大采深高承压矿井水文地质条件及防治水技术

  冀中能源峰峰集团九龙矿的设计生产能力为120 万t /a。矿井采用立井分水平开拓方式，一水平标高－ 600 m，二水平标高－ 850 m，矿井地面标高+ 137 m 左右。矿井共有6 层可采煤层，主采煤层为2 号煤层和4 号煤层，6 号煤层以下煤层受奥灰水威胁暂不能开采，煤层煤质为肥煤和焦煤。截至2010 年1 月1 日，矿井地质储量23 015. 9 万t。

 

  1 矿井水文地质条件

 

  1. 1 主要含水层

 

  井田煤系地层发育有煤系基底奥灰含水层、大青含水层、山伏青含水层、野青含水层和大煤顶板砂岩含水层等5 个主要含水层。

 

  1) 奥灰含水层。奥灰含水层厚500 ～ 600 m，分为3 组8 段，主要岩性为角砾状灰岩、白云质或泥质灰岩、花斑灰岩和厚层纯灰岩，其中2，4，5和7 段富水，8 段弱富水，1，3 和6 段为相对隔水段，奥灰具有统一的水位，水位标高为+ 102—+ 106 m; 平均渗透系数2. 218 m/d，平均单位涌水量0. 634 L / ( s·m) 。矿化度5 000 ～ 7 400 mg /L，水质类型为Cl － － SO2 －4 － Ca2 + － Na +。

 

  2) 大青含水层。岩性主要为深灰、青灰色石

 

  灰岩，厚0. 40 ～ 6. 84 m，裂隙发育，多充填方解石。水质类型为Cl － － SO2 －4 － Na + － Ca2 + ，水位标高+ 118. 12— + 129. 28 m，平均渗透系数1. 931m/d，平均单位涌水量0. 01 L / ( s·m) 。

 

  3) 山伏青含水层。含水层厚1. 19 ～ 9. 73 m，平均4. 92 m，结构致密，含燧石结核，局部裂隙发育。水位标高为+ 110. 14 m，水质类型为Cl － －SO2 －4 － Na + ，平均渗透系数2. 321 m/d，平均单位涌水量0. 075 6 L / ( s·m) 。

 

  4) 野青含水层。含水层厚0. 30 ～ 3. 40 m，平均2. 08 m，含燧石结核，裂隙不发育，富水性弱。

 

  水质类型为Cl － － K + － Na +。平均渗透系数为0. 546 m/d，平均单位涌水量0. 019 L / ( s·m) ，生产中已大面积揭露，工作面回采正常涌水量一般为6 m3 /h，容易疏干。

 

  5) 大煤顶板砂岩含水层。含水层厚0. 8 ～18. 7 m，平均6. 60 m，岩性为细砂岩、中砂岩及少量粗砂岩，裂隙不发育，富水性弱。水位标高+ 95. 77— + 122. 49 m，水质类型为Cl － － HCO －3 －Na + ，平均渗透系数为0. 067 m/d，平均单位涌水量为0. 015 L / ( s·m) 。

 

  1. 2 隔水层

 

  从含水层水位、水量及水化学类型等方面来看，各含水层之间在正常情况下无水力联系，各含水层之间存在良好的隔水层。奥灰与煤系地层呈假整合接触，正常情况下不发生水力联系，但遇落差较大的断层或陷落柱时，奥灰便成为煤系含水层的主要补给来源。

 

  由以上叙述可知，大青含水层以上含水层富水性弱，影响4 号煤安全开采的含水层主要为大青含水层和奥灰含水层。

 

  1. 3 影响4 号煤开采的主要含水层水文条件分析1) 大青含水层。大青含水层上距4 号煤层底板70. 5 ～ 75. 8 m。2002 年开采的第2 个4 号煤工作面15421N 底板突水后，在15421N 工作面回风巷施工了大青含水层水文孔，单孔涌水量6 m3 /h，水位+ 24. 49 m。2003 年在开采4 号煤的北翼地区进行了大青含水层补充勘探工作，施工10 个水文孔，单孔涌水量0 ～ 200 m3 /h，水位－ 372. 9—+ 113. 7 m，其中6 个钻孔几乎无水。

 

