邢臺礦區(qū)下組煤開采防治水技術(shù)研究

蘇維濤

（冀中能源股份有限公司地測部 河北 邢臺 054000）

1 礦井概況

葛泉礦是河冀中能源股份有限公司骨干礦井之一。于1989年建成投產(chǎn)，礦井設(shè)計年生產(chǎn)能力為60萬噸，可采煤層為 2#、2下、5#、7＃、8＃及 9＃煤層，葛泉礦東井處在葛泉井田南翼F13斷層?xùn)|北部分，相對井田構(gòu)成獨立塊段，下組煤賦存較淺，煤層厚度大 （平均厚度4.89m），9#煤層至奧灰頂面的隔水層厚達38～55m，一般在40m以上。目前，本區(qū)奧陶系灰?guī)r水水位標高在+40m左右，試采區(qū)-150水平突水系數(shù)在0.07 MPa/m左右。

葛泉井田地表全為新生界地層所覆蓋，根據(jù)鉆孔及井巷揭露，東井內(nèi)發(fā)育的地層自老至新依次為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組與峰峰組;石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組;二疊系下統(tǒng)山西組及第四系。

本區(qū)地處邢臺礦區(qū)，在區(qū)域構(gòu)造上位于太行山斷褶帶東部邊緣，斷層以高角度正斷層為主，以北東方向的斷層最為發(fā)育。

從區(qū)域水文地質(zhì)單元劃分，根據(jù)地形地貌特征、構(gòu)造控水規(guī)律及奧灰地下水流場情況，葛泉井田位于百泉水文地質(zhì)單元之中。

2 研究思路

2.1 客觀、全面評價本區(qū)9#煤帶壓開采可能的充水水源、充水通道。分析、評價與9#煤帶壓開采相關(guān)的含水層（組）的巖性結(jié)構(gòu)、空間分布規(guī)律、富水性特征及其關(guān)鍵控制因素；分析與評價9#煤頂、底板隔水層（組）的巖性組合、空間分布規(guī)律、含導(dǎo)水構(gòu)造裂隙發(fā)育的規(guī)律性特征、巖石力學(xué)特征及其巖（底板巖層）水（底板承壓水）應(yīng)力（采動應(yīng)力和原始地應(yīng)力）關(guān)系。從而對本區(qū)9#煤帶壓開采可行性進行分析與評價，制定科學(xué)合理、切實可行的帶壓開采防治水技術(shù)路線；

2.2 將井上下結(jié)合的鉆探技術(shù)、物探技術(shù)、化探技術(shù)，尤其是新的探查技術(shù)和手段付諸工程實踐，并對其適用條件、應(yīng)用效果、可靠性及其推廣價值作出分析與評價。從而形成與帶壓開采技術(shù)相適應(yīng)的井上下結(jié)合的綜合探查技術(shù)體系，更好的為礦井水害安全服務(wù)；

2.3 對煤層底板隔水層及本溪灰?guī)r含水層的可注性進行分析與評價；采用井上下結(jié)合的“互動式”注漿系統(tǒng)，研究煤層底板注漿改造的工藝流程。對注漿材料、注漿壓力、漿液配比、漿液擴散半徑、注漿結(jié)束標準、注漿效果檢驗方法、檢驗標準進行研究；在優(yōu)化注漿工藝及其配套措施的基礎(chǔ)上研究注漿孔布置原則和注漿次序；

2.4 采用先進的突水監(jiān)測系統(tǒng)和煤層底板采動破壞深度探測儀器及壓水試驗方法，對注漿改造后9#煤層底板采動破壞深度進行探測，對其破壞過程及突水征兆進行監(jiān)測。研究煤層底板采動破壞規(guī)律。

3 技術(shù)方案

3.1 針對葛泉礦下組煤試采區(qū)薄隔水層、大導(dǎo)高、本灰與奧灰雙層高承壓巖溶裂隙含水層復(fù)合為一個含水體的復(fù)雜水文地質(zhì)條件，制定了“精細探查，先探后掘；注漿改造，先治后采；全程監(jiān)控，全面設(shè)防”的防治水技術(shù)路線。其實施步驟如下:

3.1.1 在工作面巷道掘進前，分別采用地面三維地震勘探技術(shù)、地面瞬變電磁勘探技術(shù)和鉆探技術(shù)對下組煤開采的地質(zhì)、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件進行了綜合探查與防治水方案可行性論證，并建立了完善的礦井防排水系統(tǒng)和礦井水害應(yīng)急預(yù)案，對頂板大青灰?guī)r水進行了初步可控疏放。

