1 鲁西煤矿南区下组煤水文地质条件研究

    山东省煤田地质局第二勘探队对鲁西南断陷区内的鲁西煤矿南区下组煤水文地质条件进行了研究，为煤炭开采和水害防治提供了科学依据。

    根据《鲁西煤矿开拓开采下组煤可行性研究报告》，该区下组16、17层煤下距奥灰间距分别为44.09～70.53m和30.23～58.19m，由浅至深逐渐加厚，其间岩性主要为抗压强度较高的石灰岩、砂岩和隔水能力较强的泥岩、粉砂岩互层，具有较可靠的阻水能力。其隔水层底部为厚度8.17～14.82m的较稳定铝质泥岩，可阻止导水带形成；铝质泥岩以上为十四、十三、十二层灰岩，合计4.50～14.82m，抗压能力强，阻水系数0.40MPa/m，其它岩层阻水系数取0.20MPa/m。按各孔分别加权平均，阻水系数为0.22～0.29MPa/m，计算需要的可靠阻水带厚度为19.4～23.0m。

    煤层直接底板为泥岩或粉砂岩，以塑性为主，且开采煤层薄，顶板周期来压小，对底板破坏较轻。以同类条件相比拟，导水破坏带厚度6～8m。随着开采深度增加、底板水压增大，隔水层厚度也相应增加。在勘探及补勘阶段主要开采范围内的6个钻孔中，奥灰揭露厚度0.89～45.25m，只有一个钻孔漏水，漏失量2.4～3.2/h。在井田B4-1、B7-1揭露奥灰顶部都存在被泥质充填的隔水带，也可作为底板防水安全岩柱厚度组成部分。奥灰水由于强大的水压力向上冲破煤层至奥灰顶界面之间的压盖隔水层而涌入矿井会造成奥灰水底鼓。奥灰水能否底鼓受岩溶发育程度和奥灰水压力的大小、奥灰压盖隔水层的厚度、岩性组合关系、抗张强度、地质构造及采煤方法等多种因素制约。

    根据B4-1、B7-1两孔对17层煤底板至奥灰顶岩石力学试样实验结果并采用《矿区水文地质工程地质勘探规范》中的突水系数公式计算，开采17层煤时底板破坏深度8m左右，在开采-490m水平以浅时正常块段突水系数0.149MPa/m，小于规范的0.15MPa/m，一般不会发生底鼓突水。从以上研究结果可知，该井田开采下组煤有一定的安全性，但在生产过程中仍要制定可靠的防范措施。

    2 采掘工程对矿井水文的影响

    兖州矿业（集团）公司杨村煤矿投产14年来的采掘活动，引起除奥灰含水层（因其静储量大、埋藏深，采掘对其基本无影响）外各含水层水位的大幅度下降。据观测资料显示，第四系“三含”下组下段水位下降35.155m，十下灰水位下降43.489m，十四灰水位下降71.792m。为此，他们开展了采掘工程对矿井水文影响的研究。

    采掘对矿井水文地质条件的有利影响主要体现在：采掘活动引起第四系下组下段水位大幅度下降，有利于厚薄煤层提高开采上限，解放了原先防水煤柱压滞的煤炭；采掘活动使3煤顶板砂岩水基本处于疏干状态，3煤开采过程中基本不存在水害；采掘活动引起十下灰、十四灰水位大幅度下降，减少了采掘工作面的涌水量及承压含水层的水压，减少了重特大突水事故发生的可能性。

    另一方面，采掘对矿井水文地质条件的不利影响有：①采动活动引起第四系“三含”含水层水位大幅度下降，在含水层的压实过程中使得立井井筒的井壁受到垂向的压力，造成井壁破裂。1998年以来，主井治理了3次，费用273万元；副井治理了3次，费用208万元；北风井治理了2次，费用298万元；南风井治理了2次，费用223万元。②大面积的采掘活动造成采空区积水，尤其是各个低洼处的小面积积水不易被发觉，给生产造成潜在的威胁。③采掘活动将原先的不导水断层激活成为导水断层，使得含水层之间发生水力联系，从而诱发突水事故的发生。对策是加强地下水3水位动态观测，为水害防治提供可靠的依据；加强采空区积水的分析排查，提前对采空区积水进行探放；加强断层导水性的分析，坚持“有疑必探、先探后掘、先探后采”的原则，避免因为断层导水诱发突水事故。

    3 顶板导水裂缝带高度的确定

    山东科技大学和兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿共同开展了确定顶板导水裂缝带高度方法的研究，运用因素分析及回归模型优化的方法，得出了缓倾斜煤层开采时顶板导水裂缝带高度与煤层开采厚度及顶板岩层单向抗压强度的加权平均值之间的最佳回归方程和相应的回归系数，具有良好的现实意义和理论研究价值。

