新汶矿区15煤工作面承压水上开采技术研究

付应凯 王 波 孙建西

（新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰 271233）

随着开采历史的延长，新汶矿区前组煤资源日渐枯竭，矿井开采工作面埋藏越来越深，地压越来越大，后组煤底板含水层水压越来越高。为解决开采煤层底板承压水害问题，保证矿井安全生产，水害防治工作的研究变得十分必要和重要。本文以15煤层31515W工作面开采为例，对底板承压水害治理工作进行研究。

1 矿区地层概况

新汶煤田属鲁西地层分区，其地层由新到老发育有新生界第四系、古近系；中生界侏罗系下统；上古生界二叠系中、下统及石炭系上统；下古生界的奥陶系上、中、下统。煤系地层总厚一般在260m左右，主要的岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩、中细砂岩，中间夹有4～7层石灰岩和泥灰岩，沉积特征与华北各地极为相似，故为华北型海陆交互相石炭二叠纪煤田。本区域含煤层共17层，可采煤层为6层，分别为山西组的2、4、6煤层（前组煤）和太原组的11、13、15煤层（后组煤）。

2 工作面水文地质情况

根据区内钻孔资料，影响31515W工作面十五层煤开采的主要含水层是煤层底板以下的石炭系本溪组徐灰、草灰灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。

（1）徐灰。徐灰为井田内主要含水层之一，区内平均厚度12.56m，该含水层上距十五层煤底板19.4m，下距草灰顶13.6m，距奥灰顶32.31m，为开采十五层煤底板间接充水含水层。

（2）草灰。区内草灰厚3.81m，底板下距奥灰顶板14.9m。

（3）奥灰。奥灰厚达800余米，为煤系基底，是开采下组煤的间接充水含水层。上部为厚层状质纯石灰岩，夹薄层泥岩，顶部具古风化壳，局部岩溶裂隙发育。奥灰顶界面上距草灰14.9m，距徐灰32.31m，距十五层煤底板64.27m。

3 防治措施

运用物探先行、钻探验证、合理布局、疏排可靠的治理措施，开展防治水工作，确保工作面安全开采，不出现突水事故。

3.1 物探探查

3.1.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法工作原理，是利用不接地回线向采掘空间周围的煤岩体发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。然后，通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。该方法克服井下施工空间的局限性，具有明显的优势。

3.1.2 瞬变电磁法实施方案布置

根据瞬变电磁法工作原理，结合31515W工作面的现场情况，设计瞬变电磁法方案，对工作面巷道布置3条探测线：

（1）1#：31515W工作面运输巷底板岩层含水性瞬变电磁法竖直方向探测视电阻率；

（2）2#：31515W工作面回风巷底板岩层含水性瞬变电磁法竖直方向探测视电阻率；

（3）3#：31515W工作面运输巷底板岩层含水性瞬变电磁法面内底板45°方向探测视电阻率。

3.1.3 瞬变电磁数据分析

通过现场探测，采集瞬变电磁数据，对资料进行处理分析，分析3条探测线探测视电阻率断面图，根据低阻异常带的分布位置、之间连通性比较、异常区深度变化，推断出富含水区。

分析1#探测成果异常区有6个。巷道160～230m范围为15煤底板徐奥灰岩层位置异常幅度中等，推断含水性中等区；巷道520～630m、1340～1370m范围为15煤底板徐灰岩层位置异常幅度相对较强，推断为含水性相对较强区，其下部奥灰岩层位置异常幅度较小，推断含水性较弱区，徐奥灰层位中间位置也有异常区域，推断有可能存在通道；巷道 850～880m、1060～1120m、1210～1240m范围15煤底板徐灰岩层位置异常幅度相对中等，推断为含水性相对中等区，其下部奥灰岩层位置异常幅度较小，推断含水性较弱区。

分析2#探测成果异常区有3个。巷道650～760m范围为15煤底板徐灰、奥灰岩层位置异常幅度相对较强，推断为含水性相对较强区，且中间位置也有异常区域，推断有可能存在通道；巷道950～1030m范围为15煤底板徐灰岩层位置异常幅度较弱，推断含水性较弱区；巷道1100～1160m范围为15煤底板徐奥灰岩层位置异常幅度较强，推断含水性较强区。

