薄層灰?guī)r帶壓開采防治水技術研究

周　楊

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司 水文地質研究所，陜西 西安 710054；3.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司 陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

0　引　言

隨著煤炭開采深度、強度和速度的不斷增大，我國煤炭資源開采受水害的影響程度也不斷增強[1-3]。特別是在華北石炭—二疊系煤田，煤層底板分布有石炭系薄層灰?guī)r、奧陶系巨厚層灰?guī)r等巖溶裂隙含水層，深部煤炭開采受到底板灰?guī)r承壓水的嚴重威脅[4-7]。針對底板承壓水開采問題前人做了很多工作。張建國等研究了平頂山礦區(qū)在地面實施帷幕注漿區(qū)域治理輔以疏水降壓，取得了較好的效果[8]；許延春等總結了回采工作面底板注漿加固技術對我國大水礦區(qū)防治底板承壓水突水事故的重要性，并介紹該技術在理論方法和工程實踐等方面的新進展[9]；高振宇等采用超前物探及疏水降壓等綜合手段對底板砂巖含水層進行預疏放，最終實現(xiàn)布爾臺礦42201工作面安全回采[10]；曹勝根針對底板高承壓水提采用直流電法探測結合灰?guī)r含水層注漿改造技術實現(xiàn)工作面安全回采[11]；王新軍等總結疏放水水位動態(tài)變化曲線，以降深和涌水量之比作為指標，研究礦井疏水降壓的適宜性[12]；靳德武等以分區(qū)疊加放水試驗數(shù)據(jù)為基礎，分析大青灰?guī)r水文地質條件及疏水降壓可行性，從而達到安全采煤的目的[13]。國外專家學者對礦井底板水防治也做了深入研究，J.Motyka與A.P.Bosch通過底板突水及巖溶發(fā)育情況研究，指出巖溶發(fā)育情況與底板突水的關系，采動裂隙是礦井突水發(fā)生的直接原因[14]；O.Sammarco則側重于突水預警和前兆信息的研究[15-16]；D.Kuscer對礦井突水過程進行研究，揭示了突水過程的水文地質動態(tài)變化過程[17]；V.Mironenko與F.Strelsky提出礦井突水是巖體和地下水受采動影響的復雜作用過程，同時提出防止巖體破壞和突水的方法[18]。前人工作主要是圍繞底板奧陶系灰?guī)r或砂巖含水層進行防治水工作，從防治方法上，多以底板注漿加固為主，疏水降壓為輔；從治理范圍上，以單工作面為主，區(qū)域治理為輔；從治理目標而言，多以奧灰巨厚灰?guī)r為主。因此，文中以薄層灰?guī)r為研究對象，采用突水系數(shù)安全評價、礦井直流電法探查、鉆探工程驗證、疏水降壓工程治理等綜合防治水技術，最終實現(xiàn)了礦井安全高效回采，研究成果對本礦井及類似條件下薄層灰?guī)r含水層帶壓開采礦井具有重要現(xiàn)實和指導意義。

1　礦井概況

西坡礦位于離柳礦區(qū)西北部，年生產能力210萬t/a.井田內地層層序自下而上為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)，峰峰組(O2f)；石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)，上統(tǒng)太原組(C3t)；二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)，上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、石千峰組(P2sh)；新生界上第三系、第四系不整合于各時代老地層之上。井田整體為一緩傾斜的單斜構造，地層走向從北至南，由NNE漸變?yōu)镾N向，傾向NW-W，傾角平緩，一般為5°～10°.可采煤有7層，目前礦井主采山西組下部的5#煤層。

1.1　開采技術條件

5111面位于井田南部，開采標高+414～+535 m，埋深約350 m.工作面走向長1 500 m，傾向長207 m.煤層傾角平均4°，厚度平均3.86 m，屬于穩(wěn)定可采煤層。采用綜合機械化一次采全高采煤工藝，自然垮落法管理頂板。

1.2　頂?shù)装逄卣?/h3>

5111面開采山西組下部的5#煤層，煤層頂板分為偽頂、直接頂、老頂3層，底板分為直接底和基本底2層。具體情況見表1.

表1　煤層頂?shù)装迩闆r

1.3　水文地質條件

工作面主要充水水源有頂板砂巖裂隙含水層水、底板下太原組灰?guī)r含水層水及奧陶系灰?guī)r含水層水。

1.3.1砂巖裂隙含水層

含水層組單位涌水量0.000 01～0.035 L/s·m，滲透系數(shù)0.002 6～0.29 m/d，富水性弱。根據(jù)相鄰及周邊工作面回采經(jīng)驗，該組含水層對礦井充水程度影響很小。

1.3.2太原組灰?guī)r含水層

含水層由5層薄層灰?guī)r組成，由上至下依次是L5～L1灰?guī)r。單位涌水量0.18～0.90 L/s·m，為中等富水性且富水性不均一含水層。水位標高+589 m.最上部的L5灰?guī)r距離5#煤層底板平均間距23.8 m，其間隔水層厚度較薄，是5#煤層開采的主要充水水源。L1灰?guī)r為下組煤8#煤的直接頂板，距離5#煤層底板平均間距約60 m.

