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滕州矿区滨湖煤矿16煤开采突水特征分析及防治途径 尹会永 1,2,3， 武 强1， Liliana Lefticariu4， 魏久传2,3， 谢道雷2， 张伟杰2， 孙家利5 （1.中国矿业大学 （北京）地球科学与测绘工程学院， 北京 100083； 2.山东科技大学地球科学与工程学院 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室， 山东 青岛 266590； 3.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东 青岛 266590； 4.南伊利诺伊大学 地质系， 伊利诺 伊卡本代尔 62901； 5.枣庄矿业 （集团） 有限责任公司滨湖煤矿， 山东 枣庄 277519） 摘 要 根据滨湖煤矿16煤开采以来发生的突水案例， 总结分析了突水类型、 规律及其原因， 提出了不同水害的防治 技术途径。研究表明16煤开采以来发生的6次突水， 包括1次掘进突水和5次工作面开采突水。突水水源为 顶板 十下灰水、 上部采空区积水、 底板薄层灰岩水和基底奥灰水； 突水通道主要为采动裂隙， 构造裂隙及潜在的陷落柱。 对6次突水的原因进行了具体分析。提出了不同水害类型的主要防治技术途径， 主要为 疏干十下灰， 探放12下煤采 空区积水， 疏降十四灰以及探防陷落柱突水， 疏降奥灰水压并结合改革采煤方法、 人工强制放顶、 留设断层煤柱、 注 浆加固断层裂隙密集区以及完善排水系统等方法。 关键词 16煤开采； 工作面突水； 突水类型； 突水水源； 突水通道； 防治技术 中图分类号 TD745.2文献标识码 A Water Bursting Characteristic Analysis and Control Ways during Coal No.16 Winning in Binhu Coalmine, Tengzhou Mining Area Yin Huiyong1,2,3, Wu Qiang1, Liliana Lefticariu4, Wei Jiuchuan2,3, Xie Daolei2, Zhang Weijie2and Sun Jiali5 1. School of Geosciences 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization 3. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590; 4. Department of Geology, Southern Illinois University, Carbondale, Illinois 62901, USA; 5. Binhu Coalmine, Zaozhuang Mining Group Co. Ltd., Zaozhuang, Shandong 277519 Abstract Based on water bursting cases happened in the Binhu coalmine since the winning of coal No.16, summed up and analyzed wa⁃ ter bursting type, regulation and causation, put forward control ways for different water hazards. The study has shown that the 6 times of water bursting 1 during the driving and 5 during the coal face winning, their sources have roof No.10L limestone aquifer, gob area ponding above, floor thin limestone aquifer and basement Ordovician limestone aquifer; water bursting channels mainly have mining fis⁃ sures, structural