辛置煤礦2-216工作面底板局部注漿改造技術(shù)應(yīng)用研究

鄭宏旭

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦 ，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)公司辛置煤礦的2-216綜采工作面位于310水平二采區(qū)正前軌道巷左側(cè)，東北面緊鄰二采區(qū)正前軌道巷，東面距離2-206工作面約310m，其余方向無任何工作面。工作面地表位于洪洞縣境內(nèi)，南溝村東北方向；背面距鑫磊煤業(yè)工業(yè)廣場(chǎng)約1000m，東北面距上跑蹄村約800m，東面距上跑蹄工業(yè)廣場(chǎng)約1600m，西南面距南溝村約300m。2-216工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+628～+716m，工作面標(biāo)高為+208～+288m。2-216工作面所采2#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組，煤層穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩(wěn)定，厚度稍大，為低硫肥煤。2#煤層厚度為3.8m～4.3m，平均4.1m，屬于中厚煤層。2-216工作面內(nèi)煤層整體為單斜構(gòu)造，東北高西南低，工作面煤層傾角平均9°，工作面掘進(jìn)期間共揭露9條斷層，斷層的詳細(xì)情況如表1所示。工作面正巷東側(cè)為X-46陷落柱，該陷落柱已在二采區(qū)軌道巷揭露，對(duì)工作面回采存在一定影響。辛置煤礦2-216工作面斷層及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，工作面采動(dòng)影響下，存在導(dǎo)通底板承壓含水層而發(fā)生突水的危險(xiǎn)，現(xiàn)對(duì)其治理措施展開研究。

表1 斷層一覽表

2 2-216工作面回采水源分析

2-216工作面位于310水平二采區(qū)正前軌道巷左側(cè)，所在煤層為2#煤層，水文地質(zhì)類型劃分為中等。工作面底板標(biāo)高+208-+288m，低于奧灰、太灰靜水位標(biāo)高（奧灰O2水的水位平均標(biāo)高為+505m，太灰水的水位平均標(biāo)高為+497m），為帶壓工作面[1]；工作面頂板的主要充水水源為2#煤層上覆的各砂巖裂隙水；工作面東側(cè)的X-46陷落柱不導(dǎo)水，且距離回采范圍最小間距為26m，對(duì)回采影響較小；工作面回采范圍內(nèi)及周邊無地質(zhì)鉆孔，對(duì)工作面回采無影響。綜上所述影響2-216工作面的主要水源為：

1）2#煤層上覆的各砂巖裂隙水。根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告資料顯示，影響2-216工作面的主要充水水源為2#煤層上覆的二疊系各砂巖裂隙水，在2#煤層以上依次有K8、K9、K10砂巖含水層，K8為灰白色中細(xì)粒砂巖，平均厚度7.20m；K9為灰白色中粗粒砂巖，平均厚度8.45m；K10為灰綠色粗砂巖平均為7.00m。這些含水層絕大部分被覆蓋，只在西部溝谷中有出露，因受補(bǔ)給條件及含水層裂隙發(fā)育程度的限制，富水性較弱，當(dāng)有斷層及陷落柱溝通時(shí)，才能對(duì)礦井充水有影響。實(shí)際掘進(jìn)過程中工作面直接頂板為泥巖，老頂為K8砂巖，掘進(jìn)期間頂部僅有少量淋頭水，在工作面掘進(jìn)過程中已有過疏放，且工作面回采范圍內(nèi)無地質(zhì)鉆孔，回采范圍內(nèi)斷層均不導(dǎo)水，預(yù)計(jì)砂巖裂隙水對(duì)回采影響較小。

2）底板太灰和奧灰含水層。2-216工作面底板標(biāo)高+208～+288m，根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告資料顯示井田范圍內(nèi)太灰水的水位平均標(biāo)高為+497m，工作面為帶壓開采，帶壓2.09～2.89MPa，2#煤層底板距下覆太灰頂面平均間距為80m，突水系數(shù)為0.046～0.056MPa/m，小于0.06 MPa/m，在無褶曲、斷層等構(gòu)造破壞的正常底板條件下，2-216工作面開采不受底板太灰含水層的威脅，屬帶壓開采工作面；根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告資料顯示井田范圍內(nèi)奧灰O2水的水位平均標(biāo)高為+505m，工作面為帶壓開采，帶壓2.17～2.97MPa，2#煤層底板距下覆奧灰頂面平均間距為110m，突水系數(shù)為0.030～0.047MPa/m，小于0.06 MPa/m，位于帶壓開采安全區(qū)域。

