哈拉沟煤矿22206工作面防治水工作评价研究Word格式文档下载.docx

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22206工作面主要含水层为松散潜水含水层和直罗组、延安组承压含水层。

松散潜水含水层富水性弱到中等，主要接受大气降水补给，向两沟谷段径流。

直罗组、延安组承压含水层富水性弱至极弱，主要接受侧向补给和顶部松散含水层渗透补给。

基岩顶界风化段平均4.7m，渗透性较强。

1工作面充水条件分析

1.1充水水源

（1）大气降水

本区多年平均降水量为435.7mm，但降水集中。

7～9月约占全年总降水量的60～70％，除小部分形成地表径流流走外，大部分渗入到松散层内，直接补给第四系含水层。

据井下观测，在降雨季节，雨水通过导水裂缝进入到井下后，一般滞后一天左右矿井涌水量就会出现显著变化，导致矿井涌水量随季节有不同的变化，故大气降水为本面的直接充水水源。

（2）地下水

根据哈拉沟煤矿水文地质条件，煤层顶板砂岩裂隙承压水和第四系松散岩类潜水是矿井主要充水水源。

①第四系松散岩类潜水

主要由全新统河谷冲洪积层孔隙潜水含水层、上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层组成。

根据22煤层赋存条件和浅埋煤层的垮落特征，导水裂隙带将与第四系含水层沟通。

因此，第四系潜水是矿井的主要充水水源之一。

②侏罗系基岩裂隙水

井田内侏罗系中统基岩砂岩裂隙水主要是风化岩孔隙裂隙承压水。

风化岩孔隙裂隙承压水将通过开采形成的导水裂隙带进入工作面，成为矿井的主要直接充水水源，但该含水层富水性为弱至极弱。

1.2充水通道

本面充水通道主要是回采后在采空区上部形成的冒落带和裂隙带。

煤层开采后，冒落带和导水裂隙带将直接波及第四系松散砂层含水层，从而引起大气降水和地下水可能同时涌入到井下，极易造成工作面突水溃砂灾害的发生。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》（简称“三下规程”）中提供的计算公式，

冒落带高度为：

式中：

∑M为累计采厚。

22206工作面过沟段设计采高为4.2m，计算得到过沟段2-2煤的冒落带高度为13m。

导水裂隙带高度计算公式为：

公式一：

Hli—导水裂隙带高度（m）；

M—采厚（m）。

22206工作面过沟段设计采高4.2m，根据公式一，计算可得22206工作面22煤层顶板导水裂隙带高度为：

35.1~46.3m

公式二：

（式中符号同公式一）

根据公式二，计算可得22206工作面过沟段22煤层顶板导水裂隙带高度为：

51m。

综合以上两种计算公式，22206工作面过沟段22煤层冒落带高度最大为13m，导水裂隙带高度最大为51m。

22206工作面过沟段上覆基岩厚度12.8～57.2m，最薄处位于切眼4#硐室和22206回顺105联巷附近，揭露基岩厚度均为12.8m，松散层厚度11.5～36.1m。

因此，冒落带最大高度在切眼处可以发育到松散层，而导水裂缝带在局部甚至可以发育到地表，势必将顶板含水层水通过导水裂隙带导入矿井，该区域主要含水层是松散含水层，富水性中等到弱，回采过程中松散沙层将会随着水沿着导水裂缝带涌入矿井，对矿井的安全生产造成影响，具有突水溃砂危险。

1.3充水强度分析

22206工作面回采时导水裂缝带发育高度直接波及到第四系松散含水层，而三元沟附近第四系松散含水层富水性较强，因此，在过沟开采段，矿井涌水强度会增大。

22206工作面回采从3月25日开始，当雨季来临时已推过过沟段，因此大气降水对过沟段影响不大。

2工作面突水溃砂可能性评价

工作面发生水砂溃涌灾害时必须具备以下4个条件：

（1）存在水砂溃涌的物质基础

水砂溃涌事故的发生与含水砂层富水性强弱、水砂组合情况密切相关。

含水层的富水性强弱、地下水侧向补给量及大气降水补给量决定静水压力的大小，对于中等一强富水含水层，较高的静水压力潜伏有强大的水势能，为水砂溃涌提供了充足的动力，潜水一旦转化为直接充水水源，将造成工作面或巷道水砂溃入的局面，溃入量的多少则取决于含水层结构及空间配置，即水砂组合情况。

