张集矿13 煤层顶板砂岩裂隙水特征及防治

摘　要:系统分析了张集煤矿13 - 1 煤层顶板砂岩裂隙含水层的水文地质特征,提出了一系列的防治措施,并取得了良好的效果,对煤矿砂岩水的防治有一定的指导意义。
关键词:煤层顶板;砂岩裂隙水;防治水
中图分类号: TD74 　　　文献标识码:B

　　张集矿井位于淮南市凤台县城西20 km 处,设计生产能力为400 万t 。主要可采煤层有5 层(13 -1 、11 - 2 、8 、6 、1) ,两翼开采,共分两个水平:第一水平为- 600 m ;第二水平为- 800 m。开采方法采用倾斜长壁与走向长壁相结合的方式,顶板管理为全部冒落法。根据张集矿井20 a 规划,第一水平前期主要开采13 - 1 煤层,而影响13 - 1 煤开采的主要充水因素是13 - 1 煤层顶部的砂岩裂隙水。
1 　井田地质概况
1. 1 　地　层
张集井田全被新生界地层所覆盖,地层全系钻探揭露,从老到新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、第三系、第四系,主要含煤地层为二叠系的上下石盒子组。
1. 2 　构　造
矿井位于谢桥向斜北翼,地处陈桥背斜的东南倾伏端,总体形态呈不规则扇形展布的单斜构造,地层走向呈不完整的弧形转折,西段地层走向在北西75°左右,中段急转东西,北东方向,至北段大致向正北延伸,地层倾角平缓稳定,中央石门以西为10°左右,以东2～5°,工业场地以南至向斜轴一般为15°,局部为30°,并有明显的波状起伏。
1. 2 　水文地质
矿井水文地质条件简单,主要含水层(组) 由松散砂层孔隙水、二叠系砂岩裂隙水、石灰岩溶裂隙水等三个部分组成。
1. 2. 1 　松散层含隔水层(组)
根据沉积环境和岩性特征,新生界地层从上到下可分为上含上段、上段隔、上含中段、上含下段、第三系上隔、中含、中隔和红层。红层岩性为紫红色砂岩或砂砾,根据邻近谢桥矿对红层进行补勘认为红层不含水,是隔水层。在13 - 1 煤露头附近中隔厚度一般为18. 0～50. 3 m ,红层厚度为0～29. 2 m ,两者组成巨厚的复合隔水层阻隔中含下段以上的水体溃入工作面。因此,在留有一定的防水煤柱的情况下,新生界砂层水对矿井开采不会造成威胁。
1. 2. 2 　二叠系煤系砂岩裂隙含水层
该含水层分布于煤层与泥岩、砂质泥岩之间,岩性为中细砂岩、粗砂、石英砂岩,一般为独立的含水单元,其补给来源有限,以储存量为主。
1. 2. 3 　灰岩岩溶裂隙含水组
太原组灰岩岩溶裂隙含水层,厚度较大,岩溶裂隙分布不均,为1 煤底板直接含水层,奥陶系灰岩该矿井钻孔未揭露,但从潘谢矿区总体来看,奥灰岩岩溶在中下部比较发育,因岩溶裂隙发育的不均一性,各处富水性相差悬殊。
2 　13 - 1 煤层顶部砂岩裂隙含水层(组)
211 　煤层及顶底部岩性特征
13 - 1 煤层为该矿主采煤层之一,结构简单,厚为2. 21～6. 38 m ,平均为4. 42 m ,底部以泥岩为主,少数砂质泥岩、炭质泥岩,顶部60 m 范围内均发育3 层以上的细砂岩、中砂岩或石英砂岩,尤其是四线至六～六西线之间F217断层以南13 - 1 煤层顶部普遍发育厚层状硅质石英砂岩,中央区工业广场附近石英砂岩最厚达41 m ,向西逐渐变薄,只有五西线附近局部及井田内局部块段石英砂岩相变为中细砂岩。13 - 1 煤层顶板多由细粉砂岩、泥岩和砂质泥
岩组成的复合结构,岩砂所占的比率达78 %以上。
2. 2 　砂岩含水层特征