fissures and potential subsided columns. Specifically analyzed the causation of 6 times water bursting, main control ways for different water hazards have dewatering the No.10L limestone aquifer, exploring and draining coal No.12 gob area ponding, de⁃ watering No.14 limestone aquifer, exploring and draining subsided columns water, dewatering and depressurizing Ordovician limestone aquifer combined with coal-mining system innovation, artificial forced caving, fault pillar leaving, grouting reinforcing faulted fissure concentrated area and perfecting drainage system etc. Keywords coal No.16 winning; working face water bursting; water bursting type; water bursting source; water bursting channel; control technology 0 引言 中国作为世界上第一采煤大国， 也是世界上矿 井水害最严重的国家之一[1]。煤矿水害制约着煤矿 安全、 高效生产， 对煤矿造成的经济损失也位居首 位。多年来， 许多学者对我国煤矿水害的防控进行 了研究， 从不同层面上对水害特点、 类型、 基本特征、 影响因素、 发生条件、 致灾原因、 机理分析、 注浆改 造、 疏水降压、 探放水技术、 水害监测、 防治体系的建 基 金 项 目 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 973 资 助 项 目 2012CB723104; 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 41372290， 41402250， 山东省自然科学基金资助 （ZR2013EEQ019） ; 山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地 （山 东科技大学） 开放基金资助 （MDPC2012KF13） ;山东科技 大学科研创新团队支持计划资助项目2012KYTD101 作者简介 尹会永 （1979） ， 男， 汉族， 河北衡水人， 在职博士后， 副 教授， 研究方向为矿井水害防治。 收稿日期2014-11-25 责任编辑 樊小舟 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol.27 No.06 Jun.2015 第27卷6期 2015 年 6 月 文章编号1674-1803201506-0045-05 doi10.3969/j.issn.1674-1803.2015.06.10 第27卷中 国 煤 炭 地 质 立等各方面进行了大量的卓有成效的工作[2-12]， 为煤 矿水害的预测、 防治提供了重要的技术保障， 为我国 煤矿安全生产作出了重要贡献， 可以说， 目前我国的 煤矿水害总体防控技术水平位于世界前列。 滕州煤田滨湖煤矿开采太原组下组煤， 采矿证 允许最大开采深度为1800 m， 开采深度大， 开采中 受顶底板含水层影响较为严重。本文以滨湖煤矿 161采区为例， 总结分析矿井开采16煤以来发生的 突水资料， 划分突水类型， 分析突水特征， 统计突水 规律， 探讨突水原因， 最后提出不同水害的防治技术 途径， 为矿井今后开采16煤提供参考， 同时也为滕 州矿区其他矿井开采下组煤提供借鉴作用。 1 矿井地质及水文地质条件 滨湖煤矿位于滕北矿区的中西部， 地处滕州市 滨湖镇境内， 东距滕州市约20 km。