黃河北煤田頂底板雙灰?guī)r水害分析及防治技術

王 威，鄭士田，李文江，杜博濤，羅安昆

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077）

因受煤層賦存條件、水文地質條件、地質構造及采掘方式的影響，我國煤礦水害呈現復雜性和多樣性的特點[1]。以華北地區(qū)黃河北煤田為例，主采石炭二疊系煤層，隨著上組7、10 煤層資源枯竭，部分礦井服務年限不足5 年，若不盡快接續(xù)開采下組11煤，礦井將面臨關停困境。伴隨采深加大，11 煤不僅受底板徐灰和奧灰的高水壓突水威脅，也受直接頂板四五灰涌水困擾，水害成為礦井需要解決的首要問題。地處黃河北煤田西南部的邱集煤礦，于2006年掘進11 煤軌道石門時，引發(fā)底板突水，穩(wěn)定水量1 000 m3/h，因及時施工防水閘墻，未造成淹井事故[2-3]。近年來隨著區(qū)域治理技術的發(fā)展及應用[4-5]，將定向鉆孔作為輸漿管路，通過地面注漿系統(tǒng)將各類注漿材料注入目標地層中，達到含水層改造、隔水層加固和封堵垂向裂隙和構造的目的，最終實現礦井安全回采[6-7]。如何將區(qū)域治理技術與煤田條件有機結合，實現區(qū)域治理效果最優(yōu)化、效益最大化，是目前華北型煤田各大水礦區(qū)研究的重點[8]。通過對黃河北煤田礦井水文地質的研究和探索，積累了本煤田的防治水工作經驗，逐步形成了適合本煤田的防治技術，力求為安全開采下組煤提供有力的技術保障。

1 煤田概況

黃河北煤田隸屬華北地臺魯西地層分區(qū)，被4條大斷層分割成獨立塊段，內部由較大斷層將煤田劃分成若干井田，黃河北煤田區(qū)域構造圖如圖1。區(qū)域內缺失中生界、下石炭統(tǒng)、泥盆系、志留系、上奧陶統(tǒng)，使得石炭、二疊系煤系地層假整合于中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r之上，含煤地層上覆巨厚第四系、新近系，成為隱蔽煤田[9]。石炭、二疊系含煤地層發(fā)育較好，根據目前勘探情況，可采煤層共4 層，分別為7、10、11、13 煤層，平均總厚度約8 m，煤炭資源較為豐富。區(qū)內邱集煤礦和趙官煤礦基本完成上組7、10煤層回采，逐步進入下組11 煤生產接續(xù)準備中，主要針對黃河北煤田11 煤水害進行分析。

圖1 黃河北煤田區(qū)域構造圖Fig.1 The regional structure map of northern Huanghe Coalfield

2 主要水害類型分析

2.1 大氣降水及地表水

本區(qū)為溫帶季風型半濕潤大陸性氣侯，年平均降雨量619.4 mm，且黃河自西南向東北方向流經本區(qū)南側，東側有引黃渠用于農耕，大氣降水及地表水量較為豐富。但黃河北煤田屬隱蔽式煤田，多個勘探鉆孔顯示煤系地層上覆新近系平均厚度191 m，巖性以黏土為主，分布普遍、厚度大、塑性強，遇水易膨脹，為強隔水層，有效阻隔大氣降水、地表水與煤系地層間的水力聯(lián)系。

2.2 老空水

區(qū)內無其他小窯，目前正在生產的礦井為趙官煤礦和邱集煤礦，兩礦均按規(guī)定各留設50 m 邊界隔離煤柱，無超層越界現象，邊界附近無老空積水。各礦井內部由于上組7、10 煤開采形成采空區(qū)，其中一些低洼、排水不暢的老空區(qū)存在積水。由于各采空區(qū)積水區(qū)位置清楚，積水量、積水線明確，11 煤采掘過程中可進行精確探放，對礦井安全威脅不大。