    对于开采水平及缓倾斜煤层而言，如果排除地质异常（断层破碎带、陷落柱等因素）的影响，开采产生的导水裂缝带高度的最大值主要与采厚和顶板的岩性有关。大量的实际观测和理论研究表明：采厚越大，覆岩岩性越坚硬，抗压强度越大，其脆性破坏增强，相应的导水裂缝带高度越大；相反，其脆性破坏将减弱，而蠕变性增强，对应的导水裂缝带高度将随之减小。然而，在目前确定导水裂缝带高度的两类主要方法都存在着一定的缺陷。钻孔注水、物探、光学探测这一类实际观测方法虽然比较可靠，但是工作量大、费用高，而且只能结合井下开采来进行。

    在理论计算和经验公式建设这一类计算方法中，由于理论计算的模型建立过于理想，而且岩体的真实力学参数又较难获得，容易受到人为影响而误差大。在水平及缓倾斜煤层普遍使用的两种经验公式中，作为影响导水裂缝带高度重要因素之一的岩性，均是按照顶板分类中的软或者硬这一模糊指标来衡量的，可是有时候顶板的类型不容易确定，两种经验公式选用哪一个亦有难度，公式的中误差也比较大。

    专家们指出：此项研究课题所获得的回归方程，与实测资料的验算对比具有较高的精度，而且中误差也比较小，为煤矿的开采提供了一种预计顶板导水裂缝带高度的好方法，值得广泛推广应用。

    4 底板岩层阻水能力评价

    兖州矿业（集团）公司杨村煤矿分析了煤层底板阻水能力的主要影响因素，提出了底板岩层阻水能力评价的新方案，得出了本矿16、17煤对十四灰与奥灰水阻水能力的综合评价结果。

    杨村矿投产十余年来共发生16、17煤底板突水事故18起，直接经济损失5400万元以上。底板突水成为该矿安全生产的重大隐患。目前关于煤层底板岩层阻水能力的评价较多采用突水系数法，只反映水压和有效隔水层厚度，而没有体现隔水岩层的强度和结构性与阻水强度的关系，也没有反映水岩耦合作用特点，有一定的局限性。此项课题从底板阻水岩层强度条件和结构特征的综合角度出发，对16、17煤底板岩层阻水能力作出评价，实用性较强。

    研究表明：① 16煤底板对奥灰水的阻水能力，井田北部较高，其阻水强度在6.5MPa左右，明显高于奥灰水的承压水头值；中南、南部局部地段阻水强度较低，在4.5MPa左右，但仍高于相应位置的奥灰水承压水头。与16煤相比，相同位置17煤底板阻水能力低1MPa。② 16煤底板对十四灰的阻水能力为0.5～3.0MPa，井田北部较高，中南部相对较低，有些区段低于相应位置的十四灰水的承压水头，采动后可形成渗流，如遇导水断层便可导致突水，而且断层落差越大突水危险性越大。此项研究的结论如下：对比分析实际突水点的观测资料，与上述阻水评价结果较吻合，说明该阻水能力评价方案是可行的，其评价结果可做为制定底板水防治方案的重要依据；所提出的底板阻水能力评价方案，综合考虑了底板阻水岩层强度条件和结构特征，是对突水系数法的进一步补充和完善。

    5 矿井水文地质信息管理系统研究成功

    水文地质信息包含的内容繁多，既有钻孔资料又有实测资料，处理消息的方法也是多种多样。随着计算机技术的广泛应用，处理水文地质信息的思路和方法也在不断更新和提高。由山东科技大学和兖州矿业（集团）公司南屯煤矿共同开发的“矿井水文地质信息管理系统”，使水文地质信息管理工作实现了规范化、系统化和科学化，极大地提高了领导者的决策水平，有着显著的先进性和实用性。

    矿井水文地质工作直接影响着生产的安全状况，是一项相当重要的工作。矿井水文地质信息包括的内容繁多、数据量大，既有钻孔资料又有实测资料，既有从现场采集而来的原始数据也有经过室内加工而形成的新数据。如何有效地对这些数据进行加工和处理，就是此项研究课题需要解决的问题。该系统的设计分为需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计4个过程。研究人员首先依据水文地质数据的特点并且按照其本身的性质及用途的不同，对所有的数据进行了综合整理，归并成为矿井涌水量数据、井上下钻孔数据、开采面积数据、防治水数据、水文情况数据、供水情况数据、气象及其它资料数据共七大类，然后再根据每一类数据的特点开展了数据库的设计。

