1、厚煤层富水顶板控水开采技术0引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料。但在煤炭开采过程中，安全问题频出，直接危害生命财产安全。一直以来，矿井水害是煤矿五大地质灾害之一，是威胁矿井正常、有序生产的关键。在建井和生产过程中，流入矿井的水对矿井建设和生产有很大影响。工作面淋水影响工人的身体健康和劳动生产率的提高。当矿井的涌水量超过矿井排水能力时轻则造成停产和局部巷道被淹，重者使整个矿井淹没。尤其是“透水”，对安全生产危害更大。因此，必须研究矿井水的形成，制定经济、合理、有效的防治水措施，保证安全生产。本文以山西省朔州市麻家梁矿井为例，研究厚煤
2、层富水顶板控水开采技术，为指导矿井安全、高效生产提供理论基础与实践经验。1 麻家梁矿井简介1.1地理位置麻家梁井田位于山西省朔城区的东南部，为同煤浙能有限责任公司一基建矿井，设计生产能力1200万t/a，面积约98.5 km2，计划2011年年底投产。矿井采用竖井开拓方式，初期主采4号煤层，采用综放开采方式。1.2矿井水文地质1.2.1主要含水层本区6个含水层自下而上分述如下：1）下奥陶系岩溶裂隙含水层（O1）区内无钻孔揭露，邻近区仅有三孔不完全揭露。岩性主要为白云质灰岩、石灰岩及白云岩。以溶隙、溶洞为主要岩溶形态。富水性强，为一岩溶裂隙承压含水层。2）中奥陶系岩溶裂隙含水层（O2m）揭露奥灰
3、最大厚度为97.70 m，一般揭露70 m左右。岩性以灰色、浅灰色中厚层状细隐晶质石灰岩、白云质灰岩为主，夹薄层状泥质灰岩及角砾状石灰岩。顶板埋深281.00703.00 m左右。岩溶裂隙发育，以溶隙、溶孔为主要岩溶形态。岩溶裂隙的发育具有垂向分带性，平面上也有一定的分区性。中奥陶系上部分为三个含水段。上含水段：发育较稳定。距O2顶板22.80 m，岩溶裂隙带厚0.6016.50 m，平均厚度5.00 m左右。据区内钻孔抽水实验及简易抽水资料，单位涌水量为0.002150.0535 L/sm，31192孔简易抽水实验单位涌水量达3.365 L/sm。中含水段：发育不稳定。距O2m顶板23.75
4、57.00 m，岩溶裂隙带厚0.8011.20 m，平均厚度4.00 m左右。29188号孔钻进奥灰31.60 m时钻具下落0.40 m，并出现严重漏水；33199号孔揭露本含水段，从其水位及岩芯情况来看，其富水性很弱。下含水段：发育较稳定。距O2顶板46.60106.85m，岩溶裂隙带厚0.6013.40m平均厚度6.00左右。据钻孔抽水试验，单位涌水量1.049L/ sm。综上所述，各含水段岩溶裂隙的发育强弱不等，富水性极不均一。据全区资料分析：下含水段富水性比上含水段要强，而上含水段又比中含水段强些。本组水位标高10591062 m。水质类型HCO3CaMg型水，矿化度0.30.6 g/
5、l。上含水段与中含水段距煤层较近，对煤层开采的影响较大。由于其富水性一般较弱，部分区域可作为相对隔水层段。中奥陶系中下部的含水段分布稳定，富水性强。奥灰水是下部煤层开采的主要威胁。3）上石炭系裂隙含水层（C3t）厚度为61.6198.65m，平均79.32m。岩性主要为细中粒砂岩，成份以石英、长石为主。分选差，泥硅质胶结，全区普遍发育。9号煤层上部发育一层较稳定的砂岩，局部构成9号煤层的直接顶板，裂隙发育一般，富水性弱。抽水试验单位涌水量0.00162L/sm，水位标高1065.14m，水质类型为HCO3Na型水，矿化度0.50.7g/l，为一裂隙承压弱含水组。4）早二叠系下部裂隙含水层（P1
6、s）厚度为61.22102.06 m，平均81.34 m。其中以位于4号煤层上下的K5、K4砂岩比较稳定，厚度较大，岩性主要为细粗粒砂岩及砂砾岩，成份以石英为主，长石次之，分选中等，硅泥质胶结，K5砂岩在局部构成4号煤层的直接顶板。其它砂体厚度变化大，层位多不稳定，裂隙发育一般，富水性弱。抽水试验单位涌水量0.00351L/s.m，水位标高1068.64 m，水质类型为HCO3Na型水，矿化度0.40.7 g/l，为一裂隙承压弱含水组。上述两含水组为4号煤层直接充水含水层，但由于富水性弱，补给条件较差，含水体较为封闭，对煤层开采存在一定影响。5）新生界中、下部孔隙含水层厚度20.3242.7
7、m，平均119.69 m，埋深36.30153.70 m。全区分布，构成基岩直接盖层，此组分为三个含水段：上含水段：厚16.80139.30 m，含水层段平均厚20.22 m。发育稳定。岩性为细粗砂及砂砾石组成，分选中差。27166号孔揭露该段，抽水试验单位涌水量0.00756 L/s.m，水位标高1079.87 m，水质类型HCO3NaCa型水，矿化度0.455 g/l。中含水段：厚0123.60 m，含水层段总厚083.85 m，平均19.33 m，发育较稳定。岩性以细、中砂为主，分选中差。33211号孔揭露上含水段和中含水段，抽水试验单位涌水量0.0333 L/s.m，水位标高1072.