分析3#探测成果异常区有2个。巷道500～600m、1330～1390m范围为15煤底板徐灰岩层位置异常幅度相对较强，推断为含水性相对较强区，其下部奥灰岩层位置异常幅度较小，推断含水性较弱区，徐奥灰层位中间位置也有异常区域，推断有可能存在通道。

3.2 水文地质钻探

根据物探资料解释结果，在31515W运输巷550m、1350m徐灰含水性相对较强区位置施工1#、2#徐灰水文观测钻孔，31515W回风巷700m奥灰水文观测钻孔、1150m徐灰含水性相对较强区位置施工徐灰水文观测钻孔进行钻探验证，终孔情况：

（1）31515W运输巷1#徐灰水文观测孔，徐灰水量4.0m³/h，水压3.1MPa。

（2）31515W运输巷2#徐灰水文观测孔，徐灰水量1.3m³/h，水压4.1MPa。

（3）31515W回风巷徐灰水文观测孔，徐灰水量 11.0m³/h，水压 3.2MPa。

（4）31515W回风巷奥灰水文观测孔，徐灰水量8.0m³/h，水压2.1MPa；草灰无水；奥灰终孔水量 1.3m³/h，水压 1.4MPa。

3.3 工作面现场管理

（1）工作面开采过程中要加强现场浮煤管理，严禁丢底煤。防止工作面出水后将浮煤冲至工作面下出口，堵塞巷道，形成封闭巷道。

（2）工作面开采过程中，尽量加快推进速度，以减少底板破坏深度。当工作面推进长度为工作面斜长的整数倍左右时，对工作面底板破坏深度加大，因此，加强对工作面水情的观测，防止底板突水。

3.4 排水系统

（1）确定排水路线：31515W工作面→31515W工作面运输巷→-550水平4-3采区水仓→-550水平水仓。

（2）31515W面回风巷存在三处巷道低洼，低洼地段需要安装22kW排水泵及配套二寸排水管路一趟，并安设备用泵。

（3）31515W面运输巷存在三处巷道低洼，至切眼段内250m范围内为仰采，在切眼下头安设排水量不小于70m³/h的潜水泵及安设一趟4寸排水管路，潜水泵随着工作面外推。另外2处巷道低洼处，安设BQ30-100/22kW排水泵，与4寸排水管路连接（排水能力不小于50m³/h），并安设备用泵。

（4）采区水仓水位持续保持在最低水位线，防止工作面突水时排水不及时。

4 工作面开采水害威胁程度评价

通过对该工作面进行物探探查、钻探验证，并收集该工作面周边附近原施工的13个水文钻孔揭露情况的资料进行分析：

（1）工作面及周边施工了17个钻孔，从水量上分析3孔揭露徐灰无水，10孔揭露徐灰水量1m³/h以下且3孔经疏放后徐灰无水，只有4孔揭露徐灰超过10m³/h。有水的14个钻孔从水压上分析3孔为3MPa以下，11孔为3MPa以上，最高到达8.0MPa，大部分钻孔通过疏水后水压迅速降低。通过以上钻孔可知，虽然该区域及周边范围内实际揭露的水文观测钻孔的水压较高，但水量均较小，且疏水降压后水压迅速降低，钻孔揭露徐灰水位不一，徐灰水位与埋深无关联，且徐灰水易于疏干，说明徐灰只是局部地点存有裂隙水，补给水源差，虽然徐灰有出水的可能，但水量较小，不会对生产构成威胁。

（2）根据31515W工作面及周边奥灰钻孔的实际揭露，奥灰水压虽然较高，但该区域及工作面范围内奥灰富水性较弱，虽然有出水的可能，但水量较小，不会对生产构成威胁。

5 工作面防治水效果分析

（1）根据突水系数法分析，结合工作面水文钻孔徐灰实际揭露情况，31515W工作面开采过程中，徐灰存在突水的可能性，因此要加强监测。

（2）31515W工作面奥灰根据计算存在突水的可能性，但根据工作面周边奥灰孔揭露情况，该范围内奥灰水压较高，但富水性差，不会对生产构成威胁。

（3）在正常情况下，31515W工作面正常涌水量为 11.95m³/h，最大涌水量 19.92m³/h。

（4）目前工作面运输巷局部不能自然疏水，安设排水量70 m³/h潜水泵后，具备底板突水时的抗灾能力。

（5）工作面开采过程中，应加快推进进度，加强工作面的监测。