矿井涌水量预测及防治水工作建议分析

宋 杰

（山西高平科兴米山煤业有限公司，山西 高平 048400）

矿井水害是威胁煤矿安全生产的主要因素之一，一旦发生事故其带来的损失和人员的伤害将不可估量。据统计表明，水害事故的发生次数仅次于瓦斯爆炸和顶板事故；而水害事故的死亡人数仅次于瓦斯事故的死亡人数。在实际生产中对矿井涌水量的精准预测对于后期生产中优化布置排水设备并制定排水措施具有极大的指导意义，同时其也是保障煤矿安全生产提升经济效益的主要保障之一[1]。本文以山西高平科兴米山煤业有限公司为例开展研究，并针对性地为后期防治水工作提出建议。

1 工程概况

井田内主要含煤地层为二叠系下统山西组（P1s）和石炭系上统太原组（C3t），具体以米山煤业正在开采的15112 工作面为例开展研究，该工作面的主要情况如下：

该工作面位于井田的东部，井下标高742 m～817 m，地面标高920 m～971 m，盖山厚度约178 m～154 m，地表为耕地、山林等，无建筑、河流及其他设施。15112 综采工作面北部为15113 准备工作面，东部为保安煤柱，南部为15111 采空区，西部为15104运输巷。15112 工作面所采煤层为15 号煤，工作面长度145.5 m，走向长度1 227 m（运输顺槽1 235 m，回风顺槽1 220 m）。15113 工作面回风顺槽为矩形断面，净宽为4.5 m，净高为3 m，方位角91°，巷道在掘进过程中每隔150 m 布置一个钻场，钻场规格4 m×4 m×3 m。15113 工作面回风顺槽与15112 工作面运输顺槽之间的净煤柱为20 m。工作面顶底板情况如表1 所示。

表1 工作面顶底板情况

1.1 地质构造情况

根据矿井地质报告及掘进过程中揭露的地质资料显示，煤层走向东北方向，煤层倾角3°～8°，煤质较软，赋存稳定。煤层顶板局部破碎或有溶洞。

1.2 水文情况

15112 工作面地表均为荒山、坡山、沟谷地形，覆盖厚度178 m～154 m，无河流穿过工作面，只是在雨季时由于地表水的积聚下渗和3 号采空区积水，使15#煤上部的含水层充水性增强，会出现局部15#煤老顶K2 灰岩富水现象，水文地质条件为中等类型。预计15112 综采工作面正常涌水量为3 m3/h。

2 井下“两带”高度预测结果分析

为后期防治水工作提出有效的建议，本文通过对工作面导水裂隙带和垮落带实测结果进行分析。

2.1 “两带”观测方案设计

结合15112 工作面的实际情况和本次观测的实际时间要求，将其导水裂隙带高度的观测点设在位于15112 工作面相邻15113 工作面的回风顺槽内。

导水裂隙带观测孔：15112 工作面煤层开采平均厚度为3.0 m，根据分析及以往的实践经验，在15113工作面回风顺槽的观测点位置施工2 个导水裂隙带，并在实际观测过程中应对观测流程和精度进行严格控制；其中，所获得的钻孔的数据即可推算出导水裂隙带的发育高度。若所观测的数据不准确，应重新对数据进行测定。

导水裂隙带对比孔：当上述所施工的导水裂隙带观测孔所得数据不足以反映导水裂隙带的发育高度时，还需在未被开采的区域重新设定观察孔。最终，通过对导水裂隙带观测孔和导水裂隙带对比孔的观测结果得出准确的导水裂隙带高度。

垮落带观测孔：从15113 工作面回风顺槽向15112 工作面钻2 个倾斜孔观察垮落带高度。由于钻孔需穿过15112 工作面采空区上方破碎岩体，因此，为防止破碎岩块或不规则孔壁对观测的影响，施工完钻孔后对钻孔进行高压水冲孔，要求钻杆撤出后立即进行观测。同时在钻孔过程中，记录钻孔的卡钻、钻进速度等情况[2]。

根据计算，设计各钻孔的要素见表2 所示。

表2 15112 工作面“两带”高度观测钻孔要素表

导水裂隙带高度观测与对比孔布置剖面图，如图1 所示。

图1 15112 工作面“两带”观测钻孔布剖面图

2.2 “两带”观测结果分析

2.2.1 导水裂隙带实测结果分析

经实测结果分析可知，15112 工作面导水裂隙带发育高度为42.28 m。综合所观测位置煤层的平均厚度为3 m。经计算可得，15112 工作面的实际裂采比为14.09。

2.2.2 垮落带实测结果分析

通过对4#和5#钻孔孔壁进行微观分析，发现4#、5#钻孔所穿岩层均出现明显的破裂分区现象，且两钻孔破裂分区具有较强的对比性。通过对两钻孔全长测段孔壁裂隙发育情况的分析，推断4#孔深35.7 m、5#钻孔30.30 m为该钻孔测定的15112 工作面垮落带上部边界。根据实测钻孔轨迹可知，4#钻孔的实际倾角为21.83°，5#钻孔的实际倾角为27.42°，可以计算得到：

4#钻孔实际观测垮落带高度距15#煤层垂直距离H4=35.7×sin（21.83°）=13.28 m；

5#钻孔实际观测垮落带高度距15#煤层垂直距离H5=30.3×sin（27.42°）=13.95 m。

因此，可以认为，15#工作面垮落带实际发育高度约为13.95 m。

在上述对工作面“两带”实测结果分析的基础上，采用富水系数比拟法对矿井的涌水量进行预测[3]，并得出如下结论：在正常开采条件下，当米山煤业开采15 号煤层生产能力达到90 万t/a 时，预计矿井正常涌水量243 m3/d（10.13 m3/h），矿井最大涌水量311 m3/d（12.96 m3/h）。

3 矿井涌水量防治水工作建议分析

在上述对工作面“两带”实测结果分析和矿井涌水量预测结果分析的基础上，为保证工作面的安全生产，应从以下几方面开展防治水工作：

1）做好地表巡查工作，及时派专人充填塌陷裂缝，尤其是沟谷内的裂缝，以防地表水进入井下。

2）强化井田及周边煤矿采（古）空区积水的调查及防治工作。

3）配备满足工作需要的防治水专业技术人员，配齐专用探放水设备，加强专业技术人员和探放水作业人员的培训和教育，提高其防治水技术水平和管理水平。严格执行“物探先行、钻探验证、化探跟进”和“有掘必探”的探放水原则，严格落实和强化探放水现场管理[4]。

4）完善、维护主排水系统、抗灾排水系统及工作面排水系统，确保能正常使用，水泵、水管、闸阀、排水用的配电和输电线路，都必须经常检查和维护[5]。

5）矿方应按照2016 年《煤矿安全规程》的要求对15 号煤层开采后形成的导水裂隙带高度进行实测。

4 结论

煤矿透水事故为影响安全生产的主要制约因素。实现对煤矿有效的防治水是建立在对涌水量精准预测基础上实现。本文以15112 工作面为例在对其涌水量预测的基础上制定了有效的防治水工作建议，并总结如下：

1）15112 工作面导水裂缝带发育至距工作面顶板42.28 的泥岩层，工作面垮落带实际发育高度约为13.95 m，对应的预测结果为：矿井正常涌水量243 m3/d（10.13 m3/h），矿井最大涌水量311 m3/d（12.96 m3/h）。

2）在上述分析基础上，应在日常生产中加强对涌水量的实测和预测，及时对防治水方案进行修正，以保证综采工作面的安全生产。