井田地理座标 为 东经11648′35″～11655′29″、 北纬3501′11″～ 3505′28″， 面积44.018 km2， 开采深度由-400 m至- 1 500 m标高。井田由西部湖区 （昭阳湖） 和东部陆 地组成。 井田为隐蔽式煤田。在第四系之下， 由老至新 发育中奥陶统、 石炭系本溪组、 石炭-二叠系太原 组、 山西组及上侏罗统三台组。含煤地层为山西组、 太原组。主要可采煤层为太原组12下和16煤。 井田位于滕县背斜北翼的中西部， 北起大刘庄 断层， 南与新安煤矿相毗邻。总体构造形态为一向 北西倾斜的单斜构造， 并伴有宽缓的短轴褶曲。全 井田断层69条， 分为北东向、 近南北向正断层和北 东向逆断层三组。161采区总体为一倾向南西的单 斜构造， 主要有F121-3断层、 F25-10逆断层等大中 型断层， 构造较为简单 （图1） 。井田内有基性和超 基性岩浆岩小型浅成侵入体， 侵入太原组之中， 对 16煤及煤质有轻微影响。 本区为三面阻水、 一面局部有侧向弱补给的近 封闭型水文地质单元[13]， 上面广布第四系， 下部为各 基岩含水层， 具体含水层为 第四系砂层， 上侏罗统 砂、 砾岩， 太原组三灰、 五灰、 八、 九灰、 十下灰、 十四灰 和基底奥陶系石灰岩 （奥灰） 含水层， 其中影响16煤 开采的含水层主要为十下灰、 十四灰和奥灰。主要隔 水层为 第四系中部隔水层段 （由黄、 浅黄、 灰黄色粘 土、 砂质粘土、 粘土质砂和少许砂组成， 平均 27.80m） ， 上侏罗系第三段粉砂岩相对隔水层 （为粉 砂岩， 偶夹薄层细砂岩， 平均338.36 m） 和16煤以下 隔水层段 （主要指16煤底板至奥灰层段， 主要由泥 岩、 粘土岩、 砂质粘土、 粉砂岩及灰岩组成， 平均 55.27 m[13]） 。 2 突水特征分析 2.1突水资料统计 16煤位于太原组下部， 平均厚度1.25 m， 结构简 单， 全区可采， 属稳定煤层， 是矿井主采煤层。矿井 目前16煤生产采区为161采区的东区和西区， 已经 开采结束工作面14个， 正在回采工作面1个。16煤 开采过程中共发生6次突水 （图1、 表1） ， 另有四次涌 水量1.57 m3/h较小的十下灰涌水。 2.2 突水统计规律 由表1可知， 16煤开采突水具有如下统计规律 （1） 按突水水源分 顶板十下灰突水2次， 底板灰 岩突水3次， 老空水1次。 （2） 按突水量大小分 小于30 m3/h的1次， 30 60 m3/h的2次， 大于60 m3/h的3次， 最小和最大水量 分别为20 m3/h和95 m3/h。 （3） 按突水点与采掘工程的关系分 掘进巷道突 水1次， 回采工作面突水5次。 （4） 按突水条件分 小构造突水3次， 导水裂隙 渗透型突水1次， 与含水层直接接触突水2次。 （5） 按突水量从最小至最大至稳定时间间隔分 顶板十下灰 29 d和154 d； 底板灰岩 781 d和10 30 d； 采空区水 35 d和8 d。 2.3 突水水源分析 2.3.1 顶板十下灰突水 两次较大规模的十下灰出水分别发生在巷道掘 进和工作面回采时期。2004年11月15日， -465大 巷掘至导点轨 3 前 72.4 m 见十下灰时， 出水最大 35m3/h， 但此出水点衰减很快， 至11月17日夜班已 近疏干。2005年5月16日， 1611工作面回采270 m 图1 研究区构造及突水点分布示意图 Figure 1 Distribution of water inrushment and geologic structure in study area 46 6期 时， 工作面出水达40 m3/h， 最大为45 m3/h， 后随工作 面的推进逐渐减小并稳定在35 m3/h， 后已经衰减到 15 m3/h。 十下灰作为16煤的直接顶板， 是16煤开采的直 接充水含水层。十下灰平均厚度4.68 m， 浅部裂隙发 育， 局部有溶蚀现象， 充填有方解石脉与泥质。据 43-7、 44-3、 37-35钻孔抽水试验资料生产矿井地 质报告， 2010， q0.0069～0.103 L/ （sm） ， K0.16～ 2.4 m/d， TDS3.5～4.16 g/L， 水质为 CaNa-SO4类 型， 富水性分布不均匀。 只要16煤掘进或开采， 十下灰水就会进入开采 空间， 造成突水或涌水。若十下灰富水性好， 则涌水 量大， 但由于十下灰含水层以储存量为主， 所以出水 维持时间较短。