根据主、副井检查孔、水209 孔等抽水试验、盐化扩散测井、流量测井等资料反映,13 - 1 煤层顶部砂岩相对富水,在井巷掘进过程中也有多处滴淋水,最大出水量为30. 89 m3/ h ,水温为25 ℃。
2. 2. 1 　钻孔漏水情况
根据安徽煤田一队1993 年3 月所提交的《张集煤矿精查地质报告汇编》中煤系地层钻孔漏水统计表,全区煤层顶板砂岩裂隙水共28 次,其中16～13煤间2 次(十七4 、204) 。而全区穿过16～13 煤顶板砂岩共148 次,漏水占1. 36 %。
2. 2. 2 　简易水文观测及盐化测井情况
根据主、副井检查孔资料:主检钻孔在- 552. 28～ - 545. 35 m、- 522. 9～ - 495. 8 m 两段冲洗液消耗量为0. 25～1. 5 m3/ h ,对应该层位为13 - 1 煤顶板的细砂岩、石英砂岩。而盐化测井曲线反映主检孔在- 552. 7～ - 551. 3 m、- 493. 0～ - 508. 9 m;副井检孔在- 517. 8 ～ - 535. 8 m、- 555. 21～- 561. 9 m等区段皆为涌水段,并用大井法对上述区段进行了涌水量预计, 其预计结果分别为126. 97 m3/ h 、104. 0 m3/ h 。
213 　砂岩裂隙含水层富水特征
存在于砂岩中的裂隙是砂岩裂隙含水层主要贮水空间,显然裂隙发育密集程度决定了含水层的富水性,而裂隙的发育程度又与岩性、构造有关。不同的地质构造形态对裂隙发育的影响有明显不同。一般在背斜、向斜和褶曲的转折端等变形强烈的部位裂隙发育,而在断层附近,上盘岩石破碎,裂隙密集,常伴有岩层牵引现象,经常形成一定规模的裂隙密集带,在断层的交叉处,裂隙更发育;在断层的端点及两侧,岩层裂隙也发育。张集井田煤系地层砂岩裂隙水也遵循上述一般规律。裂隙发育程度存在有明显的不均一性,现施工在井田范围内的注氮孔说明了这一问题,当钻孔钻至13 - 1 煤层顶板砂岩裂隙含水层时注氮孔漏水严重,无法正常施工,而注浆孔无漏水现象。但两钻孔之间间距不足200 m。不同的岩性,富水性也不同,粗碎屑岩含水性较粒度细的含水性好。从矿井总体地质条件来看,由于西一采区地层走向变化不大,较稳定,小构造较少,导致构造裂隙产生的少,这样其蓄水空间也就小;而东一采区地层走向变化较大,总的形态为宽缓背斜,局部有波状起伏,小构造较发育。由于构造应力作用,背斜的轴部附近产生一系列张性节理,且断层附近有羽状裂隙和X 型节理伴生,使东一采区含水层蓄水空间明显增大,所以东翼采区比西翼采区存在相对富水的可能。从井巷揭露资料证实东、西翼采区13 - 1 煤层顶板砂岩裂隙水水量存在明显的差异,含水层水量变化呈从小到大,达到峰值后逐渐变小,趋于稳定甚至疏干的变化规律。
3 　防治水对策
矿井范围内13 - 1 煤层顶板砂岩裂隙含水层普通发育,在掘进过程中,砂岩裂隙水主要通过裂隙面、构造面或锚索杆眼涌入巷道;在回采时,通过构造裂隙面和采后波及的破坏的影响,导致砂岩裂隙水部分或全部涌入工作面,为减少地下水对矿井的危害,采用以防为主、防治结合的原则,变被动为主动的防治水方法,在井巷施工中针对不同块段的巷道采用不同的技术措施。
311 　注浆堵水
根据中央区三个井筒检查孔抽水资料进行预计井筒在施工时13 - 1 煤层顶板砂岩含水层出水量达126. 97 m3/ h ,由于井田煤系地层被巨厚新生界松散层所覆盖,排水难度较大,为减少井巷施工难度,使井筒快速通过砂岩含水层水体。施工前采用地面预注浆,进行注浆堵水。结果施工至砂岩含水层时,风井出水量为9. 14～18. 5 m3/ h ,副井几乎无水,主井出水量仅为2 m3/ h ,三井筒所对应的含水层厚度分别为23. 3 m、23. 5 m、34. 4 m。含水层裂隙发育,主