基岩与水砂接触类型可以分为以下3种情况：

基岩顶面为砂砾石层含水层，上部为黄土层和松散砂层。

这种情况，工作面溃砂的砂源则是砾石层中所夹的中-细砂，在防砂范围内，顶板初次全厚切落贯通时，其中所含的砂直接进入工作面或采空区，随着涌水时间增长，砾石层则变为滤砂层，有阻止进一步溃入之功效，另外由于水势能的减小，溃砂失去动力；

基岩顶面为黄土层，上部为松散砂层含水层时，这种结构由于黄土层（厚度大于5m）有较好的隔水性能，有一定的抗剪强度，结构致密，水砂进入工作面的通道受阻不易形成涌水溃砂事故但不可避免有这种情形存在，即煤层上覆基岩过于薄，加之黄土层厚度不大（小于5m），煤层采高大，采掘冒落后，产生干扰的黄土“天窗”，此时砂在水动力的作用下，通过天窗进入工作面，造成灾害性溃砂事故；

基岩顶直接为砂层含水层，在这种条件下开采浅埋煤层，极易造成水砂俱下的严灾害，特别是当煤层顶板被冲蚀严重时，会引起工作面的报废，本文研究的重点就是基于此类型水砂组合情况，即饱和含水砂层直接与基岩接触。

根据22206工作面井下钻孔以及地面孔施工情况，两支沟处上覆基岩与水砂接触类型为直接接触，从而具备了水砂溃涌的第一个条件：

具有直接覆盖在基岩面上的饱和含水层砂层。

（2）存在水砂流动的通道

浅埋煤层薄基岩厚松散层下开采水砂溃涌通道主要分为三种类型，一类是天然地质条件因素，由断层、褶皱等地质结构组成的先天性破碎通道；

另一类是人为开采活动引起覆岩破坏而形成的网络裂隙通道与冒落裂隙通道；

第三类是天然构造因素与人为开采活动共同作用的结果，如采动造成断层活化及导致加剧导水裂隙带高度发育。

三种类型的通道产生原因都与地质因素有关，第一类通道是开采前就已经形成的优势通道，第二类通道是在开采过程中产生的人为通道直接贯穿薄基岩，第三类通道是前两类通道的叠加。

这三类通道一旦与含水砂层直接沟通，极易将水砂导入到工作面内。

哈拉沟煤矿水砂流动通道主要为冒落裂隙通道，该矿22402工作面在过哈拉沟开采过程中，在采高为5m、基岩厚度为42m的情况下发生了溃砂事故，冒采比达到了8.4倍。

22206工作面过沟开采段导水裂隙带将直接沟通饱和含水砂层，从而具备了水砂溃涌的第二个条件：

具有水砂流动的通道。

（3）存在较大的动水压力

含水砂层在未采动之前存在一定的静水压力，该压力与含水层富水性成正比关系，相对开采煤层底板而言，含水层的静水压力隐含强大的势能，在含水砂层被网络或冒落裂隙沟通的瞬间，含水层水发生流动，势能立即转化为动能，此时砂层不但要受到静水压力对其的劈裂作用，而且还要面临地下水为克服阻力而对砂层施加的动水压力作用，在静、动水压力共同驱动下，含水砂粒发生大范围移动，从而引发水砂溃涌事故的发生。

22206工作面已进行顶板预疏放工程，根据3月15日地面孔松散含水层水位观测资料，北沟含水层厚度分别为：

H156孔2.4m、H152孔2.02m、H155孔0.01m，北沟含水层厚度较小，但仍未彻底疏干；

南沟松散含水层厚度分别为：

H154孔9.43m、H153孔1.4m、H157孔3.15m、含水层厚度还较大，沙层水未达到有效疏放。

据此分析冒裂带一旦直接沟通饱和含水砂层，水将携带砂层通过采动导水裂隙进入到工作面内，从而具备了水砂溃涌的第三个条件：

存在较大的动水压力。

（4）存在容纳水砂流入的空间—工作面、采空区或巷道

当饱和含水砂层直接被网络或冒落裂隙沟通时，在动、静水压共同作用下，含水层中的砂粒随着水流方向朝涌水口移动，如果涌水口下方存在较大的空间，那么流动的砂颗粒在足够大的水流带动下朝工作面、采空区和巷道汇聚，短时间内将空间充填、淹没。