十下灰涌水特点是初期揭露时涌水 量大， 衰减快， 对生产有一定的影响。 2.3.2 上部采空区突水 161采区位于12下煤的采空区下方， 平均间距约 为50 m， 采区16煤最大导水裂缝带高度为32.6 m （按最大煤厚1.71 m （43-17孔） 计算） ， 因此， 采区内 正常区段开采16煤时将不会受上方12下煤采空区积 水威胁， 但遇断层使16煤与12下煤采空区积水间距 缩小， 则存在12下煤采空区水突水威胁。 16107 工作面位于 12109采空区正下方， 附近 43-17号钻孔揭露12下煤和16煤底板标高分别为- 516.05 m和-577.1 m， 相距61.05 m。16煤开采最大 导水裂缝带高度为32.6 m， 12下煤采动破坏深度约 20 m， 剩余有效隔水层间距为8.45 m。16107工作面 东侧发育一落差035 m的F25-10逆断层， 断层附 近裂隙较为发育， 在采动作用下， 采动裂隙及原生裂 隙与采空区积水沟通， 造成突水。2010年10月10 日开始出水， 水量为5 m3/h； 经过35 d后， 达到最大 量70 m3/h， 之后稳定在5 m3/h。涌水量产生变化的 原因是由于裂隙的逐渐发育、 扩展、 贯通造成有效隔 水层隔水性能逐渐丧失， 导水通道逐渐加宽， 渗流量 逐渐增大， 达到70 m3/h。但衰减很快， 表明采空区 积水量不多。之后稳定在5 m3/h， 表明12下煤的直接 充水含水层 （砂泥岩， 七下灰岩） 向12下采空区充水， 汇集到12109采空区的流量为5 m3/h左右。另外， 通 过对周围情况调查发现12下煤的12107运输巷疏放 12109面采空区水钻孔7个钻孔全部无水， 也证明了 突水水源为12109面采空区积水。 2.3.3 底板灰岩突水 16煤底板主要含水层为十四灰和奥灰。161采 区十四灰厚度平均 11.46 m， 质较纯， 裂隙不太发 育。据43-2钻孔抽水试验资料 （生产矿井地质报 告， 2010） ， q0.001 L/ （sm） ， K0.0065 m/d， TDS 4.329 g/L， 水质为CaNa-SO4类型水。十四灰与奥 灰的间距为11.51～17.65 m， 平均15.21 m。邻矿北 徐 楼 煤 矿 2003 年 4 月 实 验 资 料 表 明 其 水 位 - 126.6m， 水压2.1 MPa， 流量0.3 m3/h。目前， 十四灰 水位为-266 m， 水压1.4 MPa， 涌水量为4.5 m3/h。16 煤下距十四灰平均30 m， 利用 “突水系数法” 计算十 四灰突水系数为0.1250.249 MPa/m， 全部为突水危 险区。尽管十四灰突水系数较大， 但整体富水性弱， 在不接受外界补给的条件下， 即使发生突水， 水量也 不会太大， 对矿井威胁不大。 奥灰以质纯石灰岩为主， 夹豹皮状石灰岩及泥 灰岩， 厚度约800 m， 井田揭露灰岩的最大厚度为 107.80 m， 浅部裂隙较发育。据38-10孔其原始水 位标高35.84 m， q0.268 L/sm， K0.19 m/d。观 05-1号孔2005年11月30日水位标高-82.46 m， 近 几年来， 随着矿井开采强度的加大， 奥灰水位下降有 编号 1 2 3 4 5 6 突水地点 -465大巷轨3前 72.4m 1611材料巷 1617工作面推 进40m处 1619工作面采 空区 16102工作面推 进137m处 16107材料巷推 进65m处 突水时间 2004-11-15 2005-5-16 2007-6-9 2008-2-21 2009-2-22 2010-10-10 突水 类型 小型 小型 中型 小型 中型 小型 突水水源 顶板十下灰岩 顶板十下灰岩 底板灰岩 底板灰岩 底板灰岩 12109 采空区水 突水 通道 裂隙 裂隙 构造 及裂隙 裂隙 构造 及裂隙 构造 及裂隙 涌水量/m3h-1 最小/时间 0/2004-11-17 1/2005-05-16 30/2007-6-9 0/2008-2-21 0/2009-2-15 5/2010-10-10 最大/时间 35/2004-11-15 45/2005-05-25 80/2007-6-28 20/2008-3-18 95/2009-2-22 70/2010-11-15 稳定/时间 11/2004-11-16 11/2005-7-19 70/2007-7-8 