矿井隔水关键层机理与防治水技术探讨

申巧君

（霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿地测科，山西霍州 031400）

0 概述

煤矿透水事故是煤矿生产中的五大事故类型之一，事故后果通常都非常严重。煤矿透水事故具有隐蔽性强、事先不易预测和不确定性高等特点。随着煤矿开采深度加大，矿井防水压力也会随之增加。很多大型煤矿已经开采多年，工作面深度很大，深部煤层矿井的防治水问题因此变得非常严峻。煤矿矿井的防治水问题已经成为采煤行业中需要高度重视的问题，值得深入研究。我国在煤矿的防治水方面历来遵循防治水相结合的策略。但不同煤矿可能所处的地质条件完全不同，因此煤矿的防治水策略的因地制宜就显得非常重要。目前已经成功应用到煤矿防治水的方法有注浆技术、可控疏放技术、疏干降压技术等。不论采用何种防治水技术，都是依赖于准确全面的矿区水文地质条件探测，根据具体地质条件来制定最合理的防治水策略。因此准确全面的地质条件勘测也成为煤矿防治水的基础。本文结合矿区的具体地质条件，参考实践中已经证明行之有效的煤矿防治水策略，以煤矿隔水关键层机理为基础来探讨煤矿的防治水问题。

1 煤矿防治水原理

1.1 煤矿水害机理分析

煤矿水害是在煤矿建设或者生产过程中进入矿井的非可控水源给生产建设所带来的灾害事件。从构成元素上看，形成煤矿水害的几个关键因素是进入矿井的水量、充水途径以及充水强度。这3类因素不同组合会形成不同的事故形式。

煤矿水害的水量来源主要有地表水、地质夹层内的地下水和矿区老空积水等类型。其中地质夹层内的断层水、裂隙水和奥灰水是形成煤矿水害的主要水量来源。从机理上看，形成煤矿水害的主要条件是短时间内大量水填充坑道。就常见的奥陶系灰岩水害而言，常见的水害类型有正常底板型突水、沟通断层型突水、裂隙型突水、沟通陷落柱型突水、封闭不良钻孔导通型突水等。从形成机理上看，主要是由于奥陶系灰岩的富水特性，加上地质构造裂隙和高水压。而在采矿过程中的采矿动压影响，加上矿山压力、地应力等环境因素，是诱发矿井突水的主要因素。通常情况下，奥陶系灰岩的突水灾害都和矿区地质构造之间具有高度的相关性。形成突水灾害的导水通道主要是断裂构造带、网络裂隙、陷落柱等。其中断裂构造带富水性强，容易成为沟通奥灰水的主要通道，奥灰水沿着裂隙进入矿井后成为突水的潜在危险源。陷落柱在奥陶系灰岩中成为通道和突水口时比断层的潜在危害大，但形成导水陷落柱的条件更为苛刻。采煤过程中的底板奥灰水突出是隔水层转化为透水层的外在表现，在采动和裂隙共同影响下，矿压和高压奥灰水耦合作用的结果。发生突水前，高压奥灰水沿裂隙（采动引起的原生裂隙扩展）导升，并与采动裂隙沟通形成贯通的导水通道。这种导水通道的产生通常较为缓慢且具有一定的滞后性。

1.2 煤矿隔水关键层原理分析

鉴于以上几类容易造成煤矿水害的潜在危险，保水采煤就成为了煤矿生产中的迫切需求。经过研究和实践，隔水关键层模型在煤矿保水采煤中具有实际作用。隔水关键层的基本原理可简述如下：由于煤系地层具有明显的分层特性，各层之间的承载力和抗渗流能力都存在差异。水源和矿井之间存在着若干隔离层，水最终需要穿透的那部分岩层或最终被阻隔住的岩层即为隔水关键层。水突破隔水关键层的主要途径有两个：一是地质构造中的天然通道，二是采动裂隙贯通。二者之一满足条件都可能形成突水通道而造成突水事故。因此从隔水关键层的原理可知，保护隔水关键层的完整性，避免采动破坏、控制该层中不形成突水通道是避免突水事故的关键因素。

从地质勘测的角度上看，应用隔水关键层原理来避免突水事故的步骤应当是首先通过地质勘探确定隔水关键层的准确位置，在找到隔水关键层后，需要进一步判定其稳定性，这一步的工作往往是最困难的。当检测到隔水关键层中存在渗流突变通道时，就需要采取必要的注浆、加固甚至改造的辅助措施来降低突水事件发生的可能性。由此可见，地质条件的准确勘测是煤矿防水治水的关键前提。在本文中将以某地煤矿的地质勘测和防水治水措施为例来进一步探讨隔水关键层原理的实践应用。

