趙莊煤礦煤層帶壓開采防治水技術(shù)研究

趙璐璐

（晉煤集團趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046605）

0 引 言

我國煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件總體來講十分復(fù)雜，受水害威脅的煤炭儲量約占探明儲量的27%，僅華北地區(qū)受底板承壓水威脅的煤炭儲量約為160億t。隨著開采深度、開采速度、開采規(guī)模的增加和不斷擴大，來自深部高承壓水的危害日趨嚴(yán)重。為加強煤礦的防治水工作，防止和減少水害事故，保障煤礦職工生命安全[1]，趙莊煤礦在3#煤層開采的過程當(dāng)中，總結(jié)了防治水措施，積累了豐富的經(jīng)驗。實踐證明,帶壓開采技術(shù)及其安全防范技術(shù)措施的綜合運用是安全生產(chǎn)的可行途徑。

1 趙莊井田及水文地質(zhì)條件

趙莊礦位于沁水煤田東南部，區(qū)域地層由老至新為上元古界震旦系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系，新生界古近系、新近系及第四系，主要含煤地層為二疊系和石炭系。二疊系山西組3#煤煤層松軟，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤體中小型斷層多、軟煤、夾矸非常發(fā)育，礦壓顯現(xiàn)明顯，且在部分區(qū)域存在復(fù)合性煤層。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造給抽采鉆孔布置增加了難度，礦井的抽掘采銜接因掘進進尺受到制約而受到影響。煤系基底為奧陶系灰?guī)r，富水性極不均一，單位涌水量為 0.0045～18.4 L/(s·m)，屬弱富水 ～ 極強富水性含水層，煤層底板帶壓1～4.8MPa，隔水層平均厚度約130m，構(gòu)造發(fā)育地段存在底板突水的可能。

主采3#煤層面臨兩個主要水文地質(zhì)問題：一是來自3#煤層頂板砂巖含水層的涌水，這一部分水將構(gòu)成礦井的正常涌水，在一般情況下，這些砂巖含水層裂隙不發(fā)育，連通性差，含水性弱，不會對3#煤層開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅，但當(dāng)回采后頂板冒落裂隙帶溝通上部強含水層和水體時則可能造成大量涌水，影響采掘工作，造成許多不安全因素。二是來自3#煤層底板奧灰?guī)r溶裂隙水的潛在威脅，由于整個井田內(nèi)奧灰?guī)r溶裂隙含水層的地下水位標(biāo)高高于3#煤層底板標(biāo)高，3#煤層開采處于帶水壓狀態(tài)，在整個井田范圍內(nèi)3#煤層突水系數(shù)介于0.0095～0.052MPa/m，小于“臨界值”0.06 MPa/m，一般情況下不會發(fā)生奧灰突水[2]，但由于井田內(nèi)斷層、陷落柱較發(fā)育，在斷層、陷落柱等地質(zhì)異常體發(fā)育地段，可能造成奧灰承壓水導(dǎo)入。趙莊礦水文地質(zhì)柱狀如圖1所示。

圖1 煤層底板含水層柱狀圖

2 前期物探及抽放水試驗

2.1 陷落柱（斷層）的探查

通過物探、化探和鉆探等方法查明這類地質(zhì)異常的位置，空間分布形態(tài)和賦水狀況。陷落柱分布往往與井田構(gòu)造有關(guān)聯(lián)，首先應(yīng)分析井田構(gòu)造特征，特別是褶皺特征，預(yù)測陷落柱重點分布塊段，指導(dǎo)物探探測工作。根據(jù)物探方法特點和各礦區(qū)探測效果分析，在地面首選三維地震方法探測，對于長軸大于20m的陷落柱，其探測效果可達50%左右[3]。在井下首選坑透方法探測，通過電磁波遇地質(zhì)構(gòu)造會形成透視陰影異常區(qū)[4]，其探測效果可達80%左右。陷落柱位置確定后對其富水性特征探測，在地面首選瞬變電磁法探測，在井下采用直流電法和音頻電穿透法探測[5-6]。當(dāng)物探方法探測結(jié)果說明陷落柱具有富水特征時，考慮到物探方法多解性特點以及富水性程度如何，需要鉆探探查驗證，若探查結(jié)果陷落柱富水，須進行注漿治理。若陷落柱不富水（或物探探測不富水），為了防治采動對陷落柱擾動而引起采后突水發(fā)生，須進行相關(guān)監(jiān)測，目前可采用目標(biāo)層高水位法和埋設(shè)傳感器方法監(jiān)測，預(yù)報突水，從而達到安全回采。