8、93 m，水质类型HCO3MgNa及HCO3ClCaNa型水，矿化度0.4100.637 g/l。下含水段：厚0114.80 m，含水层段总厚076.80 m平均28.18 m，发育不稳定，以细、中砂为主，夹少量砾石层，分选差，其底部有一层发育不稳定的粘土、亚粘土层，厚055.60 m。新生界中下部抽水试验孔3510揭露3个含水段，单位涌水量0.0117 L/s.m，水位标高1173.59 m，水质类型HCO3CaMg。6）新生界上部孔隙含层厚36.30153.70 m，平均厚84.50 m。岩性为细粗砂、砂砾石层及砂土、粘土、亚粘土组成，全区分布。富水性强中等，为一孔隙潜水含水组。有供水意义
9、。1.2.2隔水层1）中石炭系碎屑岩隔水组（C2b）本组即本溪组地层，厚度26.7263.71 m，平均43.19 m。埋深227.36793.91 m。岩性以泥岩、砂岩为主，夹煤线和泥灰岩，底部发育不稳定铁矿层。其中泥岩、铝土质泥岩、粉砂岩等厚度占全组厚度60%以上，泥灰岩、泥质灰岩岩溶裂隙不发育。本组厚度呈现由北向南变薄趋势，全区来看，本溪组地质为一较稳定的隔水组，隔水性能较好。2）二叠系中下部碎屑岩隔水层（P2s+P1x）厚度0414.88 m，平均188.25 m。岩性以泥岩为主，砂岩次之，并夹砂质泥岩、砂砾岩和铝土岩。砂岩成份以石英为主，长石次之。全组粒度自下而上逐渐变细，粉砂岩、泥
10、岩、砂质泥岩、铝土质泥岩占该组厚度的60%以上，裂隙不甚发育，富水性很弱，是一相对隔水组，隔水性能良好。2 矿井4号煤层开采水文地质2.1含水层分析与充水水源1）地表水4号煤层顶板煤层覆盖层厚度均在300 m以上，而根据经验计算，4号煤层回采后冒裂带高度为151.64 m，正常情况下冒裂带不会发育到地表，地表水对煤层回采无影响。2）松散层含水层（第四系冲积层含水组、第三系砂砾层含水组）。该含水层主要接受地表水和大气降水的补给，富水性较强。4号煤层回采顶板冒裂带为151.64m，煤层上覆基岩厚度一般都在300 m以上，煤层回采后一般不会沟通松散层含水层，对煤层回采不会造成影响。3）山西组砂岩裂隙
11、含水组。该含水层组以4号煤层顶底板K5、K4砂岩为主，厚度较大且比较稳定，为4号煤层主要直接充水水源。根据矿井地质及水文地质资料分析，该含水层组富水性一般较弱，主要以静储量为主，在采取一定的防治水技术措施后，含水层对煤层开采一般不会造成威胁。但该含水层在向斜轴部和裂隙发育区段富水性相对较强，水量比较集中，对矿井生产会造成一定影响，因此，在采掘至这些区段时，应加强探查和探放水工作，避免水害事故的发生。4）太原组砂岩裂隙含水层组。该含水层组主要为K1、K2砂岩裂隙水，厚度为61.6198.65 m，平均79.32 m，裂隙发育一般，富水性较弱，对煤层开采一般不会造成威胁。5）中奥陶系灰岩岩溶裂隙含
12、水层。麻家梁井田地处神头泉域奥灰水的迳流区，属强含水层。奥灰水（马家沟组）水位标高在+1059 m+1062 m之间。根据4号煤底板等高线图可以看出，底板等高线介于+620 m+720 m，4号煤层相对奥灰含水层均为带压开采，但4煤层距奥灰含水层距离较远，隔水层厚度均在100 m以上，在完整底板情况下奥灰水对煤层回采不会造成威胁。2.2煤层开采对顶板的破坏岩层采动破断贯通裂隙是煤矿突水的通道，采动裂隙演化规律是判断矿井突水发生条件、进行矿井突水预测和制定矿井开采对策的重要理论基础。煤层回采对顶板的破坏计算：4号煤层回采对顶板的破坏计算根据矿井水文地质规程（试行），4号煤层顶板岩层抗压强度为41
