青岗坪煤矿42105工作面水砂溃涌机理分析

   青岗坪煤矿42105工作面水砂溃涌机理分析

技术研究

苏 超

徐州矿务集团   江苏 徐州 221000

摘要：陕西省旬邑青岗坪煤矿水文地质类型属复杂型，矿区煤层顶板赋存非均质厚层洛河组砂岩含水层， 矿井开采后形成的导水裂隙带导通该含水层，矿井受顶板洛河砂岩水害威胁最大。通过开展厚层洛河组砂岩含水层垂向水文地质特征差异性、上覆含水层向工作面充水机理及工作面涌水量预测理论与方法研究，形成一套成熟的技术成果，并采取针对性的水害防范措施以达到良好的效果。

关键词：涌水量；导水裂隙带；洛河砂岩含水层；充水强度；富水异常区；

0  引言

近年来,随着我国西部煤炭资源的大规模开发利用,由矿井顶板水害引发的安全问题日益严峻。目前,针对顶板水害相关问题的研究还存在诸多不足,主要表现在厚层状非均质含水层垂向水文地质性质差异性特征、综放采煤工作面顶板导水裂隙带发育规律、采煤工作面煤层顶板含水层涌水机理及涌水量预测等方面。通过对以上方面的研究分析，掌握其发生机理，并采取针对性防治手段，有力的保证了矿井采掘的安全，为今后类似的矿井水害防治提供了极有价值的借鉴做作用。

1  矿井概况

黄陇侏罗纪煤田旬耀矿区青岗坪井田青岗坪煤矿于2011年9月正式投产，设计生产能力1.20Mt/a，主采侏罗系延安组4-2煤，可采厚度1.15m~15.55m，平均可采厚度10.26m。矿井开采深度为350～460m，采用斜井单水平开拓，综合机械化开采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。开采范围包括已回采结束的42101、42102、42103、42104、42106综放工作面，正在回采的42105综放工作面。

2 矿井涌水情况

矿井涌水主要由采空区顶板涌水、井筒涌水组成，井筒涌水相对稳定，采空区顶板涌水呈现周期性变化。矿井已回采结束42101、42102、42103、42104、42106综放工作面，正在回采42105综放工作面。以往工作面回采期间涌水量一般小于200m3/h，以往工作面涌水规律总结：通过分析以往工作面回采期间涌水特征，一般情况下工作面初次涌水多发生在一次见方至二次见方之间，二次见方之后涌水量一般趋于稳定。

3 42105工作面水文地质条件

42105工作面位于一采区西翼，东面为一采区三条巷道保护煤柱，南面为42103工作面采空区，西面为一采区保护煤柱，北面为42107工作面未开采区。主采延安组4#煤，工作面宽180m，可采走向长1590m。煤厚8～12m，平均10.5m，煤层倾角0～15°，平均5°。42105工作面含、隔水层自上往下依次有第四系松散孔隙含水层、华池组砂岩裂隙含水层、洛河组砂岩孔隙裂隙含水层、宜君组砾岩相对隔水层、直罗-延安组砂岩裂隙含水层、富县组相对隔水层，工作面开采主要受上部洛河组砂岩孔隙裂隙含水层影响。（见图3-1）

3.1 工作面涌水量情况

42105工作面于2018年8月28日开始回采，10月19日工作面轨道顺槽推采110m，工作面初始涌水，涌水量10m3/h；10月22日工作面涌水量增大至210m3/h(工作面轨道顺槽推采116m）；10月23日工作面涌水量增至300m3/h（工作面轨道顺槽推采120m）；10月29日工作面涌水量逐渐降至200m3/h并保持稳定（工作面轨道顺槽推采133.5m）。

2018年10月30日15时，42105工作面回采至132m（轨道顺槽推采134.5m）位置时采空区涌水突然增大，涌水主要从工作面下隅角底板与61-65#支架尾梁上部涌出，最大涌水量超过650m3/h；11月7日工作面涌水量逐渐降至100m3/h，11月9日涌水量增加，11月13日工作面涌水量增加至超过500m3/h，11月14日水量降至180m3/h，11月19日工作面水量降至100m3/h以下，11月24日水量增加至超过500m3/h，自12月1日以后，工作面涌水量表现出稳定趋势， 12月5日工作面涌水量为326m3/h。2019年1月至2020年8月，42105工作面正常涌水量整体在200～400 m3/h间波动，其中涌水量400~500m³/h共发生25次，超过500m³/h共发生10次。工作面异常涌水已经给矿井造成重大安全隐患和经济损失。

3.2 实测工作面导水裂隙带发育高度

青岗坪煤矿于2019年4月份开展矿井“两带”高度实测工作，工程于2020年5月份完成，在42105工作面地表施工了LD1(采前孔)、LD2(采后孔)两个钻孔，通过地质钻孔利用地球物理测井、井下电视、钻孔冲洗液观测等勘查手段，探查煤层开采后上覆岩层的破坏情况，分析研究煤层采动冒落带、裂隙带发育高度的特征和规律，测井得出42105工作面导水裂隙带发育高度达到195.5m，按照工作面覆岩结构探查成果，煤层顶板到洛河组含水层距离为100m左右，在整个工作面内导水裂隙带将直接波及到顶板洛河组下部砂岩含水层（图3-2），波及厚度约95m，未波及至上部砾岩含水层。