3.1.2 在工作面巷道掘進過程中，采用長距離直流電法超前探測技術(shù)對掘進頭前方煤層及其頂、底板富水性特征進行精細探查，并對異常段進行了鉆探驗證。此后，對通過驗證的煤層底板富水區(qū)段進行了超前預(yù)注漿加固，從而保證了巷道掘進安全。

3.1.3 在工作面回采前，對煤層底板隔水層及本溪灰?guī)r含水層進行了全面注漿改造，并采用井下坑透、音頻電透視、瞬變電磁等物探技術(shù)對注漿改造效果進行了定性評價；采用水文地質(zhì)鉆探手段對注漿改造效果進行了定量評價，對注漿效果較差的區(qū)段進行了補充注漿，從而保證了注漿工程的可靠性。

3.1.4 在工作面回采過程中，實施了煤層底板突水監(jiān)測與圍巖應(yīng)力、應(yīng)變探測；在工作面回采至停采線附近時，組織實施了注水試驗觀測。在整個工作面回采過程中，還對工作面采后涌水量進行了觀測。

3.2 采用井上、下結(jié)合的全方位、多層次勘探手段，制定了“井下為主，地面為輔，物探為主，鉆探驗證”的勘探原則。尤其是采用直流電法長距離超前探測技術(shù)和三、四極結(jié)合的假異常排除技術(shù)，提高了探測精度，大量節(jié)省了鉆探工程量。

物探方法的選擇主要考慮對“探查體識別與定位”的“敏感性”:采用地面三維地震勘探手段，主要探查9#煤層及隔水層中斷層和異常體；地面瞬變電磁探查煤層底板富水性，從宏觀上把握試采區(qū)富水性特征；井下采用直流電法長距離超前探測技術(shù)和三、四極結(jié)合的假異常排除技術(shù)探測掘進頭前方富水構(gòu)造；坑透探查煤層構(gòu)造；直流電法和音頻電透視結(jié)合探查工作面底板隔水層富水區(qū)。經(jīng)開采實踐，其選擇方法合理，效果明顯，達到了預(yù)期目的。

勘探鉆孔盡量考慮“一孔多用”:探查孔、試驗孔兼做注漿孔；后期補充注漿孔兼做前期注漿效果驗證孔。

3.3 煤層底板全面注漿改造技術(shù)

針對本區(qū)本區(qū)9#煤帶壓開采“一薄、二強、三高”的水文地質(zhì)特點，本區(qū)底板水防治以“先治后采”為原則，采用先進的注漿工藝、優(yōu)化注漿孔布置方案，加固煤層底板隔水層，對垂向?qū)严逗蜆?gòu)造進行封堵，補強其阻水性能；全面改造本溪灰?guī)r含水層為相對隔水層，對導(dǎo)（富）水溶隙進行封堵，有效阻隔煤層底板下伏高壓奧灰水導(dǎo)升裂隙向上延伸。本項目主要在以下幾個方面進行了探索與實踐:

3.3.1 準確定位注漿目的層

考慮煤層底板采動破壞深度，注漿加固的目的層為煤層底板下10m至本溪灰?guī)r底板下2m的含導(dǎo)水構(gòu)造；

3.3.2 注漿孔布置原則的探索

（1）采用漿液擴散半徑為20m，注漿加固范圍內(nèi)鉆孔終孔間距在40m以下；

（2）鉆孔裸孔段應(yīng)盡可能多的穿過注漿加固的目的層段，鉆孔方向盡可能垂直于構(gòu)造裂隙發(fā)育方向，以利于漿液向垂直裂隙帶擴散，采用斜孔和近水平孔很好的解決了這一問題；

（3）對工作面切眼位置、初次來壓位置、周期來壓位置、巷道直接底板兩側(cè)10m范圍內(nèi)、停采線附近、物探異常區(qū)及構(gòu)造發(fā)育區(qū)段進行重點加固與改造；

3.3.3 采用先進的注漿系統(tǒng)

根據(jù)東井注漿量大、注漿范圍廣、注漿時間長等實際情況，選用了目前國內(nèi)先進的井上下聯(lián)合注漿系統(tǒng)，具有風(fēng)動下料、射流造漿、制漿過程自動跟蹤控制，粘土、水泥注漿量自動計量、注漿密度自動監(jiān)測等優(yōu)點。能夠根據(jù)注漿效果適時建議合適的注漿壓力和漿液密度。