    ① 建立数据处理模块，主要完成对矿井水文地质七大类数据的加工、处理、统计与合成等运算，实现原始数据的计算机管理，自动生成所需要的相关各类数据。② 建立数据查询模块，主要实现对矿井水文地质七大类数据的各类查询，其中包括按月查询、按年查询以及分阶段查询。③ 建立报表打印模块，主要完成对七大类数据的打印机输出。④ 建立系统服务模块，主要设计完成与矿井水文地质信息管理系统有关的几个实用小程序，同时也能够实现方便用户使用的有关解释和说明。⑤ 编制、完善水文地质数据库管理系统的计算机软件，使系统能够方便地进行修改、增加、删除或者打印输出，并且功能更加齐全、结构更加合理，同时便于系统的扩充和维护。⑥ 建立数据与图形之间的接口模块，以便为图形绘制系统提供数据，实现图形绘制系统对水文地质数据的快速、安全与准确调用。

    目前，水文地质信息管理系统作为南屯煤矿计算机综合一体化系统的一个重要组成部分，已经实现了数据的自动查询和数据报表的规范化输出，标志着这个矿的水文地质信息管理工作开始进入了科学化管理的轨道，在很大程度上提高了矿井生产的现代化水平。

    6 地质水文信息可视化管理系统

    兖州矿业（集团）公司杨村煤矿与山东科技大学研制的地质水文信息可视化管理系统，使水文地质工作更加规范化、科学化，为矿井实现安全高效生产创造了有利的条件。
地质、水文工作是煤矿生产中直接影响安全的基础工作，关系到矿井开采的安全及相关部门工作的准确、合理开展，水文地质信息包含的内容繁多，既有钻孔资料又有实测资料，其信息的属性和种类具有广泛、综合、复杂、动态的特征。目前信息的处理方法也多种多样，尤其是随着计算机技术的不断发展及其在现场工作中的广泛应用，对水文地质信息的处理技术和方法也在不断更新和提高。

    此项成果研究开发面向对象的内置关系型可视化数据库语言Visual  Foxpro和支持ODBC、多平台过程化数字图形可编译语言MB进行动态数据、数字图象处理，应用可视化桌面地理信息系统Maplnfo及多媒体技术，把矿区地质、地形数据、水文数据及矿井各种台帐报表等作为信息数据源，而地质地形图、勘探线剖面图、钻孔柱状图及综合水文地质图等构成基础图库，试图通过各种数字采集器，把视频和各类信息数据进行关系聚合、叠加分析、空间属性联接与嵌入。自动地理编码，结合具体的工作区状况等原始信息资源，建立各类专题关系数字模型，实时动态地在计算机显示器上显示出来或外设安排打印输出，并可以把矿井所有地质、水文地质图件和数据库数据全部映示在综合水文地质图等图形中，实现图形与数据的叠加显示和动态查询维护，这就极大地方便、简化了矿井地质、水文地质数据信息的管理手段，具有鲜明的行业特色和创新之处。

    7 厚煤层大跨度综采放顶煤工作面涌水研究

    兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿5308工作面开采以来共发生6次较大涌水。其中，最大涌水量80.48～260/h，平均涌水量65.09～102.28/h，每次涌水期间工作面推进距离6～104m，两次涌水间隔距离12～359m；每次涌水9～20天，两次涌水间隔5～85天；每次涌水量1.8～3.8万，累计涌水总量18.3万。最近，他们对厚煤层大跨度综采放顶煤工作面涌水特征及防治措施开展了研究。

    回采工作面涌水量受两个方面的因素影响：一是与所在区的覆岩岩性、断层等构造裂隙发育程度密切相关；二是煤层开采活动及由此引起的覆岩采动裂隙的发育程度及过程。

    ⑴ 涌水区域主要在以下异常地点：①工作面开采初期，覆岩采动导水裂隙带第一次发育到最大高度的区域。该面第一次涌水即属此例。工作面自切眼推进80.5～144m时覆岩裂隙带发育至最大高度，造成突然大量涌水。②工作面的上端覆岩采动裂隙带发育的峰部位置。该面第三次涌水即属此例。涌水位置位于工作面上端185～196m ，同覆岩采动裂隙带发育的峰部位置基本相对应。③小断层发育的区域。该面第四、五次涌水主要在工作面内下部发育的V-F7断层附近。由于断层的影响，顶板破碎，覆岩导水裂隙带发育高度增大，连通的覆岩含水层层数与厚度增多，造成断层附近大量涌水。④向斜轴部的两侧。该面除第一次涌水外，第二至第六次涌水位置均位于工作面向斜轴部两侧，和向斜轴距离40～290m。

