顶板异常情况与下伏含水层形成垂向补给通道可能性的研究

摘要：煤矿水害是威胁煤矿安全生产的一项重要因素，煤矿水害事故的发生不仅造成不可挽回的巨额经济损失，同时会威胁到井下职工的人身安全。通过研究掘进巷道顶板异常情况与下伏含水层形成垂向补给可能性的关系，作为判定该区域水文地质条件异常的一项重要依据。

关键词：煤矿防治水；顶板异常；下伏含水层；垂向补给通道

以冀中能源峰峰集团辛安矿112121工作面为例，分析综采工作面顶板异常的显示特征，对工作面上覆岩层的变化进行对比分析，结合工作面四周防探水超前探测钻孔资料，以期掌握顶板异常情况与下伏含水层形成垂向补给通道可能性的研究。

一、概况

辛安矿位于河北省邯郸市峰峰矿区南部，东北距邯郸市50km，由原黄沙井田和辛安区两部分组成。井田走向长7km，东西宽约2.8km，面积15.28k。矿井资源储量1.3亿t。煤种为优质肥煤。该井田主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。2010年该矿2124工作面运输巷迎头突水造成-500水平被迫停产，2011年6月份复产；2011年12月11日，该矿2106工作面开采过程中，采空区内滞后底板突水，预计突水量最大为24000m?/h，矿井淹没水位控制在-45水平，2012年6月复产。随后该矿矿井水文地质划分类型为极复杂型。

（一）工作面概况。112121工作面位于矿井-500水平212采区，工作面南至漳村保护煤柱，北至212采区运煤下山，东邻2123工作面采空区，西至-500水平大巷。2121工作面两巷长750m，可采长度670m，工作面宽115m，煤层平均厚度4.3m.

（二）地质概况。112121工作面主要可采煤层为2号煤层，为条带状亮煤和半亮煤，煤层结构简单，一般无夹矸。煤层厚度2.25～6.15m，平均4.01m。

2号煤层直接顶板多为一层0～8.26m的粉砂岩，厚度变化大，不稳定，开采时易冒落。间接顶板（老顶）为中细粉砂岩，厚度2.7～25.3m，平均厚度10m左右，质地坚硬，不易垮落，在断层带附近节理裂隙发育。底板为深灰～黑色砂质泥岩，厚度4～12.03m，平均6m左右，个别地区为砂页岩互层，含植物根部化石。

二、工作面巷道顶板支护设计

工作面顶煤坚硬完整情况下采用锚网索+w钢带联合支护（280mm宽），巷道为斜矩形断面，净规格4200×3400mm（净宽×净高）。

选用φ20m的钢绞线锚索。设计运料巷每排为三根锚索，运煤巷每排为四根锚索，两巷锚索设计长度为9000mm。每根锚索配树脂药卷MSK2835一卷和MSZ2835五卷，配钢板托盘一只，规格300×300×18mm。

运料巷锚索布置：顶锚索三排，呈矩形布置，间排距为1600×1100mm；帮锚索间排距为1600×1500mm，距底板1400mm。

运煤巷锚索布置：顶锚索三排，呈矩形布置，间排距为1600×1100mm；帮锚索间排距为1600×1500mm mm，距底板1400mm。并且每排在下帮切顶线往上帮300mm的位置处，补打一排锚索，补打锚索间距为1600mm。

拱部（顶部）锚杆支护参数

选用φ20mm的螺纹钢锚杆，长度为2000mm，由MSK2335和MSZ2335树脂药卷各一卷作为锚固剂，配备铸钢方托盘（260×200×18mm）一块。拱部锚杆间距为700mm，排距为800mm。

三、顶板异常显现规律分析

根据现场资料收集情况，2121工作面掘进顶板支护过程中发现顶板异常两处：

（一）顶板异常1区：2121工作面回风石门经纬点656点前10m处，顶板支护打顶锚杆时，自煤层顶板以上2m处，发现顶板出现部分高度0.2m空腔，打锚杆透空时孔内短时间内涌出积水，随后孔内水流改为渗流补给，分析积水来源为淹井时残留积水。其平面位置如下：

（二）顶板异常2区：2121运料巷675点前20m处，顶板支护打顶锚杆时，自煤层顶板以上6m处，发现顶板出现部分高度0.4m空腔，打锚杆透空时孔内短时间内涌出积水，随后孔内水流改为渗流补给，分析积水来源为淹井时残留积水。该处临近断层，围岩较为破碎。同时发现，该区域底板较软，用锚杆探测，地板破碎，松软，后经打钻验证该断层裂隙发育，局部导水，将下伏各含水层联系起来。其平面位置如下：

四、瞬变电磁异常区分布规律

为探明2121工作面内地质构造发育情况及一定范围内水文地质条件，矿方多次委托中国矿业大学采用综合物探探测技术，对2121工作面进行探测与评价。

1号异常区：位于2121运料巷临近回风石门处8～10测点之间，向下呈开口状，顶部距离巷道底板68m，可解释为对应范围内围岩局部裂隙发育且被低阻泥岩介质充填的反应，从视电阻率值相对变化情况分析，其赋含水性较弱。其平面位置紧邻顶板异常1区。

2号异常区：位于2121运料巷38～41号测点之间，向下呈开口状，顶部距离巷道底板65m，可解释为对应范围内岩层局部裂隙发育且被低阻泥岩介质充填的反应，从视电阻率值相对变化情况分析，其赋含水性较弱。其平面位置即以顶板异常2区为中心。

五、顶板异常情况猜测分析

当工作面下伏含水层存在局部径流带，裂隙发育，水源补给充足的情况下，在水流溶蚀、搬运作用下，其裂隙不断扩大，在上覆岩层的压力下，地层出现小幅度沉降，破碎岩层在径流带重复溶蚀、搬运过程中，垮落带逐渐向上部岩层延伸，直到遇到上覆巨厚岩层。煤层顶板老顶上覆巨厚中细砂岩能够承受较大的地层压力而不发生垮落，从而在紧邻巨厚岩层的位置，形成小范围空腔。

六、结语

综上所述，在工作面开采之前，对工作面下伏含水层缺少认识的前提下，对整个工作面进行瞬变电磁探测，不仅工作量繁重，而且操作上存在困难。如果在工作面巷道掘进过程中，发现顶板异常，出现空洞的情况，可以重点对该区域水文地质条件进行探测研究，提前发现异常，做好应对措施。因而，顶板出现空腔异常时，可以作为判定该区域水文地质条件异常的一项重要依据。