2.2 抽放水試驗

為探查峰峰組灰?guī)r含水層和太原組K2薄層灰?guī)r含水層的富水性，降落漏斗的形態(tài)及其擴展情況，對各盤區(qū)進行打鉆抽放水試驗。

抽水試驗在規(guī)劃施工的奧灰地下水動態(tài)觀測孔W1、W2、W3、W4、W5、W6 和 W7 形成過程中進行。W1～W7分別位于工業(yè)廣場、六盤區(qū)、八盤區(qū)、一盤區(qū)、二盤區(qū)、四盤區(qū)、五盤區(qū)。鉆孔鉆進采用變口徑鉆進的方法，對K8砂巖含水層、K2薄層灰?guī)r含水層和奧灰峰峰組灰?guī)r含水層三個層段自下而上逐層封堵并進行的抽水試驗。據(jù)現(xiàn)有資料分析，奧陶系峰峰組可分為上、下兩段，上段主要為石灰?guī)r，厚度37～80m，平均60m左右，是富水地段，下段主要由泥灰?guī)r，角礫狀灰?guī)r、白云巖等組成，厚度28～53m，平均42m左右。要求所有峰峰組中的抽、放水鉆孔都應(yīng)終孔于峰峰組上段底部。各鉆孔地點有條件時，可一個主孔抽水，數(shù)個觀測孔觀測水位。

井下放水孔及其布置，見表1。每個放水鉆孔完成后，要進行最大流量放水試驗。按表1所列鉆孔逐個進行單孔放水試驗時，應(yīng)將其它鉆孔作為觀測孔。例如在鉆孔W8放水時，應(yīng)觀測鉆孔N和W1等的水位變化等等，以研究中間層水位與峰峰組含水層的水力聯(lián)系，為3＃煤層底板突水預(yù)測預(yù)報提供依據(jù)。

表1 峰峰組灰?guī)r含水層和太原組K2灰?guī)r含水層井下放水試驗孔

3 3#煤層主要導(dǎo)水通道

3.1 頂板充水

3#煤層頂板充水主要來自頂板砂巖裂隙水，因受采煤時形成的導(dǎo)水裂隙帶的影響，會溝通砂巖裂隙含水層。3#煤層上覆巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖的中硬巖石，頂板巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示。計算垮落帶高度(Hm)和導(dǎo)水裂縫帶高度(Hli)，公式如下：

式中：Hm為預(yù)測冒落帶最大高度；M為煤層采厚；Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度；

3#煤層垮落帶高度為12.07～15.0m；用公式(2)計算導(dǎo)水裂縫帶高度為43.64m～51.26m，用公式(3)計算導(dǎo)水裂縫帶高度為47.42m～59.40m。開采后形成的導(dǎo)水裂縫帶可溝通山西組含水層。3#煤層上距K8砂巖24.08～48.53m，平均32.35m，可溝通下石盒子組部分含水層。因此對3#煤層構(gòu)成直接充水含水層的是二疊系下石盒子組和山西組砂巖含水層。煤層開采過程中，受導(dǎo)水裂縫帶影響，含水層天然流場發(fā)生變化，采空區(qū)上方的巖層產(chǎn)生塌陷，隔水層的完整性被破壞而失去隔水性，上覆碎屑巖含水層和地表水及采空區(qū)積水，也將成為3#煤層的充水因素。

表2 3#煤層頂板巖性力學(xué)參數(shù)

3.2 底板突水

3#煤層底板標(biāo)高在+30～+770m間，而奧灰水水位標(biāo)高在+590.31m～+702.43m間。據(jù)此可以看出，在3#煤層位于五龍溝西斷層以西，處于奧灰水水位之下，存在著帶壓開采問題。3#煤層帶壓開采面積133.29km2。依據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦防治水規(guī)定》中突水系數(shù)計算公式來計算3#煤層底板突水系數(shù)。

