工作面含水层和煤层底板的防治水研究

申绍锋

(山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司，山西 乡宁 042100)

引 言

矿井突水事故为我国煤矿生产中主要地质灾害之一，其发生次数仅次于瓦斯事故。因此，针对矿井突水的防治工作对保证工作面的安全生产尤为重要。在实际开采过程中，工作面顶底板的应力平衡状态被打破，其对应隔水层存在被导通的风险，进而发生顶板溃水、溃砂以及底板突水事故的发生[1]。本文以某煤矿煤层开采为研究对象，结合理论分析和数值模拟的手段提出针对工作面含水层和煤层底板的防治水工作提出建议。

1 工程概况

某煤矿共有5个工作面，本文以其中的12211工作面为例开展研究。在工作面钻孔探测得出该工作面基岩的最小厚度为18.71 m，最大厚度为198.93 m，平均基岩厚度为74.38 m。以12211工作面1#煤层开采为例，1#煤层的平均厚度为5.86 m，煤层倾角范围为3°～6°。目前，1#煤层采用倾斜长壁综放开采方式进行开采。12211工作面1#煤层的顶底板情况如表1所示。

表1 12211工作面1#煤层顶底板情况

经探查，12211工作面1#煤层含水层自上而下分为松散岩类孔隙含水层、碎屑岩类孔隙含水层、碳酸盐岩类孔隙含水层、基岩裂隙含水层。综合分析，12211工作面1#煤层在开采期间主要受松散岩类孔隙含水层和煤层底板含水层的威胁。因此，本文将从松散岩类孔隙含水层和煤层底板含水层的防治方案及效果进行研究。

2 松散岩类含水层防治水研究

对于松散岩类含水层的防治水效果需充分掌握其分布特征及含水层之间的相关联系等。结合该工作面相关钻孔资料和抽水试验结果，本矿松散岩类含水层从上至下依次为强富水层组(厚度为34 m～52 m)，该层组较稳定，含水丰富；相对弱富水层组(10 m～50 m)、稳定隔水层组(40 m～50 m)；相对弱富水层组(主要成分为细砂、粉砂)，该层组的水量主要为静储量。

目前，针对松散含水层可采用的防治措施包括有限高开采法、充填开采法、疏干开采法以及留设安全煤岩柱法[2]。结合12211工作面1#煤层的岩层特征及现有生产工艺，采用疏干含水层的防治措施。

对于疏干含水层防治措施的实施需根据静储量采取合适的防治措施，疏干含水层中包括有砾石、粗砂、中砂、细砂以及粉砂等，根据不同岩性的给水度得出不同岩性的静储量，计算公式如式(1) 所示。

Vi=Si×di×μi

(1)

式中，Si为不同岩性的含水层面积；di为不同岩层的厚度；μi为不同岩性的给水度。

通过计算砾石、粗砂、中砂、细砂以及粉砂等的静储量得出松散岩类含水层的静储量的最大值为1 476 055 m3，最小值为1 014 443 m3。

根据12211工作面的实际情况，同时采用井下钻孔和地面钻孔方式进行疏干防水的操作[3]。其中，共在12211工作面井下施工57个新孔，且所有孔中最大涌水量为1.5 m3/h；在地面共施工钻孔数量为4个，各个钻孔的参数如下：

疏1孔位于工作面切口向外260 m的位置，钻孔深度为245.8 m，在放水期间最初水量为40 m3/h，最终水量稳定于16 m3/h；

疏2孔位于工作面切口向外20 m的位置，钻孔深度为250.31 m，在放水期间最初水量为12 m3/h，最终水量稳定于4.3 m3/h；

疏3孔位于工作面切口向外250 m的位置，钻孔深度为259.7 m，在放水期间最初水量为37 m3/h，最终水量稳定于22 m3/h；

疏4孔位于探水巷前方15 m的位置，钻孔深度为260.8 m，在放水期间最初水量为6 m3/h，最终水量稳定于2.3 m3/h。

经统计，自从工作面采用疏干含水层的防治措施总共疏放地下水量为11.58万 m3；与工作面水量监测的数据相比对可知，工作面静水储量能够被完全疏干，即可有效对12211工作面松散含水层进行防治，保证工作面的安全生产。

3 煤层底板的防治水研究

煤层底板突水的防治效果需探明煤层底板的含水层厚度及其相关的导水通道的特征[4]。因此，在制定煤层底板防治水方案之前需了解整个煤矿的地质水文条件，尤其是煤层底板的含水层和隔水层的特征，其特征如图1所示。

图1 煤层底板含水层、隔水层综合特征图

煤层底板上段含水层主要为灰岩岩溶裂隙承压含水层，该含水层的厚度范围为1.12 m～20.67 m，平均厚度为10.45 m；煤层底板下段含水层主要同样为灰岩岩溶裂隙承压含水层，该含水层的厚度范围为1.32 m～32.69 m，平均厚度为20.8 m。

经对钻孔所采集的数据进行统计，煤层底板与灰岩顶界之间隔水层的厚度范围为0.35 m～16.97 m，其平均厚度为5.10 m。而且，在实际开采过程中受采动的影响煤层底板扰动深度可达20 m，远远大于其隔水层的厚度。因此，受采动影响煤层底板突水的危险性非常大。

针对煤层底板突水的防治工作可通过疏干降压、对煤层底板及含水层进行改造以及采取合理的开采方式等实现。其中，疏干降压主通过疏水巷道、抽水钻孔以及放水钻孔等将工作面的涌水排干；对煤层底板及含水层进行改造一般采用注浆方式将其底板及含水层凝固、硬化，提高底板的隔水性能；通过采取合理的开采方式，减小由于采动影响对底板扰动的深度，降低底板产生突水的风险[5]。

对于12211工作面煤层底板的防治工作而言，其最佳防治措施为疏水降压，根据工作面实际情况施工1个截水孔和3个堵水孔，确保工作面的水位低于安全水位。

4 结语

煤矿水害事故严重威胁着采掘工作面的安全生产，其破坏能力仅次于瓦斯事故。因此，采取有效的防治水措施对保证工作面的安全生产意义重大。针对12211工作面松散工作面含水层采用井下和地面联合疏干方式进行防治；针对煤层底板含水层分别采用疏水降压的方式进行防治。