1.3.3奧陶系灰?guī)r含水層

含水層組單位涌水量0.082 L/s·m，富水性弱。距離5#煤層底板平均間距119.54 m，其間存在穩(wěn)定且厚度較厚的隔水層，屬于突水威脅的間接充水含水層。在無直接導水通道的情況下，對礦井影響程度很小。

綜上所述，影響該面安全回采的主要底板突水水源為太灰水，突水通道則為采動后形成的底板破壞帶和地質異常體，底板下有效隔水層厚度和是否發(fā)育有斷層、陷落柱是影響突水的關鍵因素。

2　突水危險性評價

2.1　底板破壞深度預計

煤層開采后，采空區(qū)底板巖層受采動擾動影響，發(fā)生變形、破壞。原巖裂隙得到擴張、延展，同時產生新的裂隙。此時，如果裂隙與承壓含水層水導通，形成導水通道，就會發(fā)生底板突水事故。因此，底板破壞深度是預防底板灰?guī)r突水的重要參數(shù)之一。

根據(jù)文獻[19-20]，離柳礦區(qū)相鄰及周邊鄧家莊礦、金家莊礦、柳林礦和柳家莊礦，均進行過現(xiàn)場底板破壞深度實測，測試結果見表2.

表2　離柳礦區(qū)底板破壞深度實測結果統(tǒng)計

結合文獻[21]中經(jīng)驗公式，考慮工作面采深、傾角和斜長等影響因素，則可用統(tǒng)計公式計算底板破壞深度

h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中H為開采深度，m；α為煤層傾角，(°)；L為工作面斜長，m.

5111面經(jīng)驗公式計算底板破壞深度h1=21.62 m.

綜合考慮，筆者認為5111面采后底板破壞深度取16.92～21.62 m為宜。而工作面底板與太灰頂面平均間距為23.8 m.也就是說，當5111工作面回采后，底板下有效隔水層厚度僅為2.18～6.88 m.底板破壞帶完全可能與太灰含水層直接導通，形成導水通道，發(fā)生太灰突水事故。

2.2　突水危險性評價

突水系數(shù)是指煤層底板單位隔水層厚度所承受的水壓力，是帶壓開采條件下衡量煤層底板突水危險程度的定量指標[22-23]，突水系數(shù)T計算式為

(2)

式中P為煤層底板隔水層承受的水壓，MPa；M為煤層底板隔水層厚度，m.

利用突水系數(shù)法進行5111面底板突水危險性評價，若T<0.06 MPa/m，說明底板安全，一般不會發(fā)生底板突水；若T>0.06 MPa/m，則說明底板不安全，發(fā)生底板突水的可能性大。5111面最大突水系數(shù)為0.084 MPa/m，大于0.06 MPa/m，故5111面回采時底板發(fā)生太灰突水的可能較大。

此外，相鄰工作面5101面回采時，曾發(fā)生過底板太灰突水，最大突水水量為160 m3/h.

綜上所述，無論從底板有效隔水層厚度角度考慮，還是通過突水系數(shù)法評價，以及相鄰工作面回采經(jīng)驗教訓考慮，5111面均有發(fā)生底板太灰突水的可能性。因此，需要制定行之有效的防治水技術方案，以實現(xiàn)工作面安全高效回采。

3　綜合防治水技術

針對5111工作面底板太灰?guī)洪_采問題，積極落實“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”十六字方針[24]。進行太原組薄層灰?guī)r含水層防治水技術研究，通過物探先行，鉆探驗證，疏水降壓等多種手段相結合，最終實現(xiàn)工作面安全回采。

3.1　直流電法探測

在工作面回采前，采用直流電法探測技術，對工作面內底板灰?guī)r富水異常區(qū)進行推斷、預測，對太灰含水層的差異性進行評價。直流電法測深設計點距為20 m，皮帶巷布置74個物理點，軌道巷布置74個物理點，選取最小極距20 m，最大極距110 m的三極裝置進行探測，探測深度可達70 m.探測結果如圖1～3所示。

圖1　工作面底板下15 m附近直流電法測深平面異常圖Fig.1　Plane anomaly of DC resistivity sounding near the bottom of 15 m

圖2　工作面底板下28 m附近直流電法測深平面異常圖Fig.2　Plane anomaly of DC resistivity sounding near the bottom of 28 m

圖3　工作面底板下56 m附近直流電法測深平面異常圖Fig.3　Plane anomaly of DC resistivity sounding near the bottom of 56 m