如果被充填的空间较小，即使有较大的水流作用，溃决的砂体也只能堆积在溃砂口的下方，从而阻止溃砂的进一步发展。

因而，临空面空间的大小将决定溃砂危害性的大小及发展程度。

哈拉沟煤矿采用的是综采、垮落法管理顶板，从而具备了水砂溃涌的第四个条件：

存在容纳水砂流入的空间—工作面。

综上所述，水砂溃涌的四个影响因素归纳起来包括：

水砂源、通道、动力源、流动空间，这四个要素的相互作用是导致水砂溃涌的内在机理。

上述四个条件缺一不可，必须同时具备，方可导致工作面突水溃砂事故的发生，而22206工作面过沟开采时上述4个条件都具备，据此分析工作面存在突水溃砂威胁。

3工作面防治突水溃砂工作评价

3.1井下探放水评价

为保证22206工作面的安全回采，神东地测公司对22206工作面进行了探放水。

在22206工作面切眼、两顺槽及泄水巷共施工了206个探放水孔，其中38个钻孔初始涌水量为10~50m3/h，15个钻孔初始涌水量为50m3/h以上。

初始涌水量最大的为T13孔106.7m3/h，但是初始衰减较快，后一直稳定在较低水量，分析原因为松散沙层底部局部存在风化基岩及12煤火烧岩，该层富水性较好，所以井下部分钻孔初始涌水量较大，静储量不容易疏干，如图6-2所示。

其次为T62孔100.7m3/h。

截止3月11日，总疏放水量为286399.1m3，钻孔总涌水量为24.1m3/h，其中涌水量为0~1m3/h的钻孔为197个，1~3.5m3/h的钻孔为10个，涌水量最大的T51孔3.5m3/h。

从探放水水量及衰减情况看，目前总涌水量24.1m3/h，累计疏放水量286399.1m3，从地面水文观测孔变化情况，北沟目前含水层厚度0.01~2.4m，南沟目前含水层厚度1.4~9.43m。

从疏水降压角度而言，北沟降压效果较好，已改变了原含水层的水力性质，相对而言，砂体流动性变差，而南沟含水层厚度还很大，且水位下降缓慢，分析为上部沙层粒度较细、渗透性较差，沙层水不易疏放，导致钻孔水量很快衰减，沙层水未达到有效疏放。

3.2工作面松散层注浆工程效果评价

（1）注浆范围

1）在工作面切眼两顺槽L形注浆区域及切眼基岩厚度小于20m的区域进行注浆加固；

2）在南沟对应工作面运顺侧基岩厚度小于25m区域进行注浆加固。

（2）注浆工程量

本次注浆工程，注浆孔呈正三角形布置，孔间距10m。

共在工作面切眼初采段及运顺91～93联巷对应南沟基岩厚度小于20m的区域布置注浆面积10797.7m2，注浆孔161（其中切眼初采段注浆面积7939.8m2，注浆孔113个；

运顺侧注浆面积2857.9m2，注浆孔48个）。

（3）注浆效果评价

本次在井下3个注浆区域施工了7个检验孔。

分别为在北沟1区施工YZ1、YZ7孔，在北沟3区施工YZ2孔和YZ6孔；

在南沟施工YZ3孔、YZ4孔和YZ5孔。

从检查孔取芯效果可以看出，YZ1孔注浆段取芯效果较差，YZ7砂层段注浆取芯效果比YZ1好，说明在北沟1区部分注浆区域内，固结效果不好；

YZ2孔、YZ6孔对风化基岩及松散层注浆加固，取芯效果好，说明在北沟3区注浆区域内，注浆固结效果好；

北沟2区没有施工注浆检查孔；

南沟区YZ3YZ4和YZ5在松散层段穿过砾石、红土和黄土层，可以取芯，有些岩芯剖面裂隙中见水泥痕迹，根据现场岩芯固结程度判断，南沟区注浆固结效果好。

3.3工作面涌水量预测及排水系统评价

（1）工作面正常涌水量预测

根据工作面开采过程中顶板活动与工作面涌水量之间的关系，本项目采用“动、静态水结合法”对22206工作面正常涌水量进行预计。

①计算公式的确定

根据推进过程中工作面的涌水特点，22206工作面周期性出水时涌水量主要由两部分组成：

第一部分为顶板垮落冒裂带初次或周期发育至含水层后，导致冒裂带影响范围内的含水层与周边含水层被导水裂隙断开，使其内部的水通过纵横交错的裂隙被释放出来流入到工作面内，这部分水因为与原来的含水层脱离，不再接受侧向补给，因而这部分属于静态水，可按照含水层在一定时间内给水能力进行预计，该部分水量的计算公式为：

