水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域回采工作面綜合防治水技術(shù)應(yīng)用

毛維林

（鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限公司超化煤礦，河南 新密 452385）

鄭煤集團(tuán)超化煤礦為水文地質(zhì)類型復(fù)雜礦井，自1983年投產(chǎn)以來，發(fā)生過多起水害事故，且水害類型復(fù)雜多樣，如老空水、鉆孔水、底板奧灰水以及頂板大占砂巖水等，對礦井生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。

本文以鄭煤集團(tuán)超化煤礦21001機(jī)采工作面為例，該工作面回采前首先分析頂板水、底板水、老空水及鉆孔水威脅程度，然后采用多種物探、鉆探相結(jié)合手段進(jìn)行綜合探測。該工作面揭露斷層較多，且部分?jǐn)鄬勇洳钶^大，通過采用底板注漿加固改造含水層等技術(shù)手段，重點(diǎn)對底板水進(jìn)行治理，同時通過采用物探、超前探放水等手段對老空水進(jìn)行探放，消除水害威脅，確保工作面回采安全。

1 工作面概況

鄭煤集團(tuán)超化煤礦21001工作面位于該礦21采區(qū)，工作面走向長180m，切巷斜長160m，工作面標(biāo)高為-190～ -100m?；夭擅簩訛槎?煤層，工作面東部為21072（西）炮采面采空區(qū)、21091（西）炮采面采空區(qū)、21052（西）綜采工作面采空區(qū)；西部為工業(yè)廣場保護(hù)煤柱、21121A工作面采空區(qū)；21采區(qū)三條下山從工作面中部穿過。

回采工作面范圍內(nèi)二1煤層整體處在一單斜構(gòu)造上，北厚南薄，厚度0.3～15.0m之間，平均煤厚5.5m，煤層走向118～135°，傾向208～225°，傾角9～33°，平均傾角23°。工作面西南角為21121A采空區(qū)復(fù)采煤。

2 工作面水文地質(zhì)情況分析

該工作面煤層直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，老頂為大占砂巖弱含水層，該含水層富水性差，易疏放；煤層直接底板為砂質(zhì)泥巖隔水層，平均厚度3.56m，直接充水含水層為L7-8灰?guī)r，平均厚度10.05m，該含水層富水性不均一，局部裂隙較發(fā)育。下部L1-4灰?guī)r含水層厚度18.72m，距二1煤底55.6m，富水性較強(qiáng)，受裂隙及斷裂構(gòu)造影響，局部水力聯(lián)系較好。

（1）工作面南部的21121綜采工作面、東部的21091西綜采工作面回采期間均有不同程度的頂、底板涌水，工作面最大涌水量200m3/h。采用類比法分析得出結(jié)論：該工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

（2）底板水。該面煤層底板至L1-4灰頂隔水層厚度55.6m，O2水位+65.5m。工作面底板標(biāo)高-191.0m～ -100.5m，實(shí)際水壓值3.12MPa大于臨界水壓值2.22MPa，隔水層厚度55.6m小于臨界隔水層厚度77.25m；L1-4灰突水系數(shù)0.056MPa/m＞0.04MPa/m，根據(jù)計(jì)算該工作面存在底板L1-4灰突水威脅。

（3）頂板水。根據(jù)附近的21121、21091（西）、21072（炮）工作面回采情況分析，二1煤層頂板砂巖含水層富水性較弱，補(bǔ)給條件較差，易于疏降，在原21072炮采工作面、21121綜采工作面回采時已疏放，同時該礦在該工作面底板注漿加固期間，已在上1#、下3#、下4#鉆場對該工作面頂板砂巖水進(jìn)行了探查，共施工4個孔，均無水，因此該工作面頂板突水威脅較小。

（4）老空、老巷水。工作面掘進(jìn)期間在21001上付巷、下付巷、21001流水巷對21072炮采工作面、21091（西）綜采工作面、21121綜采工作面采空區(qū)共進(jìn)行了7次超前探放水，累計(jì)放出老空水1500m3，老空透水威脅已解除。

（5）封孔不良鉆孔、深水井。經(jīng)排查工作面回采范圍內(nèi)平地?zé)o深水井；18-7勘探鉆孔，封孔資料顯示：該孔封孔質(zhì)量良好，對回采無影響。

（6）構(gòu)造水。該工作面內(nèi)揭露有8條斷裂構(gòu)造，均為正斷層，分別為：F21-1正斷層: 350°∠32°，H=1.5m；F21-2正斷層 : 195°∠ 56～76°，H=6.0m；F21-3正斷層: 193°∠78°，H=1.0m；F21-4正斷層:188°∠ 45°，H=1.5m；F21-6 正斷層：200°∠ 86°，H=5.0m；F21-10正 斷 層：170°∠ 80°，H=3.0m；F2正斷層: 348°∠26°，H =3.0m。受斷裂構(gòu)造的影響，底板灰?guī)r含水層水會沿?cái)嗔褬?gòu)造向工作面涌水，在該工作面底板加固期間需對該工作面斷層進(jìn)行重點(diǎn)加固。

3 物探資料

底板注漿加固前物探情況：根據(jù)工作面直流電法物探資料顯示，工作面煤層底板21m以深（L7-8）顯示小范圍存在小于60Ω· m的相對低阻區(qū)，因此分析（L7-8）灰富水性不強(qiáng)。工作面煤層底板51m以深（L5-6）上付巷距聯(lián)巷口60～120m、下付巷距運(yùn)煤連巷口90～220m段均為阻值小于60Ω·m的相對低阻區(qū)，說明該區(qū)域L5灰?guī)r富水性較強(qiáng)。工作面煤層底板57m以深（L1-4上段）探測資料可知：工作面東北部、南部中段均處于低阻異常區(qū)內(nèi)，由此分析L1-4灰上段富水性較強(qiáng)。從75m（L1-4下段）以深探測探測資料中可知：工作面西部小范圍存在小于60Ω·m的相對低阻區(qū)，說明該工作面L1～4灰?guī)r下段富水性不強(qiáng)。

