郭庄煤矿涌水量预测分析及防治水措施研究

赵永波

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

在煤矿开采过程中，要对工作面的涌水量进行预测，并及时制定防治水方案。郭庄煤矿17号煤层在太原组的下部，与下部太原组底界平均距离16.44 m，上部与16号煤层平均距离16.26 m，根据矿区的水文地质条件，通过判断充水水源，采用大井法[1]来计算矿区的涌水量，以制定防治水措施。

1 水文地质概况

郭庄煤矿17号煤层的平均厚度为0.65 m，煤层比较稳定。其中，直接顶的煤层厚度为0.11 m，煤层的平均抗拉强度为1.04 MPa，平均抗压强度为21.39 MPa，工作面的瓦斯涌出量为7.41 t/min，正常涌水量为212.5 m3/h，最大涌水量为311 m3/h，工作面的排水能力为245 m3/h。

根据郭庄煤矿的实际水文地质概况，17号煤层在开采时，矿井的主要充水水源是奥陶系灰水，以静态储量为主。随着对含水层的疏放，水量会不断减少，钻孔的富水性相对较弱，井田内赋存状态不稳定，对开采几乎没有影响。17号煤层下奥陶系灰含水层的水头比煤层底板高，底板的破坏深度为11.6 m，由于17号煤层处于带压开采状态，开采过程中产生的裂隙不会与奥陶系灰含水层导通，但如果在构造比较发育的块段，奥陶系灰水会通过构造与17号煤层导通，构成煤层开采的直接充水水源。

2 涌水量特征分析

2.1 往年涌水量预测

近几年矿井涌水量的观测资料[2]可以看出，正常的涌水量为52.7～237.6 m3/h，平均年正常涌水量小于200 m3/h，最大的涌水量为463.4 m3/h。随着开采时采空区的面积不断增加，矿区工作面内的涌水量也在不断增加。

2.2 未来涌水量预测

由于井田内煤层的地质构造较简单，主要充水水源是奥灰水，采用大井法来预测工作面内的涌水量。由于大井法是一种数学解析法，根据水文地质条件，采用地下水动力学分析方法对涌水量进行预测，将承压水转为无压水，计算稳定流，公式为：

式中：Q为矿井涌水量，m3/h；K为渗透系数，m/d；M为含水层的厚度，m；H为水柱高度，m；h为疏干井的水位深度，一般取0；r0为引用半径，m；R0为含水层的引用影响半径，m。

郭庄煤矿17号煤层渗透系数为0.198 8 m/d；含水层厚度是一个平均值，是对顶板冒裂范围内含水层砂岩累计厚度求平均后得到的，根据顶板砂岩等厚线图，预测出含水层厚度平均值为15 m；水柱高度是指含水层原始水位到底板的深度，取原始水位为+354.61 m，计算出水柱高度为155.84 m；引用半径与采区的总面积有关，计算出引用半径为682 m；影响半径与含水层的稳定流有关，根据经验公式，计算出影响半径为695 m，引用影响半径是引用半径与影响半径的和，则引用影响半径为1377 m。根据公式，计算出在-200 m水平处矿区的正常涌水量和丰水涌水量结果见表1。

表1 涌水量预测结果表

从表1可以看出，根据综合分析，预测的涌水量结果准确，与实际开采情况相符。

3 防治水措施

3.1 帷幕注浆堵水方案

对工作面的主要进水补给方向进行帷幕注浆堵水[3]，注浆孔从巷道中心呈伞形布置，采用后退式分段注浆方式，注浆分段长度为30～40 m，单孔注浆扩散半径为2 m，终孔间距为2～3 m，注浆压力约是静水压力的2～3倍，采用水泥-水玻璃双液注浆材料，水灰比为0.8:1～1.5:1，并加入适当的化学浆，形成一定的挡水墙，阻隔地下水进入井下的水源补给通道，可以有效地截断地下水的侧向补给源，堵水效果在70%以上，可以大量节约排水的费用。

3.2 排水系统设计

根据预测的矿井涌水量，在工作面的低洼处共安设1号、2号、3号、4号共4个水仓，在工作面运输巷北侧施工长403.2 m的泄水巷，并在泄水巷和运输巷之间建立相互沟通的联络巷，在副井底车场处安设强排水泵房。具体的水仓布置示意图如图1。

图1 工作面水仓布置示意图

工作面水仓的具体布置为：1号水仓的容积为1100 m3，其余三个水仓的容积均为500 m3；在1号水仓中配有4台潜水泵，其中两台使用两台备用，2号水仓中配有2台潜水泵，其中一台使用一台备用；井田内有一个内水仓，水仓容积为3385 m3，有一个外水仓，水仓容积为4100 m3；在中央水泵房配有5台水泵，其中两台使用两台备用，一台检修，水泵流量为485 m3/h，扬程为670 m；强排水系统中使用2台潜水泵，并配套1600 kW的电机，潜水泵与对应管路同时进行工作，强排水系统的排水能力为1100 m3/h。

确保回风巷和运输巷两巷沟通顺畅，及时对排水系统进行检查，确保排水系统正常进行排水作业，加强对井下的监测，对可能出现的突水事故及时进行汇报。在回采时遇到突水征兆时，比如顶板片帮、底板鼓起、钻孔喷水、挂红变湿等现象[4]，立即停止排水作业，工作人员撤出井下，快速制定有效的解决办法。在回风巷常备防水方木材料，有两种规格，分别是1600 mm×200 mm×150 mm和2000 mm×200 mm×150 mm，各备50根，搪柴50捆，塑料编织袋200只，黄泥2车。

4 效果分析

对郭庄煤矿17号煤层进行帷幕注浆堵水，帷幕轴线长约300 m，按30 m的布孔间距，打注浆孔10个，钻探进尺12 000 m，注浆量约24 000 m3。矿区的涌水量预测值见表2。

从表2可以看出，采用帷幕注浆堵水后，涌水量得到有效控制，大面积地面塌陷情况得以解决，保护井下地质环境。

表2 帷幕注浆堵水矿区涌水量预测值

5 结论

为了准确预测矿井内的涌水量，根据矿区工作面的实际水文地质条件以及往年涌水量情况：

（1）采用大井法对工作面的涌水量进行预测，预测出正常期矿区的涌水量为165.01 m3/h，丰水期矿区的涌水量为278.64 m3/h。

（2）根据预测结果，采用帷幕注浆堵水方案进行封堵，并设计排水系统，预测出正常期矿区的涌水量为100.31 m3/h，丰水期矿区的涌水量为241.14 m3/h，强排水系统的排水能力为1100 m3/h，能满足工作面的正常排水需要，为井下安全开采提供了保障。