9/2008-4-16 60/2009-3-10 5/2010-11-23 突水描述及危 害程度 初揭大， 衰减 快， 有一定影响 初揭大， 衰减 快， 有一定影响 初揭逐渐增大， 出水相对稳定， 现逐渐减小； 有 一定影响 涌水量小， 但较 稳定 初揭大， 衰减 快， 有一定影响 涌水量小， 衰减 快 表1 16煤开采突水一览表 Table 1 Data sheet of water bursting during coal No.16 winning 尹会永， 等 滕州矿区滨湖煤矿16煤开采突水特征分析及防治途径 47 第27卷中 国 煤 炭 地 质 增大的趋势， 2011年6月31日监测水位为-150.5 m （观07-1孔） 。但由于奥灰含水层厚度大， 分布广， 属于区域含水层， 是威胁16煤安全开采主要含水 层。奥灰突水系数为0.0740.146 MPa/m， 具有突水 危险。 自开采16煤以来， 共发生底板灰岩突水3次， 水 量为2095 m3/h， 均发生在工作面开采过程中。 （1） 1617 工作面底板突水。1617 工作面位于 161 东采区的东部， 标高-465-500 m， 走向长度 440 m， 斜长198 m， 煤厚1.3 m， 小断层10条， 最大落 差2.0 m。2007年6月9日， 工作面推进至40 m时， 在运输巷切眼附近发生突水 （图2） ， 水量为30 m3/h； 6月28日达到最大， 涌水量为80 m3/h， 7月8日基本 稳定在70 m3/h左右， 截止2008年底变化为30 m3/h。 由于突水持续时间较长， 且以70 m3/h的水量维 持近5个月， 说明补给水源较为充沛， 而底板其他薄 层含水层不具备这种特征， 只有奥灰厚度大， 储存量 大， 才能维持长时间的涌水， 因此断定突水水源为奥 灰水。 突水点附近发育一条落差为1.7 m的逆断层， 表 明附近底板隔水层完整性受到破坏， 裂隙较为发 育。在工作面推进到40 m左右时， 此时与基本顶初 次来压步距相当。因此， 回采工作面基本顶来压造 成底板应力增加， 尤其在采空区周边应力集中更加 明显， 在矿压作用下， 断层附近底板岩体裂隙扩展、 贯通， 产生渗流通道， 开始时水量为30 m3/h， 在水- 岩作用下， 渗流通道逐渐加宽， 造成水动力增加， 由 此加速了渗流通道的扩径， 导致水量增加到 80 m3/h。当工作面推过后， 随着顶板跨落， 矿压活动 逐渐平稳， 底板裂隙逐渐闭合， 突水量也相应变小， 到7月8日时稳定为70 m3/h， 进而减小到30 m3/h。 所以， 可以推断突水通道为断裂构造存在条件下， 在 采动矿压作用下裂隙的扩展、 贯通而成为导水通 道。底板奥灰补给十四灰、 十二灰含水层， 在底板破 坏带裂隙处涌出。 （2） 1619 工作面底板突水。1619 工作面位于 161东采区的东南部， 标高-465-517 m， 走向长度 392 m， 斜长300 m， 煤厚1.35 m， 断层12条， 最大落 差2.9 m。2008年2月21日， 发生突 （涌） 水， 最大涌 水量为20 m3/h， 至年底变化为5 m3/h。从矿井总涌 水量大小及持续的时间以及奥灰水位动态观测曲线 （图3） 来看， 在突水过程中， 奥灰水位基本未发生变 化， 因此， 可以排除奥灰作为突水水源。推测突水水 源为底板十四灰和十二灰。 1619工作面斜宽较大， 造成的底板破坏深度也 较大， 预计约30 m， 而16煤距离十四灰约30 m， 底板 破坏范围接近十四灰， 所以底板破坏裂隙与十四灰 沟通， 形成导水通道， 从而引发出水。 （3） 16102工作面底板突水。16102工作面位于 大刘庄之三断层与F121-1断层之间， 标高-465- 502 m， 走向长度 1093 m， 斜长 206 m （图 4） ， 煤厚 1.34 m， 工作面揭露断层6条， 最大落差4.8 m。2009 年2月22日， 工作面推进至137 m时， 发生突 （涌） 水， 最大涌水量95 m3/h。 由图3可知， 16102工作面底板突水时， 矿井涌 水量增加， 随着突水量的增加， 观07-1号孔 （距突水 点约375 m） 奥灰水位也开始随之下降， 但有一定的 滞后性。另外， 突水量较大， 持续时间长。综合判断 突水水源为奥灰含水层。 