  同时，2004 年在开采第3 个15431N 工作面时开展了底板岩体地应力的测试研究工作: 4 号煤底板岩体的破裂强度8. 5 ～ 14. 1 MPa，抗拉强度为1. 5 ～ 2. 4 MPa，最小主应力为4. 6 ～ 10. 1 MPa，最大主应力为6. 8 ～ 17. 7 MPa，大青含水层水压7. 1 ～ 7. 5 MPa，4 号煤底板存在大青含水层突水的可能性。因此必须降低大青含水层水压才能保证安全开采。

 

  2007 年开采的第4 个15423N 工作面，采前施工了5 个大青含水层疏降钻孔，最大单孔涌水量18 m3 /h，一般6 m3 /h，大青水位+ 27. 6— + 73. 6m，水质类型Cl － － SO2 －4 － Na + － Ca2 + ，工作面三维立体电法勘探［3］和三维地震资料表明，工作面底板未发现其他导水构造，据此分析15423N 工作面发生大青含水层灾害性突水的可能性不大。开采过程中15423N 工作面底板发生了大青含水层突水事故，稳定突水量90 m3 /h。

 

  综上所述，在自然条件下，大青含水层富水性较弱，与奥灰含水层水力联系不密切，富水性明显受构造控制，局部与奥灰联系地段富水性较强，对生产安全有影响。

 

  2) 奥灰含水层。九龙矿井田北部以F9断层

 

  ( 落差80 ～ 160 m) 为界，西部以F8断层( 落差85 ～ 750 m) 为界，南部以F26断层( 落差150 ～160 m) 为界，东部以标高为－ 900 m 的2 号煤底板等高线为界，基本轮廓为中间隆起，北、西、南下降，东部向深部延深的不完整地垒式构造。矿井内各主要含水层与外围含水层基本失去水力联系，大幅减少地下水的补给来源，形成地下水以静储量为主的水文地质特征，为封闭较好的水文地质块段。

 

  九龙井田奥灰埋藏深度500 ～ 1 060 m，奥灰水主要通过西南进水口流入井田，向北部、东部径流。井田与邻区相比水质类型截然不同，水温差异大，表明井田与区外水力循环交替不畅，径流条件差，基本处于相对滞流状态。

 

  为进一步查明奥灰含水层的水文地质条件，2008 年进行了奥灰含水层的勘探工作，在最大放水量为420 m3 /h 的情况下，放水孔中心水位最大降深达120 m。

 

  奥灰含水层属区域性含水层，具有厚度大、分布广、静储量和水压大的特点，如果具备畅通的通道条件，仍会导致灾害性水害的发生。

 

  1. 4 突水情况及原因分析

 

  九龙矿是峰峰集团开采最深的矿井，4 号煤层底板承受奥灰水压9. 3 MPa，截至目前已开采了4个4 号煤工作面，按照开采时间先后顺序依次为15413，15421N，15431 和15423N 工作面。

 

  4 个4 号煤工作面均发生过煤层底板突水，15413 工作面最大突水量57 m3 /h，稳定水量15m3 /h，目前已无涌水; 15421N 工作面最大突水量210 m3 /h，稳定水量30 m3 /h; 15431 工作面最大突水量90 m3 /h，稳定水量30 m3 /h; 15423N 工作面第1 次最大突水量540 m3 /h， 稳定水量30m3 /h，第2 次突水最大水量7 200 m3 /min; 分析这4 个工作面的突水资料可得出4 点结论。①随着开采工作面的周期来压，工作面底板发生底鼓而突水，突水量在突水几小时或几天后迅速衰减。②随开采标高的降低，煤层底板突水由突大青水到先突大青水后突奥灰水，开采的4 个工作面中有3 个工作面突大青含水层水，最后开采的15423N 工作面表现为先突大青含水层水，然后突奥灰含水层水。

 

  在15421N 工作面突水后，工作面大青含水层水位下降200 m; 15423N 工作面第1 次突水后，工作面大青含水层水压由5. 0 MPa 下降为1. 7 MPa，水位下降330 m。15423N 工作面第2 次突水后，工作面大青含水层水压未下降，距工作面2 285 m 的奥灰含水层观测孔水位最大降深达212. 37 m。③随着开采标高的降低，煤层底板突水的频率越来越高，突水量越来越大; ④4 号煤工作面几次突水都发生在回采期间，掘进期间未发生突水。

 

