国强煤矿回风大巷涌水分析及治理研究

刘超林，李江华，樊少武，于广龙

(1.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京100083;2.保利能源控股有限公司高家庄煤矿，山西中阳033400;3.煤炭科学研究总院，北京100013)

随着煤矿开采深度、速度及规模的增加和扩大，矿井突水问题日益严重。矿井水害给企业造成重大经济损失的同时，也给生产安全带来了很大威胁，严重地影响工程进度［1－2］。因此，查清矿井水文地质条件、分析煤矿突水原因，采取合理有效的治理方案成为确保煤炭安全开采的关键。

1 井田概况

国强煤矿井田东西宽1.78km，南北长2.80km，批准开采4－1，9，11号煤层。

井田为简单的单斜构造，局部发育有宽缓的向背斜。地层总体走向为北东，倾向南东，地层倾角2～10°。井田中各沟谷平时基本干枯无水，只有雨季才有洪水流向季节性河流马关河。

4－1号煤顶板含水层有第四系冲积层孔隙含水层、二叠系上统上石盒子组砂岩裂隙含水层组、二叠系下统下石盒子组砂岩裂隙含水层组、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层及石炭系上统太原组层间砂岩裂隙含水层;煤层底板仅有奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。该矿现开采4－1号煤层，其直接充水含水层为山西组砂岩风化裂隙含水层，属弱富水性。据该矿开采情况，矿井正常涌水量为230m3/d，4－1号煤层井下正常涌水量为86m3/d，最小为38m3/d，最大为146m3/d。

2 涌水巷道基本情况及涌水过程

2.1 巷道基本情况

回风大巷位于4－1号煤层当中，沿煤层底板布置，巷道标高+910m。回风大巷距运输大巷中对中33m，掘进长度比运输大巷超前72m。

回风大巷断面形状为矩形，净高2.6m，净宽4m，净面积10.4m2。支护型式为锚梁网支护，锚杆型式为树脂锚杆，直径18mm，长2m，矩形排列，间排距均为0.9m。顶板布设5根锚杆，中部3根以垂直巷道顶板方向打入，外侧2根以与垂直方向30°夹角打入巷道顶板;两帮壁各布设3根锚杆，垂直侧帮方向。每隔3m施工1根锚索，锚索长度6.3m。四煤回风大巷断面特征示意见图1。

图1 四煤回风大巷断面特征

2.2 涌水过程

2010年12月20日4－1煤回风大巷综掘工作面涌水量增大，进行工作面超前钻探26m(13根钻杆)处疑似见空，钻孔内水压将探水钻杆顶出钻孔5m，出水喷射1.3m。通过取芯勘探，发现无煤区域，初步判断为陷落柱构造。截止到2011年1月1日，工作面累计涌出水量5800m3，涌水量基本稳定在40m3/h左右。

1月6日、26日在回风大巷完成2次探放水，共布置探水钻孔8个，均探到了水体界面，累计钻孔长度220m。各钻孔钻进至水体界面时均发生顶钻现象，且推力较大，孔内时而伴有煤爆声，工作面涌水量在60m3/h左右。期间回风大巷累计排出水量约5.5×104m3，工作面出水量无明显减小趋势，推断工作面前方积水量很大，且有水源补给的可能。

2月25日中班对8号探水钻孔进行疏通，当钻进至出水点时，孔内喷出泥岩大块，伴随巨大声响，同时钻孔突水，水量巨大。22点40分回风大巷被淹110m，经现场测定出水量在480m3/h左右，水压约为1.3MPa。

3 水质化验

处于不同水文地质条件中的地下水，其化学成分在构成与含量上都有差别。因而，分析、研究地下水的化学特征和分布规律有助于分析地下水的赋存、补给、径流和排泄条件，对查明井下突水水源、进而预测并有效防治水害提供依据［3］。

为了查清涌水水源，国强煤矿于回风大巷涌水处采集水样，检测结果见表1。

表1 回风大巷水质分析

由表1可知，回风大巷的Ca2+，Mg2+的含量为14.5%，K+，Na+为85.4%，其中 Na+为84.7%，HCO3－含量为52.1%。通过比对胶带大巷顶板水和第四系砂砾层水源井水的水质，并结合矿井水文地质充水含水层的赋存情况，判断涌水水源为底板奥灰水。

4 瞬变电磁探测

参照回风大巷和运输大巷探测成果与工作面涌水情况，根据矿方提供的地质资料，结合本次实测的岩层视电阻率分布特点，一般把岩层含水性与电阻率的对应关系分为5个级别:视电阻率小于2Ω·m为含水性非常强;视电阻率大于2Ω·m，小于7.5Ω·m为含水性较强;视电阻率大于7.5Ω·m，小于25Ω·m为含水性中等;视电阻率大于25Ω·m，小于50Ω·m为含水性弱;视电阻率大于50Ω·m为基本不含水。

