钻孔情况表

2.2 出水机理分析

1) 确定充水水源。

主要采用水化学特征分析判别水源，在出水点取样进行水质化验分析，化验结果见表2. 由表2可知，水质类型为HCO3-Na， Na+含量较高，占阳离子总含量的60%～70%；矿化度为491 mg/L，显示砂岩水特征，通过与水质化验数据库比对，与太原组含水层水化学特征接近，初步分析判定直接充水水源为太原组含水层水。

表2 钻孔出水水化学分析表

2) 确定充水通道。

为确定充水通道，利用矿用钻孔测井分析仪对其中2个底板钻孔进行了窥视(图4). 根据图4及掘进过程中收集的14-1106工作面胶带顺槽断裂构造延伸情况综合分析，基本确定充水水源为4#煤层底板砂岩含水层水，充水通道为裂隙，充水区域在平面上为迎头前50～64 m(图5中圈住部分)。

图4 钻孔窥视仪影像资料图

图5 钻孔布置及出水区域范围示意图

3 治 理

3.1 疏 放

分析出水机理后，编制了《14-1106工作面胶带顺槽4#煤层底板至K3砂岩段水文地质探测疏放水钻孔设计及安全技术措施》，在保证排水系统完善，并留足30 m超前距的前提下，在工作面适当位置施工钻场，对出水区域底板进行进一步探测，并按照设计施工了3个4-1#煤层底板水疏放孔，分别编号为K1、K2、K3，钻孔设计参数见表3. 终孔位置均为5#煤层底板(见图6)，K1孔初期涌水量为59.3 m3/h，水压0.9 MPa；K2孔初期涌水量为45.5 m3/h,水压0.9 MPa；K3孔初期涌水量为48 m3/h,水压0.9 MPa. 其中，K1钻孔全孔取芯，层位层序基本稳定无塌陷错乱现象。对钻探成果和钻孔窥视资料综合分析,最终确定出水水源为位于4#煤层底板的K3砂岩裂隙水。经过疏放，7天后该工作面迎头涌水量由40.5 m3/h减小到 10 m3/h，疏放效果明显。

表3 钻孔设计参数表

图6 K1号钻孔实际剖面图

3.2 注 浆

编制了《14-1106工作面胶带顺槽4#煤层底板注浆改造设计及施工组织安全技术措施》，对14-1106工作面胶带顺槽底板富水区域进行了注浆改造，改造示意图见图7. 该次注浆改造工程共计施工5个注浆孔和1个验证孔，总进尺211 m，消耗水泥浆液11.5 t. 通过改造加强了安全隔水层厚度的抗采(掘)动能力，同时封堵了4-1#煤层底板及以下导水裂隙带，保证了矿井安全生产。

4 结 论

岚县正利煤业14-1106掘进工作面在“有掘必探”过程中，对钻孔出水机理进行分析及对出水进行治理，杜绝了水害事故的发生，确保了工作面安全掘进，为带压开采的构造导水性探测及煤系地层含水层水的疏放方案提供了参考依据，同时也从侧面印证了“有掘必探”在煤矿防治水工作中的重要性。