公式：T=P/M

式中：T為突水系數(shù) (MPa/m)；P為底板隔水層承受的水壓(MPa)；M為底板隔水層厚度(m)；

經(jīng)計算，3#煤層底板突水系數(shù)在0～0.037 MPa/m之間，正常塊段小于0.1 MPa/m，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)小于0.06MPa/m，屬煤層開采安全區(qū)。除東南部一小部分奧灰水水位低于3#煤層底板標(biāo)高不帶壓外，其余區(qū)域奧灰水水位標(biāo)高皆高于3#煤層底板標(biāo)高，處于帶壓狀態(tài)。底板突水系數(shù)值從東南部往西北部逐漸增大，也就是說3#煤層底板承受奧灰水的壓力由東南部向西北部逐漸變大。在沒有導(dǎo)水構(gòu)造的影響下，奧灰水突水的可能性較小。但通過首采區(qū)的三維地震勘探工作和巷道掘進過程得知：本區(qū)小型斷層和陷落柱比較發(fā)育。在帶壓開采區(qū)，開采3#煤層時，奧灰水可能會沿斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造涌入礦井。因此，在3#煤層帶壓開采區(qū)采掘時，謹(jǐn)防奧灰水通過導(dǎo)水構(gòu)造進入礦井。

通過定量與定性綜合分析研究，3#煤層在正常的地質(zhì)塊段可安全帶壓開采，主要防止部分?jǐn)鄬优c陷落柱存在導(dǎo)水的可能性。由于煤層與奧陶系灰?guī)r頂面隔水層厚度變化大，采動裂隙、構(gòu)造裂隙、隱伏小型斷層與陷落柱均可構(gòu)成底板突水。為確保安全帶壓開采，需要對導(dǎo)水通道采取防治技術(shù)措施。

3.3 其他導(dǎo)水途徑

采掘過程中由于礦山應(yīng)力作用，煤層底板將會遭受一定程度的破壞。受其影響，一是在煤層底板隔水層較薄時，可直接構(gòu)成同含水層水的聯(lián)系，造成底板承壓水涌入礦井；二是削弱與降低隔水層的隔水強度，使有效隔水層變薄，構(gòu)成導(dǎo)水通道；三是使原有小斷層或裂隙產(chǎn)生擴張效應(yīng)，相應(yīng)增加其破裂面寬度和延伸長度，構(gòu)成同底板承壓含水層水的聯(lián)系；四是在采動應(yīng)力與水壓共同作用下，若煤層與含水層間隔水層較簿，且以軟巖層為主時，其抗壓強度低，會使底板變形底鼓，所產(chǎn)生的引張裂隙構(gòu)成導(dǎo)水通道。

不良鉆孔容易溝通煤層上、下含水層和地表水，這類鉆孔是人為造成的充水途徑?；夭山衣稌r涌水量、水壓取決于是否貫通強含水層或地表水，以及鉆孔孔徑和水壓差。當(dāng)排水能力較小時，可能造成淹井事故。為預(yù)防此類導(dǎo)水鉆孔涌水，應(yīng)留設(shè)防水煤柱等方法加以防范。

4 防治水措施

現(xiàn)如今煤礦地下水防治方法由傳統(tǒng)的簡單排水發(fā)展到預(yù)先疏干；從原始的堵漏發(fā)展到幃幕注漿；從單純的治水，發(fā)展到積極地防治結(jié)合。從實踐中總結(jié)出的一套包括疏、堵、躲、防在內(nèi)的綜合防治水技術(shù)使傳統(tǒng)受水害威脅的的煤礦得以安全開采。

4.1 注漿加固

注漿加固是防止底板承壓水突水的主要方法之一[7]。注按注漿的不同目的，注漿法分為加固注漿和堵水注漿兩種，加固注漿更側(cè)重于漿液凝固體的強度和加固體的穩(wěn)定性，而堵水注漿則更側(cè)重于漿液固結(jié)體和注漿介質(zhì)的整體抗?jié)B透性能。針對井田水文地質(zhì)條件與充水因素，一是堵設(shè)斷層、裂隙、陷落柱等導(dǎo)水通道；二是增加煤層底板隔水層或弱含水層的抗壓能力。根據(jù)裂隙寬度或顆粒粒徑及滲透系數(shù)不同，表明地層滲透性不同，據(jù)此選擇不同注漿材料[8]。注漿層位為峰峰組灰?guī)r且注漿后完整隔水層厚度從峰峰組頂面算起。隔水層厚度計算根據(jù)此處完整地段臨近突水系數(shù)取0.1MPa/m，因此1MPa水壓需10m厚峰峰組注漿厚度。