3.3.4 優(yōu)化注漿工藝和流程

采用下行式分段注漿方式，注漿之前先進行壓水試驗，根據(jù)壓水試驗結(jié)果計算注漿段單位吸水量，然后確定漿液配比與濃度后進行注漿，簡述如下:

（1）三階段漸進式動態(tài)注漿工藝:工作面底板注漿改造工程分三個階段進行，第一階段注漿封堵與充填較大的含導(dǎo)水裂隙；第二階段為加密注漿階段，對第一階段尚未充填或封堵效果不理想的導(dǎo)水裂隙進行充填與封堵；第三階段為補充注漿階段，對前兩階段遺漏的含導(dǎo)水裂隙進行封堵；對1192工作面注漿改造的同時，兼顧相鄰工作面底板預(yù)注漿。

（2）動態(tài)分析、實時反饋、不斷優(yōu)化的注漿流程:不斷積累鉆孔涌水量、初見本灰深度、注漿量等數(shù)據(jù)，并對其進行動態(tài)分析；應(yīng)用注漿過程參數(shù)實時反饋機制，針對分析結(jié)果確定下一步重點注漿區(qū)段，不斷優(yōu)化鉆孔布置方式和注漿工藝，從而達到理想的注漿效果。

（3）引流注漿工藝:單個鉆孔注漿過程中，周邊其他鉆孔放水引流，從而擴大漿液擴散半徑，減少鉆探工程量。

（4）探索了適合本區(qū)的注漿結(jié)束標準:結(jié)束壓力:6～8MPa；結(jié)束吸漿量，一般35L/min以下。

3.3.5 采用綜合檢測手段驗證注漿效果

對工作面底板進行全面注漿加固與改造之后，采用電測深和音頻電透視技術(shù)對注漿加固效果進行了檢驗，并對仍然存在的物探異常區(qū)進行了鉆探驗證，對驗證存在的注漿薄弱區(qū)段補充注漿。

3.3.6 制定了注漿改造效果量化評價指標

以鉆孔密度、檢查孔個數(shù)、單孔涌水量和見本灰水深度作為注漿效果評價的量化指標:

（1）注漿孔密度達到450 m2/孔，鉆孔平均間距小于20m；

（2）檢查孔個數(shù)占注漿孔個數(shù)的30%以上；

（3）檢查孔單孔涌水量小于20m3/h；

（4）80%的區(qū)段初見本灰水深度大于15m，初見本灰水量小于3m3/h。

3.4 煤層底板破壞深度探測與突水監(jiān)測

3.4.1 根據(jù)工作面回采過程中水壓、應(yīng)力、應(yīng)變傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析，在確認無突水征兆的情況下，沒有發(fā)出突水預(yù)報，實現(xiàn)了該工作面的安全開采；

3.4.2 通過注水試驗和突水監(jiān)測結(jié)果，確定了工作面底板最大破壞深度為12.5m，主要位于煤層底板本溪灰?guī)r上部的粉砂巖中。

3.5 在采用全面注漿改造技術(shù)控制工作面底板采后涌水量的同時，對煤層底板全面注漿改造后工作面采后涌水量預(yù)測計算方法開展了研究。

4 實施效果

采用上述防治水技術(shù)方法，實現(xiàn)了1192、1190、1197等7個工作面的安全回采，采出原煤153萬噸，目前工作面采后涌水量最大在30m3/h左右最小的僅為1.5m3/h。

5 問題及建議

5.1 如何提高單一物探方法探測資料解譯的可靠性，除儀器本身和探測方法上需不斷改進外，更應(yīng)重視解譯人員實踐經(jīng)驗的積累和提高對探測區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)認識；

5.2 以工作面水害形成條件為勘探目標，在工作面煤層底板及承壓含水層數(shù)字化診斷的基礎(chǔ)上，建立數(shù)字化采面（采區(qū)）和地質(zhì)保障系統(tǒng)是帶壓安全開采的必然要求和今后防治水工作的努力方向。

5.3 本套防治水技術(shù)適應(yīng)于埋藏淺，突水系數(shù)小于0.1的地區(qū)，對于埋藏深，突水系數(shù)大于0.1的地區(qū)，可進一步進行奧灰頂部可控注漿改造，將強含水層改造成隔水層，以降低突水系數(shù)，保證安全開采。