煤层顶板导水裂隙带发育规律及探放水技术

申 龙

(潞安环能股份公司 常村煤矿，山西 长治 046102)

随着我国采煤机械化程度的不断提高，高产高效综采技术得到全面推广，同时由于矿井开采不断向深部延伸，矿井水害问题愈加频发，极大影响了矿井的安全高效生产[1-2]。许多学者对其进行了相关研究[3-5]。本文基于常村矿2305工作面水文地质资料，对顶板砂岩水控水规律进行研究，分析了矿井充水因素，确定了2305工作面导水裂隙带高度，由此进行了顶板富水性探查和探放水技术，为矿井顶板水害的防治奠定了基础。

1 地质概况

常村井田以褶曲为主，地层倾角3～6°，其中东部以单斜为主，伴有近东西向波状起伏，西部为近南北向褶曲，北部和东南部有大断层和陷落柱发育。矿井可划分为15个含水层，即中奥陶统马家沟组灰岩岩溶含水层，太原组K2、K3、K4、K5灰岩岩溶裂隙含水层，山西组K7砂岩裂隙含水层，3号煤层顶板砂岩裂隙含水层(S4)，下石盒子组K8砂岩裂隙含水层，上石盒子组基岩风化带裂隙含水层，基岩风化带含水层，第四系下更新统孔隙含水层和中更新统孔隙潜水含水层等。井田内主要隔水层自上而下主要有：本溪组铝土质泥岩隔水层，3号煤层底板隔水层等。

据统计,常村煤矿自建井以来大小涌水点共计36个，其中顶板涌水点合计34个，占总涌水点的94.4%；底板K2灰岩涌水1次；陷落柱涌水1次；断层带无涌水情况。涌水点最大涌水量250 m3/h，顶板砂岩涌水量50 m3/h以下的涌水点25个，占总涌水点的69.4%。

2305工作面布置于3号煤层内，煤厚平均6.3 m，工作面掘巷期间未发现3号煤顶板富水异常区，但回采期间揭露有aXn8陷落柱，该陷落柱有潜在导水因素，依据矿井地质资料和物探等技术确定，导水水源为K8、K10顶板砂岩水，同时该工作面属于承压开采区域，3号煤底板标高为+408.0～+430.0 m，矿井奥灰水水位标高为+639 m，带压高度为209.0～231.0 m水柱，隔水层厚度为73.33 m，突水系数为0.026 MPa/m，因此须重视水患防治。

2 矿井充水因素分析

基于矿井地质资料和已有突水点监测分析，确定矿井充水通道如表1所示。

表1 矿井充水通道分析

基于表1可知，3号煤层突水主要受到褶曲构造尤其是向斜构造以及采动的影响，基于3号煤层相关工作面的统计调查，工作面发生较大突水水源来源于K8和K10砂岩水。

3 导水裂缝带高度分析

基于2305工作面实际地质条件，通过采用回归分析方法进行顶板覆岩导水裂隙发展分析，获得6.3 m采高下顶板导水裂隙发育规律，如图1所示。

分析图1可知，在6.3 m采高条件下，工作面导水裂隙高度与工作面推进距离呈现非线性关系，因此基于数值计算软件获得4阶多项式拟合公式，如式(1)所示，具体拟合示意如图2所示。

y=3e-7x4-2e-4x3+3.92e-2x2-2.223 8x+41.83

(1)

图1 顶板导水裂隙发育规律

图2 顶板导水裂隙发育规律数据拟合示意

分析图2可知，在工作面回采初期，导水裂隙发育缓慢，当工作面推进至100 m时，导水裂隙高度开始急剧上升，并在回采至160 m之后，覆岩导水裂隙发展趋于平稳，稳定值约为95 m。由此得出，2305工作面覆岩导水裂隙带发育高度基本处于95 m左右，已超过隔水层厚度，因此在工作面回采前必须进行覆岩顶板砂岩水的探放作业。

4 探放水技术方案

4.1 顶板探放水设计原则

为保证探放水工作的安全高效，基于工作面实际地质状况，制定以下探放水设计原则：

1) 设计采取多打孔、多穿含水层、打钻方向尽可能垂直水位等高线以便在各含水层增加穿越距离，尽量在构造发育地段及工作面向斜轴部打孔的方法进行。

2) 探放水位置应为地质、水文地质分析和地球物理勘探确定的富水区域，即褶曲(向斜和背斜)构造轴部尤其是向斜轴部位置、断裂构造发育地带和陷落柱发育位置以及瞬变电磁勘探确定的富水异常区。

3) 目前矿井煤层顶板K10含水层的钻孔单位涌水量为0.58，顶板钻孔的影响半径约60 m，即正常情况下顶板探放水钻孔间距约120 m，同时顶板探放水垂直高度约为95 m，即顶板探放水含水层应为煤层顶板S4、K8和K10砂岩含水层。

4.2 顶板探放水工艺

根据探放水设计原则，首先进行2305工作面瞬变电磁勘探，确定工作面的富水异常区，图3所示为3号煤层N3采区K8、K10、S4砂岩水富集区域，其中2305工作面位置已用圆圈圈出。

图3 N3采区K8、K10、S4砂岩水富集区域示意

分析图3可知，N3采区富水区域主要集中于测区的北部及西南部，在中部砂岩裂隙发育相对较弱，其中2305工作面主要受到K8和K10砂岩富水区域影响。

基于上述富水区域分布情况，对2305工作面进行了钻孔设计和探放水，如图4所示为向斜轴部、富水异常区的复合等部位设计的23个钻孔布置示意。

图4 钻孔布置示意

通过对现场钻孔数据统计分析，在排除水患因素的同时确定：①位于褶曲构造轴部尤其是向斜轴部的钻孔，其探放水量较大；②地面瞬变电磁勘探确定的富水异常区中，除有一处富水异常区正好位于向斜轴部外，其它富水异常区施工的钻孔，其探放水量均较小或基本无水；③2305工作面顶板探放水量为241.91 m3/h，大于估算的顶板正常涌水量188.70 m3/h，实际探放的水量与估算的正常涌水量不太吻合是由于2305位于矿区的底部；④所有探放水钻孔中期涌水量较大，但过数天后涌水量明显减少，表明顶板砂岩裂隙水以静储量为主，补给量不大，变化形式基本呈初期少中期大后期少的趋势。

5 结 语

1) 在6.3 m采高条件下，确定了工作面导水裂隙高度与工作面推进距离拟合关系式，并基于拟合关系式确定在回采至160 m后，覆岩导水裂隙稳定在95 m左右。

2) 基于瞬变电磁勘探确定N3采区富水区域主要集中于测区的北部及西南部，中部砂岩裂隙发育相对较弱，其中2305工作面主要受到K8和K10砂岩富水区域影响。

3) 通过布置钻孔探放水，确定工作面集水形式主要以静储量为主，且褶曲构造轴部尤其是向斜轴部区域水量大，涌水量变化呈现初期少中期大后期少的趋势。