  影响4 号煤开采的主要含水层为大青含水层和奥灰含水层。自然条件下，大青含水层富水性弱，与奥灰含水层水力联系不密切，但在构造或导水陷落柱发育地段其富水性强，与奥灰含水层的水力联系也较强。因该矿开采深度大，工作面承受大青含水层和奥灰含水层水压高，在隔水层底板裂隙和构造发育等薄弱地段易发生工作面底板突水，尤其在发育导水陷落柱地段易发生灾害性突水。2009 年1月8 日发生的特大突水的原因就是: 4 号煤工作面底板下41. 35 m 的位置，发育了1 个目前技术手段难以查明的7 m × 14 m 的小型导水陷落柱，减少了奥灰层面与4 号煤之间的隔水层厚度( 68. 65 m) ，在采动破坏和水压综合作用下，奥灰水通过陷落柱突破煤层底板，造成15423N 工作面采空区的滞后突水［6］。

 

  与九龙矿相邻的大采深矿井也陆续发现陷落柱，如南侧梧桐庄矿已发现4 例导水性极强的陷落柱，北侧羊东矿区目前也发现了11 例陷落柱，现在九龙矿已发现了导水性极强的隐伏陷落柱且已造成了严重的水害，因此不排除在其他地段发育强导水陷落柱的可能性，这些潜在的隐伏陷落柱就是九龙矿未来开采面临的最大水害隐患。

 

  2 矿井防治水技术与对策

 

  基于上述对矿井水文条件的分析与评价，提出矿井防治水的技术与对策: 强化安全设施建设、查清矿井水文地质条件并进行超前综合探测、封堵和注浆加固导水通道、合理疏水降压以及综合治理。

 

  2. 1 强化安全设施建设

 

  1) 增建矿井抗灾泵房，提高矿井抗灾能力。

 

  目前矿井排水能力最大为3 600 m3 /h，远不适应矿井复杂的水文地质条件环境，增建抗灾泵房可使矿井排水能力达9 000 m3 /h，确保工作面突水后，水小不淹采区、水大不淹水平、突水不淹矿井。

 

  2) 建设矿井隔离设施。根据矿井多年水文地

 

  质工作经验，建立分区、分水平、分煤层的隔离系统非常必要，一旦矿井某一区域或某一工作面发生超过排水能力的水害，关闭水闸能迅速切断与其他区域的联系，防止水害进一步扩大，最大限度地减小受灾面积，而且有利于快速进行水害治理。

 

  3) 建设地面注浆系统。防范煤层底板灰岩水突出的重要措施之一就是对工作面煤层底板破碎带或裂隙通道进行注浆加固改造和封堵，这样可以提高煤层底板抵抗矿山压力和底板灰岩水水压的能力，减少工作面底板突水的概率。而在井下实施高达10 MPa 以上的大量注浆是非常困难的，而且很不安全，会面临注浆材料的运输、储放和搅拌等诸多困难。为此，建立地面注浆站尤为重要。

 

  2. 2 查清矿井水文地质条件

 

  查清矿井水文地质条件是进行矿井防治水工作的先决条件，只有查清了矿井水文地质条件，才能采取有效的防治对策［7］，查矿井水文地质条件有2个重点: ①以矿井为重点开展水文地质勘探工作;②以工作面为重点开展水文地质勘探工作。要清查矿井水文地质条件主要有以下工作。

 

  1) 地面综合探测。设计采区前，首先采用地面三维地震手段，探明采区落差5 m 以上的断层要素，控制断层落差、产状及其在走向和倾向上的变化; 查明区内的陷落柱发育情况; 查明奥灰顶面起伏形态及埋深; 同时，利用地面可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法等电磁法物探手段，进行采区综合水文物探工作，确定断层、陷落柱的含( 导)水性及含( 导) 水深度和范围; 查明区内2 号煤以下各主要含水层至2 号煤的导水裂隙、通道发育范围［8］。同时，为进一步最大限度地利用原三维地震数据资料，对三维地震资料进行精细解释，对危害性较大的陷落柱及常规解释难以反映出来的小构造及裂隙发育带进一步精确解释。

 

  2) 在工作面开拓、掘进过程中的综合探测。

 