要为走向8°及190°倾角近似直立的两组裂隙,裂隙率为1. 7 %～2. 1 % ,1 mm 以上裂隙被水泥浆充填。由于采用地面预注浆堵水措施,治水措施得当,实现了打干井的效果,加快了井筒的施工进度,创造月进尺全省第一,为张集矿5 a 建成创造了有利的条件。最终三井筒实测涌水量分别为216 m3/ h 、
3. 4 m3/ h 、4. 5 m3/ h ,取得了事半功倍的效果。
3. 2 　疏放排水
13 - 1 煤层顶板砂岩裂隙水是该矿采掘工作面主要充水因素。顶板裂隙水随着生产过程中产生的塌陷裂隙进入掘进工作面,造成顶板滴淋水,影响掘进作业和工人的身体健康,因矿山压力作用伴随回采放顶导致大量地下水溃入工作面,严重时造成垮面停产。实际揭露证实在西一采区施工过程中巷道顶板均有不同程度的滴淋水现象,且滞后工作面1～7 d ,最大涌水量为0. 5 m3/ h 。由于张集矿煤层均为缓倾斜煤层, - 600 m 水平以上,以倾斜条带布置
为主,此设计方案更加有利于保持排水通道通畅,因而减少了水害对工作面的威胁。随着科技成果的推广,锚梁网支护技术在张集矿得到了应用,由于锚索较长(4. 5～6. 0 m) ,在1215 (3) 两巷施工中锚索的长度大于煤层的直接顶板厚度,多处锚索眼出水。根据这一现象的启发,张集矿针对预计涌水量较大的东一采区,提出在东一采区1111 (3) 面两巷地质条件较好的地段采用锚梁支护形式,特别是接近宽缓背斜轴部地段,加长锚索长度使锚索眼穿至13 - 1
煤层顶板的裂隙砂岩含水层,兼作探放水眼,这一措施效果十分明显,结果单个锚索眼最大出水量一般均在0. 5 ～ 4 m3/ h 之间, 巷道最大出水长度达200 m ,最大涌水量为30. 89 m3/ h 。但在地质条件较差且排水不利地段尽量采用U29 型钢支护形式,避免顶板裂隙发生而大量出水。由于采取了这种积极措施,整个1111 (3) 面排出水量多达36 000 m3 ,减轻了对工作面回采的威胁,这种根据含水层的富水性、导水性而采取的措施,不仅在经济上十分合理,而且在一定程度上同样达到了预期的防治水目的。
3. 3 　留设合理的防水煤柱
在有可能受到水害威胁的地段,留设一定的防水煤柱是防止地下水溃入工作面行之有效的防水措施。张集矿是刚投产的矿井,对于影响采面布置的导水性断层以及断层与含水层的水力联系程度,目前认识程度不足。例如对影响工作面布置的F226 、F217等边界断层,工作面按规程留设足够的防水煤柱,矿井建设期间巷道揭露断层时都有不同程度的滴、淋水现象, 尤其是东一采区最大涌水量达38 m3/ h ,足够说明井田内断层具有导水性,因此在
回采时,要留足够的断层防水煤柱。为了减少水害对工作面的威胁,首先探明断层的性质和导水性,在获取一定的水文地质参数后,使断层防水煤柱的留设更趋于合理,减少煤柱损失,提高矿井回采率。除采取专门的防水措施外,还应做到: ①要认识矿井水害防治的重要性,提高防范意识,做好防治水的各项工作。要及时进行水情、水害调查,做好水害的预测预报工作; ②要建立完善排水系统,要有足够的排水能力; ③提交采区地质说明书,要综合分析煤层走向的变化趋势,以便设计部门设计的巷道能使出水自动排出,减少排水费用。