5111面底板下28 m至56 m為太原組L5～L1灰?guī)r含水層。水平切片異常圖顯示工作面底板下主要存在3處異常區(qū)，異常區(qū)分別位于距離工作面切眼130～450 m(1#異常區(qū))、690～960 m(2#異常區(qū))和1 250～1 370 m(3#異常區(qū))；1#異常區(qū)在縱向上隨深度增加向深部發(fā)育范圍變小，富水層位主要是L5灰?guī)r層段；2#異常區(qū)在縱向上隨深度增加發(fā)育范圍變大，富水層在太原組灰?guī)r層都有發(fā)育；3#異常區(qū)主要在底板下較淺層段強，推測太灰的L3，L2含水層相對賦水所致。鑒于灰?guī)r含水層富水不均一性和直流電法探測結果的多解性，針對異常區(qū)實施鉆探工程驗證。

3.2　鉆探驗證結果分析

針對直流電法探測的異常區(qū)域，以及巷道掘進階段揭露的斷層構造情況，向工作面內部發(fā)散狀布置驗證鉆孔，如圖4所示，共計施工驗證鉆孔19個，鉆探累計進尺1 895.5 m，驗證鉆孔具體情況見表3.同時，把5111面附近已有的TC1，TC2和S2孔作為疏水降壓工程的水文觀測孔。

圖4　鉆探驗證工程布置Fig.4　Drilling verification engineering layout

表3　鉆探驗證成果統(tǒng)計

根據(jù)富水異常區(qū)鉆探驗證孔實際揭露地層情況表明

1)L5灰?guī)r厚度較薄，一般2～3 m，有16個鉆孔揭露后沒有涌水，只有3個鉆孔發(fā)生涌水，涌水量1～6 m3/h，富水性差；

2)L2，L3灰?guī)r富水性較好，最大單孔涌水量達80 m3/h；

3)太灰含水層在平面上水力聯(lián)系弱，徑流不太通暢，以靜儲量為主，富水性不均一，局部存在較強富水區(qū)；

4)鉆探過程中取芯率較低，巖塊破碎，泥巖含量較高，說明煤底板隔水層阻水能力較差，巖層裂隙發(fā)育；

5)1#，5#，7#鉆場鉆孔在未揭露太灰含水層前發(fā)生鉆孔涌水，說明太灰頂面局部存在構造裂隙和原始導升帶。

3.3　疏水降壓

針對太灰含水層的水文地質特征，進行疏水降壓，目的在于降低太灰含水層水頭，減小底板隔水層帶壓程度，實現(xiàn)安全帶壓開采。

疏降水量最大為160 m3/h，平均疏降水量為60 m3/h，累計疏降水量6萬m3。其中，工作面最低點觀測鉆孔TC2太灰水位下降36 m，如圖5所示。在工作面最低點的突水系數(shù)減小至0.048 MPa/m，小于臨界值0.06 MPa/m，達到疏水降壓目的。

圖5　各觀測孔水壓變化情況Fig.5　Variation of water pressure in each observation hole

值得注意的是，本次疏水降壓過程未完全打開所有鉆孔，隨著疏降時間和疏降水量的增加，太灰水位仍將有下降趨勢。

在正常疏水降壓工程的基礎上，針對底板破碎段、斷層和構造帶需采用局部注漿加固技術，封堵導水通道，提到高底板巖層的阻抗水能力。同時，加強對工作面、采區(qū)、礦井排水系統(tǒng)設施的維修保養(yǎng)，使排水設備保持良好的運行狀態(tài)，提高礦井的應急處理能力。

4　結　論

1)通過對5111面采礦、水文地質條件分析，工作面采后底板破壞深度為16.92～21.62 m，有效隔水層厚度為2.18～6.88 m，最大突水系數(shù)為0.084 MPa/m，發(fā)生底板薄層灰?guī)r含水層突水的可能性較大；

2)采用直流電法探測技術，探查工作面底板下薄層灰?guī)r富水異常區(qū)范圍，并通過鉆探工程驗證，結果表明，利用礦井直流電法探查煤層底板薄層灰?guī)r含水層富水性可行、有效，并且效果較為準確；

3)利用鉆探驗證鉆孔對5111面底板薄層灰?guī)r含水層進行疏水降壓工程，水位、水壓得到有效疏降，突水系數(shù)降至0.048 MPa/m，低于安全帶壓開采臨界值，工作面可以實現(xiàn)安全帶壓開采；

4)帶壓開采工作面回采前采用突水系數(shù)安全評價、礦井直流電法探查、鉆探工程驗證、疏水降壓工程治理等綜合防治水技術，可有效降低工作面帶壓程度，減小底板突水威脅風險，為礦井取得良好的經(jīng)濟效益。

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