4.1.1 巷道過斷層注漿方案

根據(jù)地質(zhì)綜合分析、物探及超前探水，當(dāng)掘進工作面前方存在富水區(qū)或突水危險區(qū)時，具有較大規(guī)模的涌水、突水危險；對巷道施工安全構(gòu)成威脅的地段；擬采用水泥—水玻璃雙液注漿方案，在斷層帶向后35m至斷層帶前方35m范圍內(nèi)為主要加固范圍。掘進面迎頭進行預(yù)注漿，布置8個鉆孔，鉆孔間夾角為45o，呈放射狀包圍巷道，注漿深度設(shè)計為8m。巷壁發(fā)生跑漿時，及時采用雙液漿進行加固封堵。首先在斷層帶向后25m至斷層帶前方25m范圍內(nèi)進行噴漿加固。起到堵漿作用。當(dāng)掘進頭后方巷道沒達到封堵效果仍有出水點的可采用滯后局部注漿巷道頂、幫、底板進行加固，達到堵水目的。

4.1.2 工作面過斷層注漿方案

對工作面回采安全構(gòu)成威脅的地段；擬采用如下注漿方案：在斷層帶附近設(shè)計鉆場，用水泥水玻璃進行加固封堵。巷壁發(fā)生跑漿時，及時采用雙液漿進行加固封堵。首先在斷層帶向后25米至斷層帶前方25m范圍內(nèi)進行噴漿加固，起到堵漿作用。在工作面和巷道中或者在地面向陷落柱打孔進行封堵時，至少應(yīng)在3＃煤層底板以下20m，以免受采動破壞的影響。封堵完畢后應(yīng)打檢查孔進行檢查，當(dāng)判定封堵成功無誤時，方可掘采。陷落柱注漿封堵所需設(shè)備、施工工藝、注漿技術(shù)參數(shù)等應(yīng)結(jié)合所封堵陷落柱條件和技術(shù)要求進行專門設(shè)計。

4.2 斷層防隔水煤柱留設(shè)

因斷層是導(dǎo)水的重要通道之一，通過超前探查技術(shù)，對導(dǎo)、含水性較好且通過注漿加固無法有效防止突水事故的較大斷層留設(shè)防水煤柱。斷層煤柱寬度越大,底板臨界水壓力越大,說明此時底板隔水層承壓能力越強,底板不容易發(fā)生突水[9]。依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三的公式計算防水煤柱的留設(shè)相關(guān)參數(shù)，留設(shè)方案如下：

1）當(dāng)斷層落差大于隔水層厚度時，含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲褐牧粼O(shè)參照以下經(jīng)驗公式[10]計算：

式中：L為防隔水煤柱寬度，m;K為安全系數(shù)，一般取2～5;M為煤層厚度或采高，m;P為水頭壓力，Mpa;KP為煤的抗拉強度，MPa；L1,L2,L3為防隔水煤（巖）柱各分段寬度，m；HL為最大導(dǎo)水裂隙帶高度，m；θ-為斷層傾角，（°）；δ為巖層塌陷角，（°）。

經(jīng)以上公式（4）、公式（5）計算，留設(shè)的防水煤柱寬度取各計算結(jié)果較大值。

2）當(dāng)斷層落差小于隔水層厚度時，含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲褐牧粼O(shè)參照經(jīng)驗公式（4）和公式（5）計算：

式中：p為防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力，MPa;TS為臨界突水系數(shù)，一般MPa/m;10為保護帶厚度，一般取10m;α為斷層傾角，（°）。

經(jīng)以上公式（4）、公式（6）計算，所得結(jié)果取較大值為留設(shè)的防水煤柱寬度，見表3。

表3 推斷含水?dāng)鄬臃浪褐粼O(shè)寬度

5 總結(jié)

防治水問題是煤礦帶壓開采的主要技術(shù)問題。由于煤層底板隔水層厚度小，變化大，采掘破壞、裂隙、小型斷層、陷落柱直接可溝通底板奧陶系灰?guī)r承壓水的聯(lián)系，同時由于水頭壓力大，采取留設(shè)防隔水煤柱，工作面底板局部或全部注漿加固、加大排水設(shè)施和能力及建立泄水巷等措施，可實現(xiàn)帶壓安全開采。除采取必要的防治技術(shù)措施外，防治水機構(gòu)與防治水隊伍、防治水制度的建設(shè)等保障措施是實現(xiàn)安全帶壓開采的關(guān)鍵。