2.3 頂板灰?guī)r含水層

標志層柱狀圖如圖2。

圖2 標志層柱狀圖Fig.2 The comprehensive strata log diagram

由圖2 可以看出，11 煤與主要灰?guī)r含水層位置關系，上覆5 層灰?guī)r，一、二、三灰開采前原始水位均高出地表，富水性弱-中等，補給條件較差，在7、10 煤開采過程中超前預疏放，基本已疏干，對11 煤開采威脅較低。四五灰作為11 煤直接頂板，是11 煤開采的直接充水含水層，由于四五灰間泥巖厚度較小，水位相同，可視為1 個含水層，平均厚度5.5 m，富水性中等，水壓約為3.5 MPa。邱集煤礦、趙官煤礦均對四五灰實施抽水試驗[10]，結果顯示四五灰穩(wěn)定抽水量較大，部分超過500 m3/h，周邊同層觀測孔水位下降明顯，滯后時間較短，底板徐灰、奧灰孔與四五灰水位變化同步，說明頂部四五灰與底板徐灰、奧灰水力聯(lián)系密切，連通性較好，補給來源充沛。11 煤回采頂部四五灰垮落后，礦井涌水量將大幅上升，增加礦井排水費用，威脅礦井安全開采。

2.4 底板灰?guī)r含水層

11 煤底板賦存2 層承壓含水層，薄層徐灰平均厚度約為9.81 m，水壓約為4.5 MPa，巨厚奧灰厚度超過300 m，奧灰上部水壓約為5 MPa，兩含水層富水性弱到強，極不均一。11 煤回采后徐灰突水系數約為0.13 MPa/m，奧灰突水系數約為0.09 MPa/m，徐灰突水系數已超過《煤礦防治水細則》中隔水層完整無斷裂構造破壞地段0.1 MPa/m 的要求；同時區(qū)內局部奧灰?guī)r溶裂隙發(fā)育，具備形成巖溶陷落柱的地質條件，回采過程中存在底板突水威脅。

3 頂底板雙灰?guī)r水害防治方法

通過對黃河北煤田水害類型分析可以得出，影響該區(qū)11 煤安全回采的主要水害為直接頂板四五灰，及底板薄層徐灰和巨厚奧灰。常規(guī)物探、鉆探已無法有效解決頂底板雙灰?guī)r水害問題，因此結合黃河北煤田特殊的地層關系及水文地質條件，針對11煤提出采用“頂板灰?guī)r帷幕截流，底板灰?guī)r區(qū)域治理”的方法保障礦井安全回采。

3.1 頂部灰?guī)r帷幕截流

11 煤頂部四五灰帷幕截流以采區(qū)為單元進行治理，結合留設的采區(qū)防隔水煤柱，在頂板導水裂縫帶發(fā)育范圍外，通過地面定向鉆于四五灰中施工順層分支孔，通過高壓將水泥漿注入灰?guī)r巖溶裂隙中，在采區(qū)外圍形成帷幕，阻隔四五灰側向補給。當帷幕全部搭接成型后，通過井下鉆孔對采區(qū)內四五灰含水層進行疏干，達到區(qū)內11 煤各工作面安全回采的目的。

采區(qū)帷幕內四五灰疏放后，內外水壓差將超過3 MPa，為避免壓差過大造成部分薄弱區(qū)帷幕破壞，同時避免帷幕未能實現四五灰全斷面截流，需結合采區(qū)范圍、四五灰厚度及地表地形條件，調整鉆探及注漿工藝，在平面上順層分支孔間距不宜過大，保障分支孔間帷幕有效搭接；在垂向上順層分支孔應均勻分布于四五灰中，實現斷面全覆蓋；分支孔延伸方向也應考慮地下水流向；在注漿材料選擇上，因四五灰截流帷幕強度要求高，應采用PO42.5水泥單液漿進行注漿。