13、.6 MPa82.8 MPa，因此，采用下面公式对冒裂带进行计算：其中：为冒裂带高度，m；为煤层厚度，m；分层数。在这里，煤层采用综放开采，取n为1，M取平均厚度6.32 m，经计算约为151.64m。即煤层开采形成的冒落带与裂隙带的高度约为151.64m。3矿井防排水麻家梁煤矿主采煤层与主要含隔水层结构关系示意图如图3.1所示。 图3.1 麻家梁煤矿主采煤层与主要含隔水层结构关系示意图麻家梁矿初采4号煤层，14101综采工作面顶板大部为灰白色中粗粒砂岩，厚度5.0-13.0 m，平均5.0 m。部分地段直接顶岩性为深灰色泥岩、粉砂岩，厚度0-5.93 m，平均1.1 m。其中灰白色中粗粒砂岩
14、（即k5砂岩）为4号煤层顶板的主要含水层。115地质队在J2井检孔对该段进行了抽水试验，其水位标高为1064.81 m，涌水量2.633 L/s，单位涌水量0.0181 L/s. m，渗透系数0.218646 m/d。173地质队提交的勘探地质报告评述该段的单位涌水量小于0.1 L/s. m， 属弱含水层，但在主井施工中实测该段的最大涌水量为105.4 m3/h，三天后涌水量下降到50 m3/h，在副井的施工中，探眼探至4号煤层顶板以上3-4 m的位置，探孔涌水量最大达到20 m3/h，水压达到2.5 Mpa，在665水平大巷的施工过程中4号煤层顶板的含水层通过锚栓孔涌入巷道，实测单孔流量最大
15、为17 m3/h。井田内奥灰水位标高1059-1062 m，单位涌水量0.1-1.0 L/s. m，富水性强。根据国家的有关规定，在掘进过程中坚持“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的探放水原则，进行探放水工作。3.1顶板水控制技术3.1.1顶板水富水性探测由于在不同岩石所组成的地质体中，岩石的含水性对其相对电阻率有较大的影响、含水地层具有相对电阻率较低的物性特点，且含水程度的差异与地层电阻率的变化幅度相对应，所以，通常采用电磁探测技术测量地下地质体中的电性分布规律进而达到探查矿区导含水地质体的分布及其导含水条件。这种对地层电性参数的获取是三维地震等弹性探测方法所不能及的。在采煤工作面形
16、成后，直流电法在下巷中进行，而音频电穿透则需同时在上巷和下巷中进行。直流电法对地质异常体在垂向上分辨比较清晰，而音频电穿透法对地质异常体的位置分辨比较清晰，因此两者结合可以取得满意的效果。3.1.2超前物探巷道掘进应将超前探测作为日常防治水的重要内容，超前探的主要方法有两种：井下直流电法、瞬变电磁技术。由于在麻家梁煤矿4号煤层为带压开采，又井田断层比较发育，因此，在矿井采掘过程中，超前探测尤为重要。电法探测掘进头前方的含水构造及赋水异常体等，这一方法在煤巷中使用效果较好，因为煤为高阻介质，在有含水构造时介质的电阻差异很大，易于发现异常；而在砂、泥岩中使用效果不好，原因是砂、泥岩为低阻层，其内的含水构造电性差异小