    ⑵ 防治水措施：①工作面涌水构成以煤层顶部砂岩水为主，第四系下组水对煤层顶部砂岩水有一定的补给，回采工作面涌水预测时应予以考虑。②加密观测煤层顶部砂岩水位观测孔、第四系下组水位观测孔，及时观测覆岩采动导水裂隙带的发生、发展与稳定闭合的过程，对分析工作面涌水有一定帮助。③采取原有水文资料、工作面富水性探测（如音频电透视探测）资料的静态分析和工作面回采推进情况、含水层水位资料动态观测相结合的方式，进行工作面涌水预测预报，更好指导回采生产。

    8 综放工作面大量涌水综合治理技术

    兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿2000年12月投产后，多个采煤工作面均不同程度受到涌水影响。为此，他们从采煤工作面设计到施工全面综合考虑防排水问题，工作面涌水100/h条件下，涌水全部实现自流不用排水泵，大量煤泥从源头得到治理，月产量均在20万t以上，实现了持续大量涌水条件下的安全高效开采。

    ①实测涌水。5303综放工作面南部距红层较近，3下煤覆岩导水裂隙会波及至红层，红层水将是工作面主要的涌水水源，预计最大涌水量200/h，正常涌水量80～100/h。工作面于2008年4月开始生产时水量稳定在2～5/h，一个月后涌水量逐渐增大，最大为水量135/h，稳定在水量100/h左右，出水形式为顶板淋水及采空区涌水，以后者为主。

    ②涌水治理。工作面出现大量涌水后，在辅助顺槽靠巷道西帮人工打排水沟，让涌水自流到53下03（南）泄水巷，并逐级自流到五采区南部泄水巷、五采区泄水巷、-665水仓泵房。由于工作面为俯采且刮板运输机头尾高差较大，涌水带着大量煤泥从溜尾经辅助顺槽直接进入泄水巷。由于整个泄水巷泄水系统已经形成，所以对工作面生产基本没有影响，但是涌水自流带出的大量煤泥进入水仓造成快速淤积影响排水，甚至危急矿井安全，必须超前考虑及解决。

    ③煤泥治理。根据巷道布置的实际情况，在最大限度减少劳动强度的情况下，于5303泄水巷西侧平段安装1部40t刮板运输机，机头搭接到5305胶带顺槽800mm掘进胶带运输机上。在距机头10m和40m处用编织袋打2个高1m的围堰，采取自然沉淀的方式将煤泥拉出。考虑运输机拉煤泥的能力，刮板运输机布置长度仅为70m。工作面推进100m左右时，采空区出现大量涌水，实测为130/h。涌水自胶带顺槽流出并携带大量煤泥。由于涌水流速快，在5303泄水巷开启刮板运输机清淤效果不好，仅拉出少量煤泥。他们在刮板运输机两侧对称各打一个沉淀池，一边清理一边沉淀。人工将沉淀后的煤泥攉到刮板运输机上，再由刮板运输机转运到胶带运输机上，实践证明沉淀清淤效果较好。

    9 南屯煤矿下组煤涌水特征研究及防治

    兖州矿业（集团）公司南屯煤矿太原组16煤和17煤开采的直接含水层为十灰岩，间接充水含水层为十四灰和奥陶系灰岩含水层。奥陶系灰岩水位高、水压大，使奥陶系岩溶承压水成为威胁下组煤开采的主要突水水源。为此，他们开展了下组煤涌水特征及防治的研究。

    矿井防治水不是一项孤立的工作，而是一个从检查水害机理到有针对性施治的过程。

    ⑴下组煤涌水量计算。根据“矿区水文地质工程地质勘探规范”，扩大延伸勘探矿区，成分研究已有勘探和矿山生产资料，评价矿区水文地质条件。当水文地质条件变化不大时，可利用比拟法预测矿坑涌水量。北宿井田与南屯井田为同一个水文地质单元，不同的是南屯煤矿下组煤位于北宿煤矿深部。正常情况下，南屯矿下组煤涌水量较北宿矿大。