3.2 底板灰?guī)r區(qū)域治理

按照目前突水系數計算，若底板隔水層完整，奧灰突水可能性相對較低，底板灰?guī)r防治關鍵層位為徐灰。因徐灰作為底板奧灰與頂板四五灰水力聯(lián)系中間層，內部必然存在裂隙、巖溶陷落柱等垂向導水通道，若采用與四五灰防治同樣的帷幕截流方法，僅阻隔徐灰側向補給，仍無法保障礦井安全回采。因此結合近幾年發(fā)展較快的區(qū)域治理技術，不僅實現采區(qū)內底板徐灰全覆蓋，將含水層改造為相對隔水層，增加底板有效隔水層厚度及強度，消除底板突水威脅，同時具備探查、封堵垂向導水通道的作用，切斷11 煤底板灰?guī)r含水層與其頂板四五灰間的垂向水力聯(lián)系。在實際實施中，因區(qū)內徐灰較四五灰厚度大，巖溶裂隙相對發(fā)育，在保障治理效果的同時，順層分支孔平面間距可適當加大，垂向上保持在徐灰中部，同時漿液應兼顧加固及充填作用，可采用PO32.5 水泥-Ⅱ級粉煤灰雙液漿，以降低治理成本。

4 頂底板雙灰?guī)r水害防治應用及效果

4.1 工程應用

以邱集煤礦11 煤一采區(qū)頂底板雙灰?guī)r水害防治為例，采區(qū)長1.4 km，寬1 km，采區(qū)內四五灰平均厚度5.8 m，埋深約370 m，水壓3.8 MPa，徐灰平均厚度10.03 m，埋深約420 m，水壓4.3 MPa。頂底板雙灰?guī)r水害防治定向鉆孔平面布置如圖3。

圖3 頂底板雙灰?guī)r水害防治定向鉆孔平面布置圖Fig.3 The floor plan figture of directional drill in roof and floor limestone aquifer

頂部四五灰帷幕截流工程設計地面定向鉆孔8組（S1～S8），每組包含 3 個順層分支孔，空間上各分支孔平行展布，平面上分支孔間距10 m，垂向上間距2 m；考慮四五灰含水層地下水自西南向東北流動，順層分支孔為自西向東或自南向北延伸，預計總鉆探進尺約為15 000 m；注漿材料選擇強度較高的PO42.5 水泥，保障帷幕強度。底板徐灰區(qū)域治理工程設計地面定向鉆孔 4 組（D1～D4），每組包含 8～10個順層分支孔，平面上以發(fā)散狀完全覆蓋一采區(qū)底板徐灰，預計總鉆探進尺約為24 000 m；注漿材料選擇PO32.5 水泥及Ⅱ級粉煤灰，降低工程投入，頂底板雙灰?guī)r水害防治定向鉆孔剖面布置圖如圖4。

圖4 頂底板雙灰?guī)r水害防治定向鉆孔剖面布置圖Fig.4 The section layout figture of directional drill in roof and floor limestone aquifers

4.2 效果檢驗

目前邱集煤礦11 煤一采區(qū)部分工作面已經形成，均未回采。由于頂板四五灰帷幕范圍大、周期長，現階段帷幕未完全搭接，若實施井下疏放，形成地下水降落漏斗，四五灰地下水將由帷幕未搭接處匯流至井下疏放水鉆孔，暫時無法檢驗截流效果。底板徐灰區(qū)域治理與頂板帷幕不同，無需等到采區(qū)內全部治理，可通過井下巷道施工檢查孔驗證治理效果。目前實施的底板徐灰治理孔已基本將相鄰的1101、1103 工作面覆蓋，井下施工的徐灰探查孔絕大多數初始水量小于30 m3/h，且水量表現出逐漸減少的趨勢，表明大部分區(qū)域治理后，徐灰出水以含水層靜儲量為主，已基本封堵較大導水通道。

5 結 論

1）黃河北煤田部分礦井上組煤資源逐漸枯竭，下組11 煤特殊的水文地質條件使其受頂底板雙灰?guī)r水害威脅，頂板四五灰與底板徐灰及奧灰存在密切的垂向水力聯(lián)系，使得頂板灰?guī)r水難以疏干，且底板徐灰突水系數超臨界值，水害成為黃河北煤田下組煤安全開采的首要問題。

2）依據黃河北煤田地質及水文地質條件，提出“頂板灰?guī)r帷幕截流，底板灰?guī)r區(qū)域治理”方法治理11 煤頂底板雙灰?guī)r水害，并選取區(qū)內典型礦井實施該治理方法。通過井下鉆探驗證，底板徐灰治理達到預期效果。