主要水文地质研究工作
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发布时间：2022-05-01 17:31
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时间：2022-06-20 08:21
（一）21采区边界断层导水性研究
断层破坏了岩层的完整性，常常成为含水层间的联系通道。断层的某一区段是否导水、导水性强弱、是沿破碎带上下连通还是仅仅水平接触导水，取决于断层的力学性质、断层带的成分结构、断层的后期改造、断层两侧岩层接触关系、含水层的水压，以及采矿活动引起的围岩压力对断层的重复破坏作用。
大平煤矿下一步即将开采的21采区位于大冶向斜轴部和南翼。在采区东南部发育有周山逆断层、F5断层和F6断层，且在向斜轴部因处于构造应力相对集中地段，小断层相对发育，水文地质问题也相应较复杂。
21采区边界周山逆断层与F5断层垂直断距较大，使二1煤层与下二叠统下石盒子组泥岩隔水层相对接，正常情况下为良好的隔水边界。但由于该区为井田地下水排泄区，奥陶系灰岩水在此处受到周山断层的阻挡，地下水在高压作用下很容易沿着断层面上升，导通上部太原组灰岩含水层或侵入煤层（图4-7，图4-8）。所以在本区应加强构造，尤其是F6和周山断层发育情况和导水性性能的探查和研究，正确留设断层保护煤柱。
图4-7 21采区F6、周山断层剖面示意图
图4-8 F5边界断层剖面示意图
当煤层位于不导水断层上盘时，且主要含水层低于煤层时可按下式留设防水煤（岩）柱：
郑州煤矿区水害防治规划研究
式中：Lc——煤柱留设的宽度（m）；
Ha——安全防水煤柱厚度（m）；
hc——含水层至煤层的层间距（m）；
θ——断层与煤层的交角；
β——煤层倾角。
Ha的确定方法：①根据矿井的实际观测资料确定；②用突水系数估算；③用单位水压所需要的等值隔水层厚度（相对隔水层厚度）计算；④先用水压与岩柱强度平衡方程计算隔水层底板临界厚度，再计算安全防水岩柱的厚度。
这种断层防水煤柱的计算是建立在经验基础上的，经过长期的工程实践证明该方法是一种有效的实用设计方法。但这种方法存在着一定的缺陷，即没有考虑实际存在的种种不确定性的因素。因此在实际设计中有的断层防水煤柱留的太宽，浪费了大量煤炭资源；有的过窄，造成突水事故，给煤矿安全生产造成重大损失。所以在实际防水煤柱留设时，除按上述公式计算留设外，还应根据实际探查的断层的性质和含水特征，并结合井田的实际情况合理地确定其宽度，在安全的基础上，尽可能减少可采煤层的损失。
本次规划主要利用地面三维地震探查21采区构造发育情况，利用瞬变电磁进一步探查21采区边界周山断层和F5断层的准确位置及含、导水性，利用钻探资料（Od2和Od3）进行验证，并通过进一步的模拟计算来确定周山断层合理的保护煤柱宽度。
（二）一1煤开采可行性水文地质条件评价
大平井田二1煤资源即将枯竭，一1煤尚有部分保有储量。为了延长矿井服务年限，合理利用煤炭资源，一1煤开采逐渐被提到日程上来，为此需尽快展开对一1煤的补充勘探和可采性水文地质条件评价工作。
一1煤层直接顶为L1-4灰岩含水层，底板为本溪组铝土岩、泥岩隔水层，厚度为0.58～16.65m，平均9.36m，其底板承受的奥陶系灰岩水压最大可达到5.2MPa，有的区段一1煤则可能直接与奥陶系灰岩含水层接触。因此，一1煤层开采的水文地质条件比较复，受水害威胁严重，防治水工作难度较大。为此，一1煤层的开采必须在充分掌握水文地质条件，科学合理、经济有效的采取防治水技术方案和工程措施的基础上方可进行。
大平井田一1煤开采防治水技术的具体思路如图4-9所示。
1.周边矿井及井田内一1煤层开采情况调查
郑煤集团有的矿井已经对一1煤进行开采，大平井田周边一些小煤矿也在煤层浅部露头区对一1煤进行采掘。这些矿井在开采下部一1煤的过程中已积累了一定的防治水经验，有必要对这些矿井的一1煤开采情况做全面调查，以获取一1煤开采的资料，为本矿一1煤开采防治水措施的制定提供依据。
调查的主要内容包括：
1）所开采一1煤的深度，煤层发育情况及开采方式；
2）对井田内的小煤矿需查清采空区范围；
3）一1煤开采的主要充水水源及水量大小；
图4-9 大平井田一1煤开采防治水技术研究路线图
4）一1煤开采过程中发生的突水事故及事故原因；
5）一1煤开采所采取的防治水措施及其效果。
在对周边矿井及井田内一1煤层开采情况调查的基础上，结合以往勘探成果和矿井生产过程中对矿井水文地质条件的新认识，划定勘探区的范围，进行水文地质补充勘探。
2.一1煤开采可行性水文地质条件评价
在勘探区水文地质补充勘探基础上需对一1煤层开采可行性水文地质条件作出评价。