视电阻率大于25Ω·m的岩层含水性弱或者基本不含水，岩层完整性较好;视电阻率小于25Ω·m的岩层含水性中等到强，或者岩层完整性差形成了导水裂隙。

图2为+920m标高的水平切片图。从图中可以看到3处低阻异常。异常1推断由巷道充水所致。异常2区域推断为导水裂缝带。异常3区域含水性较强，推断为奥灰水经由异常2区域或其他通道进入此区域。异常2区域的范围大致在横向120～200m之间，纵向70～140m之间，范围为80m×70m。

图2 +920m标高水平切片

图3是视电阻率值为25Ω·m的等值曲面及俯视图。在图上坐标所示范围内，上下两曲面之间的视电阻率值都大于25Ω·m;此范围外的视电阻率值都小于25Ω·m。俯视图中有2个明显的低阻异常 (从图中所看到的2个洞)。左侧异常的范围较小，推测由巷道积水所引起;右侧的范围较大，推测为构造形成的导水通道。

5 涌水治理方案

根据回风巷道钻探及钻孔喷出物情况，再通过对涌水的水质分析化验及瞬变电磁法探测的综合分析，掘进工作面遇到了陷落柱地质构造，该构造导通了下伏奥灰含水层。结合目前巷道涌水、排水情况，制定了以下2种巷道涌水注浆治理方案［4］。

5.1 追水注浆治理

图3 视电阻率值为25Ω·m等值曲面及俯视

增加排水能力，追水至涌水工作面［5］，在离涌水工作面2～3m位置，砌筑防水闸墙，并安装孔口阀门，为后续注浆施工做好准备。以新砌防水闸墙为基础，向涌水的地质构造打钻，并向出水的地质构造含水体注浆。施工示意图见图4。

图4 追水注浆治理施工

该方法在含水体附近施工，治理用时短;可采用能够精确控制胶凝时间的水泥－水玻璃双液浆或化学浆液，节省浆液用量。但巷道内注浆施工时，钻孔布置和注浆压力受到一定程度的限制，且在涌水点附近，承压较高，施工质量要求较高。

5.2 地面钻孔注浆治理

在回风上山和回风巷内砌筑防水闸墙，变动水为静水。在离出水点10～30m位置，通过地面打孔，打穿回风大巷，下入套管，先向巷道内投入砂子埋住掘进机，再下入骨料或灌注混凝土，最后采用浆液将剩余空隙充填完整，切断涌水，在地面对地质构造含水体钻孔注浆［6］，达到堵水目的。

该方法在地面施工不受空间限制，机械设备能力能够保证。钻孔可根据实际情况布置，注浆压力大，浆液扩散加固范围大，能够有效充填含水体。但是由于地面标高约为1219m，巷道标高约910m，每个钻孔深约360m，施工需下入套管等多重工序，孔数多，工程量大，工期长，占用地面面积大，故施工成本高，地面钻孔注浆治理方案示意见图5。

图5 地面钻孔注浆治理方案

6 结论

通过工作面钻探、出水水质化验及瞬变电磁探测等手段的判定，综合分析认为回风大巷出水是由于陷落柱构造导通下部奥灰水导致的巷道涌水。根据目前涌水量并结合矿井排水能力，提出追水注浆治理和地面打孔注浆治理2种涌水治理方案。

(1)当巷道追水情况理想时，追水注浆治理方案相比地面钻孔注浆治理方案的施工治理周期短，可优先选用此方案。

(2)当巷道追水情况不理想时，合理优化地面钻孔注浆治理方案的施工工期、施工成本以及施工效果等方面后，可采用地面钻孔注浆治理方案。

［1］崔祥琨，郭盛彬，宋 旭.浅谈矿井突水原因及其防治 ［J］.科技资讯，2009(17):134.

［2］国家煤矿安全监察局.中国煤矿水害防治技术 ［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2011.

［3］佟凤健，郭爱民，孟新华，等.用水化学分析法判别井下突水水源［J］.煤矿开采，1999(4).

［4］张国中.矿井水灾防治中探水与透水事故处理的几个问题［J］.煤炭技术，2002，21(8):35－36.

［5］张周权，汪善好.高温斜巷追水技术的实践［J］.能源技术与管理，2005(6):29－31.

［6］王 强.常德青峰煤矿地面钻孔注浆堵水实践［J］.探矿工程，2011，38(10):63－65.