深部煤层开采防治水方案分析

薛一生

（晋能控股煤业集团地煤鑫泰建井公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤矿开采过程中受到地质灾害的影响，对煤矿的安全造成严重的威胁，我国具有广泛的厚煤层分布，在开采过程中，矿井受到地质压力作用等多种因素的影响造成的矿井水害是厚煤层开采面临的重要问题[1]。在我国厚煤层的开采中，水文地质条件较为复杂，矿井的充水因素具有不确定性，且厚煤层的顶底板面临的承压较大[2]，增加了突水发生的风险。厚煤层的防治水成为开采过程中必须解决的问题，针对我国某厚煤层开采的煤矿为例，对水文地质条件进行分析，制定相应的防治水方案[3]，保证煤矿的安全开采并为深部煤层的开采防治水提供参考，提高煤矿的安全性。

1 深部煤层开采水文地质条件分析

以我国北部地区的某深部开采的S 煤矿为例进行分析，矿井南北方向长度约为8 km，东西方向宽度约为2.5 km，采用长臂综采的方式进行采煤[4]，含煤地层的平均厚度为195 m，煤层的平均厚度为15m，共含煤层为15～18 层，可采煤层的含煤系数为7.9%。

S 煤矿所处地区主要依靠大气降水及局部的沟谷河床渗漏形成地下水的补给，地下水的径流主要受到地层的构造及地形因素的影响[5]，局部范围受水动力条件的制约，区域内的奥灰水整体的流向为自西向东流动。地下水的水位变化主要受到补给、径流及排泄条件的影响，依据对矿区水位的观察，矿区内的水位呈雨季上升趋势旱季下降的趋势，在降雨后的一天内水位即呈现上升变化[6]，最大水位一般滞后于降雨期20～30 d，矿区内径流的年变化幅值一般为5～10 m。

S 煤矿属于隐伏状煤矿，共包含9 个含水层，在含水层之间分布有不同厚度的隔水层，各层之间的岩性及厚度均不相同，其中粉砂岩及泥岩的稳定性较高，具有较好的隔水性能，各隔水层之间的主要特征如图1 所示[7]。在隔水层的作用下，各含水层之间在正常条件下没有相互的水力联系，在遇到落差较大的断层或存在裂隙及陷落柱等垂直导水通道时，则会造成各含水层之间的水力联系，奥灰成为主要的水源，容易引发煤矿的透水事故。

图1 矿井隔水层组合示意

在矿井开采过程中，区内的小断层发育，成为充水的主要通道，发生多次小断层的突水，最大突水量为120 m3/h，在进行地质补勘中揭露封闭不良的钻孔10 个，可能引发奥灰突水，不良钻孔成为矿井的充水通道[8]，引发安全事故。由于矿井煤层的开采深度达，底板承受的压力作用大，在矿压及水压的作用下，煤矿底板的破坏深度影响大，煤层底板的阻水能力低，容易引发底板的突水。对矿井的涌水量进行统计，在矿井开采中涌水量逐年增加，这说明工作面的掘进开采增加了矿井的涌水量，需对其进行一定的防治水方案，避免造成煤矿的水害事故。

2 深部煤矿开采防治水方案分析

在S 煤矿开采中由于开采深度较大，煤层底板的承压高，且地下水的补给量大，存在着发生突水的危险，为降低风险，针对矿井的地质水文条件进行防治水分析，采取相应的措施保证煤矿的开采安全。

2.1 掘进阶段防治水分析

为避免S 矿揭露导水结构造成的突水灾害，在巷道掘进前应对掘进前方的导水结构进行准确的探查，采用物探及钻探结合的方式[9]，对掘进巷道进行准确的探测，探测工作的主要操作流程如图2 所示。

图2 巷道掘进探测作业流程

在进行巷道掘进作业前，采用综合物探的方式对前方的导水结构进行超前探测，对地质结构的异常体进行标记，在进行超前探时，可采用电磁法、音频电穿透法等多种方式进行探测，并相互比对验证，从而保证探测结果的准确性。

对于标记的异常区域进一步采用钻探进行验证，在一定的区域布置相应的钻孔，探查孔的数量应不少于2 个，钻孔的布置如图3 所示[10]，钻孔倾角在-10°～-20°，钻孔之间的相互距离应大于30 cm。

图3 钻孔验证布置示意图

2.2 工作面回采前防治水分析

随着工作面的开采，煤矿的顶底板承压随之发生变化，在工作面进行回采前，应采用直流电法、瞬变电磁法等综合的物探手段，对工作面开采过程中隐伏的构造及底板的薄弱地带进行探测，并对导水构造区及富水的异常区域进行钻探探测。对于经过钻探验证的导水构造及富水异常区采用注浆的形式进行加固，依照煤矿的防治水规定进行加固操作，注浆完成后，必须进行检验，直至满足加固的要求后[11]，才能进行进一步的煤矿工作面的回采作业。工作面回采前的防治水方案，如图4 所示。

图4 工作面回采前防治水方案示意

2.3 工作面回采过程防治水分析

回采过程中奥灰水对矿井的安全具有严重的威胁，在回采过程中，对监测层地下水的动态变化进行实时的监测及分析，在奥灰含水层及开采煤层之间选择2 个监测层，对监测层布置相应的测孔水位，对水位的变化及水质、水文的变化进行实时的监测，从而可以实现对突水事故的提前预知，减少突水事故造成的危害。

进行监测层的选择时要保证监测层的采区及工作面分不稳定，且与奥灰水的水质具有一定的差异性，从而便于快速的对水样变化进行测定及分析；监测层要具有良好的渗透性，从而保证能够及时的反映水位的变化，同时监测层应尽量的远离煤层底板[12]，从而可以对水位的变化进行预报，增加工作面开采作业及时响应的时间。

3 结语

S 煤矿作为深部开采的煤矿，主要的水害威胁来自奥灰水，地下水的补给量大，且矿井的开采深度大，底板的承压较大，对煤矿的防治水应主要以防为主。针对煤层的开采条件，煤矿开采掘进过程中存在着底板奥灰水突水的风险，针对巷道掘进前、工作面回采前及回采过程中，采用综合物探、钻探验证及底板加固、监测层实时监测的形式对煤矿制定相应的防治水方案。在巷道掘进中采用综合物探的形式标记异常区域，采用钻孔探测的方式进行验证，保证探测结果的准确性，在工作面回采前，采用综合物探及钻孔探测的方式对富水异常区进行探测，并采取相应的加固措施，进行回采过程中，对监测层的水质及水位变化进行实时的监测。通过综合的防治水方案，对煤矿深部煤层的开采提供安全保障，减小水质灾害发生的危险，保证煤矿的安全开采。