新庄孜煤矿63301工作面突水水源和通道分析

张秀云，窦春远，钱家忠，马 雷，周小平

（1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥230009；2.淮南矿业集团新庄孜煤矿，安徽 淮南232000）

矿井突水是影响煤矿生产的重要灾害之一，矿井突水水源和突水通道的识别是进行防治水工作的基础内容［1］。目前常用的突水水源的判别主要是根据地质、水文地质条件，从水化学常规分析［2］、同位素分析［3］、水温［4］、水位动态［5］变化等方面进行。其中，根据水化学特征进行判别最为常用，具有代表性的主要有Bayes判别模型［6］、神经网络模型［7］、模糊综合评判模型［8］、灰色关联分析模型［9］等。突水通道的确定需要结合矿井的地质条件和开采条件进行综合判断。

新庄孜煤矿地处安徽淮南市八公山东北麓，为山前坡地与淮河河漫滩间的过渡地带，属山前冲积平原。目前主要生产水平为六水平（-812m）。井田岩层总体呈单斜构造，主要以断裂构造为主，局部发育有小型褶曲。2012年10月4日，新庄孜煤矿63301工作面底板突然出水，最终致使工作面封闭，A组煤停采。此次灰岩突水造成严重的后果，因此探寻工作面突水水源，对进行突水水害的有效治理和矿井未来对A组煤的重新开采及水害预防具有重要的指导意义。

1 工作面突水过程

63301工作面为新庄孜煤矿六三采区三阶段A1煤层工作面，南起新谢井田技术边界线北10m，北至Ⅷ-Ⅸ线南100m，上风巷标高-741～-756m，下顺槽标高-821～-833m，回采走向长约235m。工作面回采前实测单孔最大出水量5m3/h，最大水压0.6 MPa，安全水压值为0.76MPa。工作面突水地点见图1。

图1 63301工作面突水地点

工作面采用悬移支架炮采工艺。2012年8月1日开始回采，至10月4日早班回退125m，剩余110 m。10月4日早班炮后14时10分，工作面老塘侧底板突水，水量约20m3/h，15时水量增为40m3/h，15时50分增为50m3/h，后因无法观测，至23时泵测水量为130m3/h，然后一直保持稳定状态。由于工作面刚刚放炮，加之倾角大，致使工作面迅速积水，并将浮煤冲带至下顺槽及工作面水仓，淤埋了水仓和2台排水泵吸水口以及下顺槽外段，并且导致排水泵失去功能。因此，判别突水水源对如何进行工作面疏干、降压、突水水源的注浆等处理措施非常重要。

2 突水水源分析

为了准确判别此次突水的水源，矿井自10月4日起对新庄孜地区灰岩观测孔水位和水压开展加密观测，并采集了突水口、邻近放水钻孔的水样送检，进行水质常规分析。综合分析各种观测和检验数据，并结合矿井的突水特征，对突水水源进行准确的判定。

2.1 根据出水特征的分析

2012年10月4日早班炮后14时10分发现出水，初始水量20m3/h，然后迅速增加，23时突水量已达到130m3/h，并保持稳定。可以发现，此次突水具有来势迅猛，水量增速快，历时长，并且衰减极为缓慢的特点，表明有较强的含水层水的补给，显示为动储量为主的特点［10］。

新庄孜矿六三采区富水性的特点是：C3-Ⅰ组灰岩水为影响A组煤开采的直接充水含水层，但是-412m以下富水性弱；C3-Ⅱ组灰岩水富水性最弱，可作为C3-Ⅰ、C3-Ⅲ组间相对隔水层看待；C3-Ⅲ组灰岩水单位涌水量为0.134～1.73L/s·m，富水性中等到强，且与奥灰强含水层的水力联系较为密切；寒灰富水性较强，与奥灰含水层有较密切的水力联系。63301工作面下顺槽标高-821～-833m，由C3-Ⅰ组412m以下富水性弱的特点可知，此次矿井突水主要突水水源不是C3-Ⅰ组。因此判断，此次突水的主要突水水源为下伏C3-Ⅲ组灰岩水。C3-Ⅲ组富水性强、水压大，如果通过导水通道进入到工作面，则可能发生较严重的突水事故，与工作面突水特点一致。