4 注漿層位的確定

由于該工作面斷層較為發(fā)育，突水系數(shù)按構(gòu)造破壞地段取0.04，煤底最低標(biāo)高取-191m，根據(jù)觀6孔實(shí)測水位資料O2水位為+65.5m。

安全隔水層厚度計(jì)算：假設(shè)安全隔水層厚度為Xm，煤層底板承受的水壓值為（191+65.5+X）/（100×X）兆帕，根據(jù)突水系數(shù)計(jì)算公式T=P/M得：

根據(jù)工作面綜合柱狀該層位處于L1-3灰?guī)r下部，鋁土層上部。

底板加固深度計(jì)算為：按突水系數(shù)公式M=P/T，T取臨界值0.04。由此可知：在水壓為2.57MPa的狀態(tài)下，要想保證工作面不發(fā)生突水，其隔水層厚度必須在86m以上，所以該工作面正常的底板注漿加固深度應(yīng)在L1-3灰?guī)r下部，鋁土層上部。

5 工作面注漿鉆場布設(shè)

根據(jù)工作面低阻異常區(qū)分布及斷層發(fā)育情況，注漿加固設(shè)計(jì)在21軌道下山、21001上付巷、21001下付巷進(jìn)行，其中21軌道下山布置兩個鉆場，21001上付巷布置兩個鉆場， 21001下付巷布置七個鉆場。單孔涌水量估算：按孔徑Φ75mm，出水水源為L4、L1-3灰?guī)r水，根據(jù)單孔涌水量計(jì)算公式，預(yù)計(jì)單孔最大涌水量96m3/h。

該工作面底板注漿加固工程共施工鉆孔124個（其中檢驗(yàn)孔34個），鉆探總進(jìn)尺14029.25m，注水泥漿10292.57t。水量大于60m3/h的鉆孔17個，水量大于60m3/h的出水點(diǎn)20個，其中有2個出水點(diǎn)在L5-6灰層位，有18個出水點(diǎn)在L1-4灰層位；水量在20～60m3/h之間的鉆孔25個，水量在20～60m3/h之間的出水點(diǎn)30個，其中有9個出水點(diǎn)在L5-6灰層位，有21個出水點(diǎn)在L1-4灰層位；水量在10～20m3/h的鉆孔33個，水量在10～20m3/h的出水點(diǎn)44個，其中有4個出水點(diǎn)在L5-6灰層位，有36個出水點(diǎn)在L1-4灰層位。該工作面實(shí)際施工最大單孔涌水量為108m3/h，最大單孔注漿為989.01t。

6 注漿加固效果評價

高分辨電法物探結(jié)果：

（1）從21001工作面上付巷高分辨電法復(fù)測資料可知：本巷西部區(qū)阻值較高，中段阻值相對低一些，但絕對阻值并不低。

（2）從21001工作面下付巷高分辨電法復(fù)測資料可知：本巷整體上為高阻區(qū)，不存在小于60Ω·m的低阻異常區(qū)。

（3）從21001工作面切巷高分辨電法復(fù)測剖面圖1中可以看出：本巷淺部為低阻區(qū)，深部阻值相對高一點(diǎn)，分析為施工中受到采煤支架的影響較大所致。與該巷的直流電法探測大致相當(dāng)。

圖1 21001工作面切巷高分辨電法復(fù)測剖面

（4）從21001工作面運(yùn)煤聯(lián)巷高分辨電法復(fù)測資料可知：本巷距運(yùn)口100m以北淺部不及中部存在少量相對低阻異常區(qū)，結(jié)合直流電法探測結(jié)果，可能為本區(qū)略富水所致。

（5）以距巷底51m以深探測平面圖圖2分析L5灰含水層的富水性：從圖中可以看出，工作面已不存在阻值小于60Ω·m的低阻異常區(qū)。

（6）以距巷底75m以深探測資料分析L1-3灰含水層的富水性：從75m以深探測資料中可以看出，工作面已不存在阻值小于60Ω·m的低阻異常區(qū)。

通過注漿加固前后直流電法物探對比分析，加固前的物探低阻異常區(qū)基本轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦鑵^(qū)域，該工作面底板注漿加固效果良好；結(jié)合高分辨電法物探情況及檢驗(yàn)鉆孔的施工及注漿情況分析，該工作面底板注漿達(dá)到了預(yù)期效果，其底板灰?guī)r含水層已基本被改造為隔水層，加大了煤層底板的隔水層厚度，降低工作面底板灰?guī)r出水可能性，同時回采期間加強(qiáng)流水線路線路暢通及排水設(shè)備可靠，可以確保工作面安全回采。

圖2 51m以深（L）高分辨電法探測（復(fù)測）平面圖

7 結(jié) 語

該礦21001工作面在開采之前進(jìn)行了較為全面、準(zhǔn)確的勘測工作，獲得了區(qū)域內(nèi)水害隱患的具體狀況，然后采取了科學(xué)合理的應(yīng)對方法，取得非常不錯的效果。該工作面回采期間未出現(xiàn)頂板水、底板水、老空水及鉆孔水，保證了工作面的安全回采，確保了礦井的正常生產(chǎn)接替，可推廣應(yīng)用于其他類似回采工作面防治水工作。