龙泉矿4301工作面涌水原因及水害治理研究

薛丁华

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 晋城 048006）

1 概述

1.1 矿井情况

龙泉矿位于娄烦县城北10km处，行政区划属娄烦县静游镇管辖，于2009年7月1日开工建设，2016年11月28日正式投产。矿井设计能力为500万t/a，井田面积35.2373km2，可采煤层共3层，分别为4号、7号、9号煤层。目前仅开采第一水平4号煤层，平均厚度6.47m，现开采采区为二、三采区，回采工作面有4202和4301工作面。

1.2 矿井水文地质特征

龙泉矿4号煤水文地质条件为中等，属全井田带压开采，突水系数值0.0135～0.0904MPa/m。

4号煤顶板充水水源主要有山西组、下石盒子组、上石盒子组的K4、K5、K6砂岩含水层。其中K6砂岩厚度1.38～29.73m，平均厚度11.0m；K5砂岩厚度10.0～19.0m，平均厚度17.0m；K4砂岩是4号煤层的直接顶板，厚度3.87～11.0m，平均厚度8.6m。K4、K5、K6砂岩含水层均属于承压裂隙含水层，富水程度与地质构造关系密切，在正常天然条件下各含水层之间的联系较差，但是，一旦存在地质构造，构造发育地段富水性相对较大。

4号煤层底板充水水源主要为K3砂岩含水层、太原组薄层L3～L1灰岩以及奥陶系多层特厚含水层。由于4号煤层开采后底板的破坏深度有限，而K3砂岩含水层没有足够的动态补给水量，底板充水在短时间内主要以含水层静储量的疏干为主，因此，一旦产生突水情况，涌水量的大小主要取决于岩层裂隙的空间延展度以及各裂隙之间的网络连通条件。

2 4301工作面出水经过

4301工作面是4号煤三采区的首采工作面，工作面走向长1200m，可采长度为715m，倾向宽250m。该工作面内均无地质钻孔和封闭不良钻孔，掘进过程中仅揭露了三条隐伏断层，断距均小于5m。因该工作面底板承受太灰水压高达5.4～6.4MPa，工作面回采后初次来压即发生底板涌水。随着工作面回采至128m位置，涌水越来越大，最终达到最大值190m3/h，后稳定在180m3/h左右，目前处于停产状态。具体涌水经过为：

4301工作面初期涌水量为40～50m3/h，主要为工作面顶板淋水、瓦斯钻孔出水、探放水钻孔出水。走向推进至102m处时揭露工作面“有采必探”钻孔，致使工作面水量增加至70m3/h，然后25#和46#支架煤壁出现涌水，当时实测涌水量约50m3/h，这时工作面总涌水达到120m3/h。继续推进至128m处时，128#支架底板又发生出水，最终涌水增大至190m3/h，工作面停产后逐步稳定至180m3/h左右。

3 4301工作面涌水原因分析

3.1 涌水水源分析

（1）出水量分析。从涌水量变化情况来看，4301工作面的涌水量稳定在180m3/h左右，且长达10个多月水量基本稳定，说明补给水源稳定。初步判断提供稳定水源补给的很可能为深部奥灰含水层。

（2）水质分析。通过采样水质化验，4301工作面底板涌水水质类型为 HCO3·SO4-Ca·Mg·Na 型水，阳离子Ca2+、Mg2+离子含量占41.83%～ 47.18%、21.06%～ 34.59%，Na+离 子 15.68%～ 31.50%， 阴离 子HCO3-占 50.92%～ 53.94%，SO42-占 40.88%～43.42%。与太原组含水层水（HCO3-Na）及与奥陶系（HCO3-Mg·Ca 型、HCO3·SO4-Mg·Ca 型 ） 灰 岩水质均有一定差异。

（3）从奥灰水位动态看，4301工作面开始出水至涌水量达到最大，奥灰观测孔LS1观测水位下降较明显。说明4301工作面出水对地下水流动系统产生了一定影响，奥灰水对该工作面涌水有一定的补充。

综合分析后认为：4301工作面的涌水水源主要为太原组砂岩、灰岩含水层组水、本溪灰岩含水层水、顶板砂岩水的混合型水源，后期奥灰水作为间接补充水源进入了开采空间。

3.2 出水通道分析

4301工作面奥灰突水系数为0.052MPa/m左右，出水点分散不集中，涌水为矿压与水压的共同作用所引起的弥漫型分散型裂隙型出水，出水过程伴随着回采进程不断发展演化。4301工作面底板破坏深度应该在30m左右，底板破坏直接沟通底板砂岩、灰岩含水层组而出水。因此，在无导水陷落柱、导水断层或裂隙带等导水构造情况下一般不会发生奥灰出水。而且如果出水水源主要为奥灰水，在工作面内部及其外围附近应该存在导水隐伏陷落柱或垂直导水裂隙带等垂直导水构造。但是，该工作面的井下槽波地震探测未发现陷落柱，且地面施工的三采区三维地震勘探也没有探测到陷落柱的存在。

然而，在该工作面发生出水后井下施工的水文补勘孔3#孔钻进至170m附近时，卡钻现象比较严重，岩体破碎，拔钻杆过程中水量逐渐增大，最后增大到100m3/h，同时从钻孔喷出大量岩石碎块，碎块的岩性有泥岩、砂质泥岩、铝土泥岩、细砂岩等。因此，该工作面的涌水通道可能为小型隐伏性导水构造或裂隙破碎带。

综上所述，该工作面涌水为矿压与水压的共同作用所引起的弥漫型分散型裂隙型出水，出水过程伴随着回采进程不断发展演化，水源为多个含水层参与的混合型出水，除了前期的顶板水外，既有底板砂岩水、底板薄层灰岩水，也有底部奥灰水，奥灰水是主要的补给水源。根据井下施工的水文补勘孔揭露情况分析工作面底板可能存在一小型隐伏性导水构造或裂隙破碎带。

4 4301工作面底板水害治理方案

因4301工作面出水为弥漫型分散型裂隙型多个含水层的混合型出水，奥灰水是主要的补给水源，也就排除了疏水降压的可行性。因此，工作面出水区域以封堵减水为主，待采区域以探查改造为主。

钻孔布置原则：本着“针对性强、注浆效果好、确保全覆盖”的原则，在工作面水平切面上采用放射状展布，在垂直剖面上长短相结合，所有钻孔都以斜孔为主，从而使钻孔揭露的含水层段能够尽量长，钻孔尽可能与断层、裂隙带垂直或斜交，并穿过多个含水层。

钻孔注浆层位：主要注浆层位为太灰L3+L2薄层灰岩以及本灰+K1含水层组，仅个别钻孔到奥灰含水层。工作面采空区下的注浆点距30～50m，两顺槽外侧钻孔控制间距50m，目前停采位置外待回采超前压力破坏区钻孔控制间距100m。

钻孔具体布置方案：在4301工作面的两条顺槽各布置3个钻场，设计30个探查注浆孔，见钻孔布置平面图（图1）及钻孔参数设计成果表（表1）。

5 结论

（1）查明了4301工作面的涌水水源主要为太原组砂岩、灰岩含水层组水、本溪灰岩含水层水、顶板砂岩水的混合型水源，后期奥灰水作为间接补充水源进入了开采空间，而工作面的涌水通道可能为小型隐伏性导水构造或裂隙破碎带。

（2）制定了4301工作面的底板水害治理方案，从钻孔布置原则、注浆层位、钻孔布置方案等方面进行了详细设计研究，最终认为工作面出水区域治理工作以封堵减水为主，待采区域以探查改造为主。