2 应用

2.1 矿井水文地质条件概况

本例中的煤矿位于山西境内，井田内广为第四系黄土覆盖，主要分布于中西部的山梁及沟谷地段，地层为二叠系下统下石盒子组(P1x)及上统上石盒子组地层(P2s)。井田内发育地层由老到新的顺序为奥陶系（O2）、石炭系（C）、二叠系（P）、第三系（N）、第四系（Q）。井田主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，含煤地层总厚度134.85m，共含煤层13层，其中可采煤层7层。煤层总厚12.62m，含煤系数9.3%。可采煤层是1、2、6、7、9、10、11号煤层。在上述11个煤层中，大多数煤层都较为稳定，不稳定煤层是6号和7号煤层。这两个煤层的特点如下：①6号煤层：位于太原组上段下部，上距2号煤层平均间距33.16m。煤层厚度0～2.20m，平均0.89m，一般不含夹矸，个别孔含一层夹矸，结构简单，井田内大部分在可采厚度以上，西部及中部有变薄、尖灭现象，属不稳定的全井田局部可采煤层。顶板为黑色泥岩，局部为粉砂岩，厚3.11～12.5m；底板为灰黑色泥岩，下部夹粉砂岩，厚度2.5～11.5m；②7号煤层：位于太原组中段中部K3与K4石灰岩之间，上距6号煤层平均间距29.46m。煤层厚度0～1.35m，平均厚度0.68m，个别孔含一层夹矸，结构简单，中、东部局部尖灭，属不稳定的全井田局部可采煤层。顶板为粉砂岩及泥岩，厚1.2～12.5m；底板为粘土质泥岩，局部为粉砂岩，厚0.5～14.5m。

2.2 巷道掘进阶段防治水方案

依据隔水关键层的基本原理，避免突水事故的重要环节就是避免遭遇突水通道。在巷道掘进阶段，应当对掘进前方可能存在的导水构造做严格检查，遵循掘进之前先探测，物探先于钻探的原则。在巷道掘进防水治水工作中包含了超前探测、钻探验证异常体治理等内容。

其中超前探测可实现圈定可能存在异常的地质体，采用直流电法、音频电穿透式法等不同方法来综合评判，增加探测的可靠性。对于需要进行钻探验证的前方区域，布置倾角在-10°～-20°之间、数量不低于2个，钻孔探查距离不低于30m的探查孔。对于孔口治水套管的长度，根据煤矿防治水规定的有关条款来实施。一旦确定了异常体及突水潜在风险源，就需严格遵守有关固定，采用超前预注浆加固后再行掘进。

2.3 工作面回采前防治水方案

当采煤工作面已经形成，在回采之前需要对工作面影响范围内的裂隙、薄弱地带、以及富水区进行必要的探测工作，必要时辅以钻探验证，以确定具体异常范围。对于已经确定的导水构造等潜在突水风险的趋于，必须按照规定进行局部注浆加固，并事后检验加固强度是否满足要求。判断依据是依据巷道底板厚度、底板隔水层的抗拉强度等计算安全隔水层厚度。当满足实际隔水层厚度超过安全隔水层厚度并有足够富余时，才能考虑继续掘进。如果资料不足，也可采取较为简单的突水系数法来计算。

2.4 工作面回采过程中防治水方案

从奥灰含水层突水机理可见（主要是形成缓慢，但又往往爆发突然），工作面回采过程中的水情监测（水位、水温等）就显得很有必要，在奥灰含水层和开采层之间布置监测点具有重要意义。这一过程中的关键问题是选择合适的监测层。其基本思路是选择一个和奥灰含水层在水位、水质等存在较大的差异的含水层作为监测层，把奥灰含水层作为目标层，实现对目标层的间接监测。

3 小结

煤矿的防水治水是煤矿生产中的关键问题之一。由于各个煤矿地质构造都不相同，因地制宜的采取防治水措施就特别重要。在对矿区地质构造已经做了较为详尽的勘测基础上，必要的超前探测、设置监测层和必要时注浆加固是煤矿防治水的主要途径。尤其是对监测层的合理设置值得深入研究。

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