2.2 根据钻孔水量、水压变化特征

而工作面突水后，位于六三采区内的11个C3-Ⅰ组放水钻孔总出水突水量快速增加。22＃补孔水量上升了3m3/h，17＃1＋补孔等六孔水量之和上升了5m3/h。总出水突水量由9月30日的11.3m3/h增加到10月7日的28.3m3/h，净增加了17m3/h。井下C3-Ⅰ组灰岩水压观测孔21＃2孔的水压由10月2日的0.6MPa上升到10月7日的2.2MPa后保持稳定，净增了1.6MPa。突水量和水压均增幅较大，表明C3-Ⅰ组灰岩水受到下伏高水压、强富水性的灰岩含水层补给。

表1 C3-Ⅰ组疏放水钻孔水量变化表 单位：m3/h

C3-Ⅰ组与下伏高水压、强富水性的灰岩含水层之间有作为隔水层存在的C3-Ⅱ组，上下处于应力平衡状态。当工作面通过导水通道与C3-Ⅰ组灰岩水导通时，C3-Ⅰ组灰岩水进入到工作面，导致其水压降低，隔水层两端的应力平衡被打破，下伏灰岩含水层由于压力过大冲破隔水层进入到C3-Ⅰ组，同时也进入到突水工作面，导致C3-Ⅰ组水量、水压骤然增大，工作面突水量也快速增大，并且由于下伏强含水层的补给，导致工作面突水量达到130m3/h后保持稳定。根据63301工作面所处的水文地质条件，推测高水压、强富水性的灰岩含水层为C3-Ⅲ组含水层或奥灰强含水层。

2.3 根据钻孔水位变化特征

通过对灰岩含水层水位的观测发现，自9月20日至突水前，水位有轻微下降，变化缓慢，自10月4日63301工作面突水后，地面水文孔水位降幅明显增大。距出水点2 177m的ⅦC3-Ⅰ浅孔，至10月12日（出水后8天，水位基本稳定）水位下降0.92m；距出水点2 377m的Ⅵ-ⅦC3-Ⅲ孔，至10月12日水位下降15.18m；距出水点1 738m的Ⅷ-ⅨC3-Ⅲ孔，至10月12日水位下降15.23m；距出水点4 751m的李ⅤC3-Ⅲ上孔，至10月12日水位下降3.61m；距出水点5 251m的李ⅤO1-Ⅰ上孔，至10月12日水位下降1.97m；距出水点2 926m的Ⅶε孔，至10月12日水位下降4.34m。各灰岩水文观测孔水位下降趋势见图2。

图2 2012年63301工作面出水前后各灰岩观测孔水位变化

由图2可知，C3-Ⅰ组观测孔水位是先缓慢下降再趋于稳定；C3-Ⅲ组和奥灰观测孔水位为先快速下降，后缓慢下降，再趋于稳定；寒灰观测孔水位则表现为先缓慢下降，后快速下降，再趋于稳定。

据以上资料分析，10月4日工作面刚出水时水量较小，水源首先来自C3-Ⅰ组含水层，随即由于工作面底板应力平衡被破坏，C3-Ⅰ组含水层与C3-Ⅲ组含水层导通，致使工作面水量短时间内迅速增大到130m3/h。C3-Ⅰ组含水层富水性弱，补给条件差，因此水位短暂下降后基本处于稳定，C3-Ⅲ组含水层成为主要充水水源，因此观测孔水位快速下降。由于C3-Ⅲ组含水层与奥灰含水层有较密切的水力联系，因此奥灰观测孔水位下降趋势与C3-Ⅲ组观测孔水位基本保持一致。奥灰与寒灰也有密切的水力联系，导致寒灰孔水位也有所下降。但在突水初期，由于水位差、水压和地质条件等因素，使得寒灰的补给有一定的滞后性，表现出先缓慢下降后快速下降的特点。

因此，判断该次突水水源不仅有C3-Ⅰ组灰岩水，还有下伏C3-Ⅲ组灰岩水、奥灰水和寒灰水，且C3-Ⅲ组为主要水源。图2中奥灰观测孔李ⅤO1-Ⅰ上孔距离突水点较远：5 251m。因此，不能凭借此孔的水位下降幅度判断奥灰水是否为主要突水水源。

2.4 基于水质的分析

为了确定突水水源，分别于10月4日、6日、11日在工作面抽取水样进行水质常规检测，检测结果见表2。通过以往的水质分析可知，C3-Ⅰ组含水层水质类型为HCO3-Ca·Mg，C3-Ⅲ组含水层为HCO3-K＋Na型水，奥灰为HCO3-Ca·Mg或Cl-K＋Na型水，寒灰为HCO3-Ca·Mg型水。