  ①在巷道掘进过程中接近地面物探确定的可疑导水异常区或发现水文异常时，应立即停止掘进，采用物探手段( 井下瞬变电磁法、井下直流电法) 进行超前探测，探测巷道周围是否存在含( 导) 水断层、含( 导) 水陷落柱或含( 导) 水裂隙异常，探明这些异常的发育位置和范围。对探测到的异常区再进行钻探验证，从而查明掘进前方以及巷道周围的水文地质条件，制定相应的防突水治理措施。

 

  ②在井下生产区域巷道进行瞬变电磁法和直流电法勘探，确定大青含水层富水地段或地质、水文地质异常地段; 然后进行钻探验证和放水连通试验，如发现出现异常则制定注浆加固治理方案并进行治理。③对地面探测效果不好、不具备地面探测条件以及构造发育地段，采取逢掘必探、有疑必钻的探测方针，采用DTC － 150 防爆地质超前探测仪和钻探相结合的方法进行超前探测，避免突然揭露导水构造而导致水害事故的发生。

 

  3) 工作面回采前的底板综合探测。工作面贯通后在井下采用井下瞬变电磁法、立体三维电法、无线电坑透仪进行煤层和煤层底板含水层富水性及导水构造发育情况的探测，对物探资料进行综合分析，得出工作面内及四周含( 导) 水构造、含水裂隙带及底板岩层富水性情况，并用钻探手段对物探结果进行验证，然后制定综合治理措施。

 

  4) 大青含水层和奥灰含水层放水连通试验。

 

  放水试验是查水文条件的有效方法，在井下施工大青含水层和奥灰含水层放水孔，进行放水连通试验，确定奥灰含水层疏降可行性和奥灰含水层补给大青含水层的地段，制定专项注浆封堵方案，切断2 个含水层之间的水力联系。

 

  2. 3 封堵和注浆加固导水通道

 

  根据综合探测的导水通道和裂隙带发育的高度、范围、深度和含水层富水地段的发育范围等编制专门的注浆方案，设计中应根据实际情况对钻孔布置、注浆材料、浆液配比、注浆压力等作出明确规定。注浆后的效果要达到将裂隙充填密实，使强含水层段变为弱含水层段，甚至隔水层段，从而避免工作面回采期间的底板突水。

 

  2. 4 合理疏水降压

 

  奥灰含水层和大青含水层的高水压是导致4 号煤开采突水的主要原因，因此开采前应对奥灰含水层和大青含水层进行疏水降压，将水位降至安全水位以下。对奥灰含水层初步勘探资料的分析发现，奥灰含水层水位有疏降的可能，在经济合理、技术许可的条件下，对奥灰水进行适当疏降，降低奥灰水压; 开采时可以在井下工作面附近施工奥灰放水孔，形成以工作面为中心的降落漏斗，开采期间放水，工作面开采结束后关闭钻孔阀门或进行封孔，对大青含水层直接疏水降压即可，从而降低奥灰含水层和大青含水层的突水危险性。

 

  2. 5 综合治理

 

  在采取疏水降压、封堵导水通道和注浆加固等其他防治水技术措施的情况下，采取小面开采、水情监控、水害预警、留设防水煤柱和充填开采等综合防治水技术措施。

 

  1) 小面开采。目前九龙矿4 个4 号煤工作面倾斜长130 ～ 170 m，应优化工作面设计，缩短工作面倾斜长到70 ～ 80 m，最大限度地降低采场应力对煤层底板的破坏，从而减少突水概率。

 

  2) 水情监控。对矿井水位、水压和水量进行实时监测，根据水位、水压和水量的变化，适时作出超前防范对策。

 

  3) 水害预警。工作面回采前安装微地震或分布式电法水害监测预警系统，可在工作面发生水害前发出预警，以便及时采取防治水措施，避免发生水害事故。

 

  4) 留设防水煤柱。在查明的大断层、地层薄弱地段以及目前技术条件下难以治理的地段留设防水煤柱，以减少构造地段发生水害，从而保证生产安全。

 

  5) 条带开采。条带开采可有效降低采动应力

 

  和采动效应，最大限度地减小煤层底板破坏深度，应对条带开采方法进行试验。

 

  6) 充填开采。目前冀中能源膏体充填、似膏体充填、高水材料充填等充填技术十分成熟，可将充填技术应用到受水威胁的4 号煤层开采防治水技术中，可大幅降低采动影响和煤层底板破坏深度，提高开采安全程度。