通过42105工作面地表“两带”发育高度实测分析，导水裂隙带已经突破白垩系洛河组底部砂岩含水层近100m厚度，所以42105工作面煤层开采形成的导水裂隙带是最主要的导水通道。

3.3 洛河组含水层充水强度分析

根据上文对工作面涌水量以及煤层导水裂隙带发育高度的介绍，洛河组含水层水参与工作面涌水的通道主要为煤层回采产生的导水裂隙带，直接参与矿井涌水；一般情况下，工作面涌水表现为随着回采进尺的增加，采空区涌水持续增大，达到峰值后逐渐稳定或开始衰减，表现为典型的顶板砂岩出水特征。但由于该区域洛河组砂岩含水层富水性空间上表现为明显的不均一性，工作面回采过程中出现瞬时涌水峰值的情况。

42105工作面涌水量快速增大并多次出现瞬时大流量涌水的情况，最大瞬时涌水量超过650m3/h。涌水量表现为：整体涌水强度大、多次出现涌水量峰值、停采情况下涌水量迅速衰减、不放煤或少放煤情况下涌水量大幅增加且水量波动大、随着采空区面积增加和工作面匀速推进涌水强度变小且波动不大。目前42105工作面回采揭露涌水情况与井田以往工作面涌水和勘探资料出现较大差异，表明洛河组含水层空间非均质性强，不同区域富水性差异较大。

442105工作面水砂溃涌机理分析

42105工作面推采一定距离受采动影响，进入洛河组富水异常区，工作面顶板出水，出水量大且持续较长时间，分析为洛河组含水层水的静储量的释放，随后逐渐变化为动态补给。工作面继续推采后涌水出现异常衰减现象，随后水量开始逐步增大直至达到峰值，分析原因与导水裂隙带的弥合-再开启有关，随着工作面推采，导水裂隙带被泥岩等堵塞充填，过水能力逐渐变小，导致工作面涌水量持续衰减，正常涌水在顶板以上直罗组被积聚，当工作面推采至出水位置时，由于周期来压的影响，裂隙重新被扰动开启，形成涌水量的短时间释放，造成涌水量大（工作面顶板以上30m有20m厚的泥岩，可能造成裂隙的堵塞和弥合）。可以总结为正常推采过程中的导水裂隙弥合-开启型异常涌水。

42105综放工作面回采时受采动影响，顶板导水裂隙带已波及到洛河组含水层，涌水量的大小与洛河组砂岩富水性、采厚、推采均衡性、矿山压力、裂隙发育等因素密切相关。涌水量会随采厚增加而增大；工作面推采不均衡，停采、滞采会导致异常涌水，停采时涌水量会迅速衰减并保持稳定，特别是长时间停采滞采，煤层上覆地层裂隙可能存在局部积水，复采时涌水量会迅速增大，最大可达正常涌水量2倍以上，随后随着回采逐步衰减至稳定值；均衡推采时，工作面涌水量基本稳定，随周期来压出现脉冲式波动。随后工作面停采滞采，再加上多条落差不等断层形成的断层带，加剧了工作面顶板直罗组地层的蓄水空间，该层主要以泥岩为主，泥岩遇水泥化崩解，并随水流逐渐堵塞下部导水裂隙，在侏罗系地层破坏裂隙中形成局部的次生富水区，当导水裂隙内积存的静储量水积聚到一定程度后，在水压和矿压的作用下，闭合的导水裂隙再次张开，积水集中瞬间释放，并携带大量泥砂进入采场，导致工作面涌水成“脉冲式”。42105综放工作面曾多次发生顶板水瞬时涌出并携带大量泥砂的现象，具备“脉冲式”涌水特征，水害防治难度较高。

5、结语

青岗坪煤矿42105工作面具有煤层顶板洛河组砂岩含水层厚度30.20～328.49m，平均277.33m，含水层与煤层之间的间距较小（平均为84.02 m）、工作面涌水量周期涌水增大（最大可达700 m3/h）等特点,且矿井水害已经成为制约矿井生产和威胁矿井安全的首要问题，因此开展矿井顶板水砂溃涌机理的研究具有重大意义。通过掌握工作面水砂溃涌机理，青岗坪煤矿采取了顶板注浆改变疏水通道、动压区域超前疏放水、煤水分离、使用新设备等科学合理的水害防治技术手段防治顶板巨厚砂岩含水层水害，取得了良好的效果，创造了极大的安全效益及经济效益。

参考文献：

【1】 中煤科工集团西安研究院有限公司 青岗坪煤矿42105工作面开采防治水安全评价报告 2019.5

【2】 陕西旬邑青岗坪煤矿 青岗坪煤矿水文地质类型划分报告 2019.3

作者简介：苏 超 （1986.10— ） 男，江苏徐州人，工程师，毕业于合肥工业大学勘查技术与工程专业，现任徐矿能源股份有限公司花草滩煤矿地测防治水副总工程师，从事地质灾害防治与测量技术工作。