（4-1）

K—渗透系数，m/d；

M—含水层厚度，m；

L—工作面斜长，m；

B—初次沟通主要含水层垮落区宽度，m；

μ—含水层给水度；

t—最终完成溃水时间，日。

第二部分为顶板垮落后，冒裂带周边未受开采影响的含水层，沿冒裂边界侧向径流源源不断地流入到工作面内，该部分水量主要由冒裂区顶部含水层的垂直下渗补给和冒裂区四周含水层的侧向径流补给两部分组成，因为有动态补给源，所以这部分水属于动态水，可按照“大井法”进行水量预计，该部分水量的计算公式为：

（4-2）

Q—动态涌水量（m3/h）；

M—含水层厚度（m）；

H—水头高度（m）；

R0—引用影响半径（m）；

r0—引用半径（m）。

矿坑所在含水层均质无限分布，天然水位近似水平，因此引用影响半径R0可采用如下式计算：

R0=r0+R，R=

，r0=

S—水位降深值（m）；

F—开采区面积，m2。

将两部分水量相加，即可得出工作面水量计算公式：

（4-3）

②计算参数的选取

根据哈拉沟煤矿地质资料并结合采矿参数，现确定计算工作面涌水量相关的计算参数如下：

A、松散沙层含水层渗透系数及厚度按照Q81水文孔揭露值考虑，其值分别为0.01955m/d和27.22m；

B、基岩含水层厚度及渗透系数按照Q43号水文孔提供的数据，厚度为16.42m，渗透系数按0.0367m/d。

C、工作面采宽取305m，周期性垮落距离取15m。

松散含水层给水度取0.04，基岩风化带含水层给水度取0.020（参照规范选取），地下水渗流时间和最终完成溃水时间均取4日。

③正常涌水量的计算

将上述参数代入工作面涌水量计算公式，可得工作面正常涌水量为：

（2）过沟开采段涌水量预测

针对过沟开采段涌水量预计，本项目仍采用“动、静态水结合法”。

＋Q河

Q沟－工作面过沟开采时涌水量；

Q河－三元沟沟流流量，0m3/h；

A、松散沙层渗透系数按照13、Q80号水文孔揭露值考虑，其值为0.2314-5.10m/d之间，按照平均值2.67m/d考虑；

潜水含水层厚度按照回采地质说明考虑，其值为11.5~36.1m，取其最大值36.1m；

B、基岩含水层厚度按照回采地质说明，厚度为12.8～57.2m，取其平均值35m；

渗透系数按照Q43号水文孔提供的数据，按0.0367m/d。

C、工作面采宽取305m，过沟开采段垮落距离取15m。

松散含水层给水度取0.10，基岩风化带含水层给水度取0.05（参照规范选取），地下水渗流时间和最终完成溃水时间均取2日。

③最大涌水量的计算

将上述参数代入工作面涌水量计算公式，可得工作面过沟开采段涌水量为：

（3）工作面排水系统能力评价

①22206回顺安装DN200排水管路4趟，DN150供水管路1趟，DN100排水管路1趟。

②22207回顺安装DN200排水管路2趟、DN200排沙管路1趟、DN150供水管路1趟、DN100排水管路1趟。

③22206工作面机尾安设四台BQW200/20*6/100kW强排泵，两台BQW-100/50-45KW潜水泵，一台BQW100-50-37泥浆泵，一台BQS200-90/100KW排沙泵（互为备用）。

④22206工作面机头103联巷水仓安设BQW-100/50-45KW水泵两台、BQW200/20*6/100kW强排泵三台、BQW100-50-37泥浆泵一台BQS200-90/100KW排沙泵一台（互为备用）。

经计算，22206工作面两顺槽总排水能力最大为1380m3/h。

根据涌水量预计结果，本报告将过沟开采时矿井最大涌水量522m3/h作为评价工作面排水系统排水能力的依据，据此分析其排水能力能够满足22206工作面排水需求，并具有一定的抗灾变能力。

4结论

通过对22206工作面水文地质条件、充水条件、突水溃砂可能性的分析研究，采取了探放水、井下松散含水层注浆等针对性的突水溃砂防治措施，并对工作面的涌水量进行了预测，加大了工作面的排水能力，总体防治水技术措施可靠，工作面可以安全回采。

作者简介：

杨胜林，男（1983.10—），陕西神木人，2006年7月毕业于宝鸡文理学院电气工程系，助理工程师，现主要从事煤化工检修工作。

参考文献：

[1]缪协兴、王长申、白海波，神东矿区煤矿水害类型及水文地质特征分析[J].采矿与安全工程学报，2010。

[2]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：

煤炭工业出版社。

[3]国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京：