    ⑵采区水综合防治。①井下探放水。根据相邻的杨村煤矿资料，在掘进过程中有突水的实例，因此掘进工作进入断层或者破碎带和裂隙发育区段的时候进行超前探水和打钻放水。②水质、水位长期观测。在补充勘探过程中已经施工的十四灰、奥灰水文长期观察孔的水位动态监测，使用先进的水位自动监测仪器，为矿井水的防治提供了可靠的动态变化资料，以便采取有效的措施预防水害的发生。③合理留设煤柱。下组煤-432水平已经探明的较大断层和相邻矿井的认为边界按照《矿井水文地质规程》的要求合理留设防水煤柱。④旧钻孔的启封。为了排除旧钻孔因为封孔质量不良而使第四系水和下部基岩含水层直接连通，在工作面开采之前对封孔质量有问题的孔，即煤层顶板水泥砂浆封闭高度不够的钻孔或者封孔资料不清的钻孔都要进行启封，排除矿井涌水的隐患。⑤ 排放水。由于工作面巷道布置在同一煤层的平面上，泄水系统主要依靠泵排，所以回采的时候工作面必须配备有足够完善的排水设备。

    10 下层煤开采过程中防治上层老空水研究

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿2306工作面位于2301工作面采空区的下方，两个工作面重叠145m。预计2301工作面回采以后的采空区内存在着积水。为了确保安全生产，他们在2306工作面的轨道顺槽、运输顺槽和工作面内进行了探放水工作。

    该矿对2306工作面的防治水工作高度重视，在两顺槽没有放出积水的情况下仍把2306工作面回采时防治2301工作面老空水列为A级隐患，探放水设计及措施到位，准备工作充分。从距采空区30m的位置可是探放水，由于顶板压力，放水孔易堵塞，效果不理想。为了加快放水速度，把放水距离定在距采空区8.2m的位置，实践证明放水效果很好。在工作面放水期间，为掌握采空区积水情况，采取了由低处逐步向高处打孔探测积水高度，较准确地判断出采空区的积水量。

    不足之处是：①没有设计泄水巷，在疏放2301工作面老空积水过程中多次打钻放水，钻孔施工距离长，极易堵塞，探放水难度大。②对受采动影响采空区充水认识不足。按照正常情况考虑，2305工作面开采比2301工作面早，开采冒裂带的高度也超过2301工作面，因此2301工作面采空区的水应当能够沿着裂隙导通至2305工作面的采空区流出。因此，对于2306工作面采动影响老空水流水通道阻塞，使得2301工作面老空水重新积聚的情况认识不足，导致水量预测误差大。③在受压力影响区域用钻孔放水困难很大。2306工作面轨道顺槽提前做了大量探放水工作，累计施工11个钻孔，只有6个打透采空区，没有放出多少积水。实践证明，在顶板压力较大位置施工钻孔放水，在距离超过10m的情况下效果不好。

    11 鲍店煤矿十采泵房治理淋滴水实践应用

    兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿十采区泵房位于10304工作面的下方，层间距为5.6～10m，顶板受到采动的影响比较大，虽然由于采取了特殊的支护技术使得顶板的变形比较小，但顶板还是出现了开裂，巷道内的顶板出现了淋滴水现象，给泵房的管理造成困难。他们参加用水泥和水玻璃进行锚杆注浆加固，时间长了又出现淋水。后来改用新型的BR增强防水剂对淋滴水区进行注浆和喷浆联合治理，终于取得了理想的效果。

    此次注浆施工是利用水泥浆液和BR-CA防水剂混合液把围岩和各种裂隙充实，并把裂隙和四周岩体重新胶结起来，达到封堵的目的。使用BR增强防水剂配置的浆液，凝胶时间可调范围大，水化物质呈胶状，注入含水层稀释率极低；在输浆管内承压后不脱水，悬浮可灌性好；在裂隙开度0.5mm以上能够填充密实，结石体与裂隙粘结牢固。注浆后对微细裂隙还渗水处采取喷浆治理。喷浆时不加普通速凝剂而添加BR-2型增强防水剂和专用粉，实现迎水喷混凝土，顶水固化，达到喷层抗渗、增强和致密的效果。实践表明，BR型增强防水剂与水泥级配的混凝土水化过程中，仅用1min即反应生成一种胶凝物质——无机硅胶，粘结力极强，把粒子原料粘结成链状，受压力喷出，粘着在受喷基岩表面，水化结晶呈密实型混凝土；其抗压强度提高20%以上，抗折强度达100%，抗渗标号达到S15，并且降低回弹率50%，减少粉尘浓度60%，喷层光洁致密，具有自防水功能。

    对泵房淋水区进行注浆以后，淋水基本消除，除5#泵上方因顶板与起吊梁的间距小没有进行喷浆封闭而出现滴水现象外，其它地点的滴水也基本杜绝。为了解决此处问题，又采用短段堵水注浆的另一种BR-CF增强型防水剂。此浆液凝结时间为30～50s，混合以后的凝胶时间为40s～10min。对滴水段重新注浆以后，效果比较明显，滴水现象消失。