表2 63301工作面水样水质分析结果表

采用灰色关联分析的方法对以上3个样品的突水水源进行判别。灰色关联分析方法的模型为：

其中：ri为关联度；ξi（k）为第i个被评价对象的第k个指标与第k个最优指标的关联系数；jk＊为第k个指标的最优值；ρ∈（0，1），一般取ρ＝0.5。

根据以上判别模型，得出4个水样与太灰水的相似度分别为62.2%、61.5%、61.9%和61.7%，与奥灰水的相似度分别为66.5%、65.7%、66.1%和71.0%。因此，可知突水水源与太灰水和奥灰水比较接近，推测突水水样为混合水，主要突水水源为太灰和奥灰。这也验证了上面的分析结果。

因此，通过对工作面水文地质情况、工作面突水特征、灰岩观测孔水位和突水水样的分析可知，此次突水的突水水源为C3-Ⅲ组含水层和奥灰含水层，其次为C3-Ⅰ组含水层和寒灰含水层。

3 突水通道分析

确定矿井突水的突水通道，是进行注浆治理的前提。突水通道的确定，应根据工作面的地质条件并结合工作面突水特征进行综合分析。新庄孜煤矿A1煤层底板至C3-Ⅰ灰岩顶板的隔水层厚12～18m。C3-Ⅲ含水层裂隙与溶洞比较发育，水量较大，富水性较强，可以通过断层或采动影响下产生的导水通道涌入矿井巷道或工作面内，造成突水事故。突水点附近没有揭露大的断层，工作面采掘前的勘察工作也未发现特殊地质构造，判断突水通道为采动影响下产生的底板裂隙。在工作面的回采过程中，由于采掘的作用使得工作面周围的岩层应力重新分布［11］，打破了煤岩层的原始应力场平衡，导致底板的变形破坏了底板裂隙，裂隙导通了C3-Ⅰ组和C3-Ⅲ组含水层，发生此次突水事故。另外，新庄孜煤矿以往的突水事故中，约50%突水通道为裂隙。因此，根据以往经验和矿井的水文地质条件判断，此次突水事故的突水通道为底板裂隙。

4 结论

根据工作面突水特征、出水后井上下钻孔水量、水压、水位观测以及水质常规分析，得到以下结论：

（1）63301工作面出水水源主要来自于C3-Ⅲ组含水层、奥灰含水层，其次为C3-Ⅰ组含水层和寒灰含水层。

（2）根据工作面突水特点和水文地质情况，判断突水通道为采动影响下产生的底板裂隙。工作面回采中，采掘对底板的破坏波及底板裂隙，导致裂隙联通工作面和含水层，从而产生突水。

因此，在深部开采过程中，需要进一步研究探明岩层底板的破坏规律，以达到减小或消除突水危害的目的。

［1］钱家忠，杜奎，赵卫东，等.基于投影寻踪技术的矿井突水水源判别模型——以新庄孜煤矿为例［J］.地质论评，2012，58（6）：1175-1179.

［2］宋淑光，孟辉，张牧，等.水质特征模型在下组煤首采面突水水源判别中的应用［J］.煤矿安全，2012，43（6）：122-124.

［3］潘国营，王素娜，孙小岩，等.同位素技术在判别矿井突水水源中的应用［J］.矿业安全与环保，2009，36（1）：32-34.

［4］袁文华，桂和荣.任楼煤矿地温特征及在水源判别中的应用［J］.安徽理工大学学报：自然科学版，2005，25（4）：9-11.

［5］潘婧.基于Matlab的潘三矿地下水水化学场分析及突水水源判别模型［D］.合肥：合肥工业大学（硕士学位论文），2010.

［6］张春雷，钱家忠，赵卫东，等.Bayes方法在矿井突水水源判别中的应用［J］.煤田地质与勘探，2010，38（4）：34-37.

［7］钱家忠，吕纯，赵卫东，等.Elman与BP神经网络在矿井水源判别中的应用［J］.系统工程理论与实践，2010，30（1）：146-150.

［8］余克林，杨永生，章臣平.模糊综合评判法在判别矿井突水水源中的应用［J］.金属矿山，2007（3）：47-50.

［9］刘江明，张伟龙.基于灰色关联度分析的矿井突水水源识别研究［J］.陕西煤矿，2002（2）：14-16.

［10］田茂虎.工作面突水原因分析与快速治理技术［J］.煤炭工程，2008（1）：52-53.

［11］张哲，赵磊磊.薄煤层工作面底板突水机理及防治技术［J］.煤矿安全，2013，14（5）：148-150.