评价的内容主要包括：
1）一1煤顶板太原组薄层灰岩水对煤层开采的影响，可疏性评价；
2）一1煤底板受奥陶系灰岩水威胁情况，评价带压开采的主要影响因素并作出带压开采可行性评价；
3）一1煤底板本溪组铝土岩、泥岩及奥陶系顶界灰岩古风化壳的阻水性能评价；
4）一1煤开采矿井涌水量预计；
5）评价一1煤开采补充勘探与防治水技术措施投入与一1煤开采的经济效益比。
（三）一1煤开采防治水技术研究
一1煤采区需要进行的防治水技术主要分为掘前准备工作阶段、巷道掘前阶段、工作面采前阶段和工作面回采阶段4个阶段进行，现分述如下：
1.掘前准备工作阶段
1）在采区内实时监测地下水位变化情况，出现可疑水位波动及时预警；
2）建立和健全采区防排水系统，一1煤开采需要有防水闸门进行有效隔离；
3）受构造威胁区和采空区积水区合理预留设防水煤柱；
2.巷道掘前阶段
1）利用坑透和井下直流电法在巷道掘进期间进行超前探测，确定巷道前方顶板灰岩富水情况，底板及侧帮隐伏导水构造。经探测分析认为无异常后，方可继续掘进。
2）利用钻探技术对巷道顶板水和前方导水构造进行提前疏放。
若探测认为有异常，要即时分析产生异常的原因，判别异常可能对应的地质构造形式，并超前打钻进行探放水验证。若探放水量较大，可利用该孔进行简易放水试验，并注浆封堵，然后再继续掘进；若探放水量较小，可继续掘进，并利用该孔作为水压、水量监测孔；如果水压、水量逐渐增大，应停止掘进，马上进行注浆，其效果经探查合格后，再行掘进。直至上下巷全部掘进结束为止。
3.工作面采前阶段
一1煤回采前主要防治水技术手段如下：
1）工作面回采阶段，顶、底板音频电透视探测及底板直流电法综合探测。
在工作面巷道形成后，利用音频电透视对工作面顶板进行富水性探测，如果存在富水异常区需通过泄水巷打钻进行疏放；对工作面底板利用音频电透视和井下直流电法进行探测，圈出异常区，有针对性地布置钻探工程：一来用以检验物探结果；二来通过测试求出带压系数。最后，根据探水孔探测结果和带压系数，对底板构造薄弱带尤其潜在导水通道进行注浆加固，并利用音频电透视对注浆效果进行检验。
2）利用泄水巷或钻孔对顶板灰岩水提前疏放，防止造成顶板突水事故，尽量减少顶板淋水对采掘工程的影响，提高采掘效率。
当探测一1煤层直接顶为L1-4灰岩含水层有富水异常区时，应进行工作面顶板水提前疏放。其疏放方式可利用泄水巷打钻疏放，将工作面准备巷道提前开拓出来，利用“采准”巷道预先疏放顶板水。泄水巷内疏放钻孔的布置主要根据物探探明的可疑富水区段和裂隙发育位置布置，钻孔的方位迎着工作面推进方向，与巷道略呈斜交，以上伏角15°～20°打向工作面顶板薄层灰岩，其孔深达到打透一1煤层顶板L1-4含水层即可，不可穿透该层以外的含水层，否则会导致额外的水源涌入工作面。以斜孔打向一1煤层顶板L1-4太原组薄层灰岩含水层，这样揭露含水层范围大，疏放水效果好，并考虑钻孔终点位置与泄水巷平距在50m左右为宜。钻孔间距视疏放效果可以疏密结合，灵活掌握。
3）在物探基础上，针对采面有目的的布孔，除了验证物探结果外，还需要通过钻探过程中相关参数测试求出带压系数，再结合其他参数，对该采面回采过程中能否发生突水进行判别。
4）建立井上下联合注浆系统，对底板隔水层薄弱段及奥陶系灰岩顶部进行预注浆加固。
通过工作面物探探查和带压系数测试结果，依据底板阻水性差异，有针对性的布设注浆孔，对一1煤层底板进行注浆加固。受注层位有两个：一个是本溪组铝土岩、泥岩段，当此段发育有裂隙，便需对其含水异常体进行注浆充填；另一层位为奥陶系灰岩顶部，当发育有溶洞或垂直导水通道（断裂或裂隙密集带）便需进行注浆封堵或加固。注浆长度以实际的物探结果为参照，采取钻一段长，注一段浆，进行钻注、扫孔、再钻注，反复交替，直至完成对整个隔水层段的注浆。
注浆系统可参照表4-4，表4-5。
表4-4 地面注浆站设备仪器参考表
表4-5 注浆设备、管材及仪器参考表
4.工作面回采阶段
一1煤开采时对首采工作面，还应该采用原位地应力探测技术对煤层底板强度和围岩应力场原始情况进行探查，划分出煤层底板隔水层薄弱区段和应力集中区段。与开采过程中的采动应力相对比，研究煤层底板采动破坏深度和破坏规律。
在工作面回采过程中，由于矿压对底板隔水层造成一定深度的破坏，以及矿压与水压的不平衡，将会导致底板突水，为此除了采用原位地应力测试技术对煤层底板采动应力场进行探测外，还应该采用突水预测预报技术，对煤层底板薄弱区段进行动态监测，预报水害事故的发生。
一1煤防治水技术研究是一项综合系统性工程，需在水文地质补充勘探基础上，结合我国20世纪90年代中期以来，华北型煤田防治水最新的科研成果，并针对矿井一1煤采区的水文地质特点研究符合本矿开采实际的新方法。