16102工作面位于大刘庄之三断层与F121-1断 层组成的阶梯状断层之间， 突水点位于F121-1断层 的西侧， 距离断层约45 m。突水点与切眼距离与宽 度近似相等， 即采空区形状近似呈正方形， 而此时底 板岩层所能承受的极限荷载最小[14]， 工作面来压较 为剧烈， 也表现为强烈的矿山压力显现， 如压垮支 架、 冲击地压、 巷道严重变形等， 此阶段瞬间应力将 达到峰值[15]， 矿山压力传递到底板岩体， 将会造成较 大深度的破坏， 而且大型断层两侧易发育伴生裂隙， 在采动应力条件下， 裂隙发生扩展， 与底板破坏裂隙 图2 1617工作面突水位置示意图 Figure 2 A schematic diagram of working face No.1617 water bursting location 48 6期 沟通， 形成突水通道。 3 水害防治技术途径 3.1 十下灰防治技术途径 十下灰是16煤的直接顶板和直接充水含水层， 只要开采16煤， 十下灰水就会进入采掘空间， 在无其 他水源补给条件下， 其以储存量为主， 而且十下灰总 体富水性弱， 所以十下灰总体防治技术途径为疏干。 3.2 12下煤采空区积水防治技术途径 当16煤上方有12下煤采空区积水时， 首先调查 两煤层之间距离， 然后计算16煤开采顶板导水裂缝 带高与12下煤开采底板破坏深度， 比较二者大小， 若 前者远大于后者， 则无突水威胁； 若两者接近， 则有 突水威胁， 需对采空区积水进行探、 放水。 3.3 底板十四灰防治技术途径 底板十四灰是16煤开采的间接充水含水层， 但 两者间距小， 突水系数大， 具有突水危险， 但十四灰 富水性差， 水量有限， 补给差。通过疏降十四灰， 将 十四灰水头降到安全水头以下。因此， 十四灰的总 体防治技术途径为疏降。 3.4 底板奥灰防治技术途径 奥灰是16煤开采的间接充水含水层， 厚度大， 富水性不均一， 整体呈弱至中等。通过前述可知， 奥 灰具有疏降的大环境[12]。另外， 由图3可知， 95 m3/h 的奥灰突水引起水位下降了近10m， 而后， 随之涌水 量的减少， 奥灰水位也逐渐恢复。由此可见， 奥灰突 水动用了其部分储存量， 储存量动用后， 接受了矿井 周围的补给， 但补给量不大； 同时， 也说明井田内部 奥灰水力联系较好， 说明奥灰在本井田具有可疏降 性。 除此之外， 在探查断裂构造富水性、 导水性的基 础上进行注浆加固封堵或留设煤柱， 人工放顶减少 矿压对底板的破坏， 改革采煤方法特别是要缩短工 作面宽度， 完善排水系统等也是防治奥灰水害的主 要技术途径。 3.5 陷落柱水害防治技术途径 1617工作面北部发现不明陷落柱， 呈椭圆状， 长轴为NE向， 长轴约为400 m， 短轴约为160 m （图 3） 。因此， 在探查陷落柱的富水性、 导水性的基础 上， 再决定是否留设煤柱。 4 结论 （1） 通过统计分析16煤开采以来的突水资料， 16煤受顶板十下灰和上部12下煤采空区积水以及底 板十四灰和奥灰的影响， 主要突水通道为采动裂隙、 断裂构造及其伴生裂隙， 潜在的突水通道陷落柱； 当基本顶初次来压和采空区为正方形时要特别注意 防范底板突水。 图3 矿井总涌水量与观07-1孔奥灰水位变化相关曲线图 Figure 3 Relationship between the flow rate and water level of Ordovician limestone at no. 07-1 well 图4 16102工作面突水位置示意图 Figure 4 A schematic diagram of working face No.16102 water bursting location 尹会永， 等 滕州矿区滨湖煤矿16煤开采突水特征分析及防治途径 （下转第58页） 49 第27卷中 国 煤 炭 地 质 ③急倾斜煤层地表变形移动的复杂性束缚了其 理论研究的深度和广度， 而且任何一个理论模型都 具有一定的局限性， 因此， 只有对急倾斜煤层采空区 地表变形进行长期观测， 总结其地表变形移动规律， 完善理论模型的边界条件和使用参数， 使其更合理 的应用于工程实践。 参考文献 [1] 朱殿柱， 颜荣贵， 国内外急倾斜煤层矿床开采沉陷研究方法的剖 析及优选决策[J].矿治， 2002， 203， 12-14. 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