綜上可知，在無褶曲、斷層等構(gòu)造破壞的正常底板條件下，2-216工作面回采不受底板含水層的威脅，但是根據(jù)2-216工作面掘進(jìn)期間斷層的揭露情況，該工作面斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，且現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明F18和F1388斷層導(dǎo)水性較強(qiáng)。正常地質(zhì)條件下，工作面開采會(huì)引起底板一定深度的塑性破壞和裂隙發(fā)育，底板含水層在承壓水的作用下會(huì)產(chǎn)生一定高度的自然導(dǎo)升帶[2～3]，當(dāng)工作面底板裂隙帶和導(dǎo)升帶聯(lián)通時(shí)，灰?guī)r含水層內(nèi)的水涌入工作面發(fā)生突水事故，由于2-216工作面底板隔水層厚度為80m，正常情況下能夠有效的阻止太灰水涌入工作面；但是，2-216工作面斷層較為發(fā)育，并且個(gè)別斷層導(dǎo)水性導(dǎo)水性良好，斷層的影響下會(huì)引起隔水層內(nèi)的導(dǎo)升帶進(jìn)一步擴(kuò)展，此時(shí)工作面將存在更大的突水危險(xiǎn)性，工作面突水原理如圖1所示。綜上可知，2-216工作面回采產(chǎn)生的底板導(dǎo)水裂隙帶可能導(dǎo)通太灰水，所以工作面存在較大的突水危險(xiǎn)性。

圖1 上下擴(kuò)展聯(lián)通突水示意圖

3 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育型底板突水防治技術(shù)

3.1 2-216工作面瞬變電磁初探

辛置煤礦2-216工作面回采主要面臨底板承壓水的威脅，為詳細(xì)了解底板壓力水的賦存情況，2-216工作面回采巷道施工完成后，在2-216軌道順槽和2-216運(yùn)輸順槽分別對(duì)底板進(jìn)行瞬變電磁勘探[4]，得到2-216工作面底板富水異常區(qū)的平面位置如圖2（a）、（b）所示。根據(jù)瞬變電磁勘探結(jié)果可以看出，2-216工作面內(nèi)存在富水性較強(qiáng)的低阻異常區(qū)（A級(jí)）共6個(gè)，富水性較弱的低阻異常區(qū)（B級(jí)）4個(gè)，剩余的區(qū)域底板完整性較好，未探測(cè)到底板承壓水的賦存。整體來說，2-216工作面開采受到較大的底板承壓水的威脅。

圖2 辛置煤礦2-216工作面底板富水異常區(qū)分布情況

3.2 2-216工作面底板注漿改造技術(shù)

根據(jù)2-216工作面瞬變電磁勘探結(jié)果可知，工作面底板共有6個(gè)A級(jí)和4個(gè)B級(jí)富水區(qū)域，為封堵工作面底板導(dǎo)水裂隙，針對(duì)這些異常區(qū)對(duì)工作面的底板進(jìn)行注漿改造，注漿鉆孔的布置詳情如圖3所示，2-216軌道順槽和運(yùn)輸順槽分別布置7個(gè)鉆場(chǎng)，共布置167個(gè)底板注漿鉆孔，每個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔為8～13個(gè)，鉆孔的數(shù)量和注漿量根據(jù)鉆孔出水量及瞬變電磁勘探結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，鉆孔平均深度為85m，累計(jì)進(jìn)尺14195m，注漿管采用直徑為60mm，管壁厚度為8mm的高壓流體管，注漿材料為水泥和黏土混合漿液，采用的配合比為水泥：黏土=1：3，注漿終壓為7.8MPa，A級(jí)富水異常區(qū)平均注漿量為95t，B級(jí)富水異常區(qū)單孔平均注漿量為60t，累計(jì)注漿量9586t。

圖3 2-216工作面富水異常區(qū)注漿鉆孔布置平面圖

3.3 2-216工作面局部底板注漿改造效果分析

辛置煤礦2-216工作面底板注漿工程實(shí)施期間，單孔最大涌水量為80m3/h，共有12個(gè)鉆孔未出水，注漿鉆孔總出水量為3969m3，累計(jì)注漿量為9586t，單個(gè)鉆孔平均注漿量和平均出水量之比為2.42，單個(gè)鉆孔的注漿量和出水量呈正相關(guān)，底板注漿效果良好。為詳細(xì)的了解2-216工作面注漿改造的情況，底板注漿工程完成后進(jìn)行的瞬變電磁復(fù)探，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)復(fù)探結(jié)果可知，原有的大面積富水異常已經(jīng)消失或者減小，灰?guī)r突水危險(xiǎn)區(qū)域明顯的減小。2-216工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中，工作面正常涌水量為35m3/h，最大涌水量為120m3/h。

圖4 2-216工作面底板注漿改造后復(fù)探結(jié)果

4 結(jié)論和建議

通過對(duì)辛置煤礦2-216工作面水文地質(zhì)條件和底板物探結(jié)果的研究分析表明，在無斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造影響的情況下，2-216工作面沒有底板突水的危險(xiǎn)，該工作面斷層較為發(fā)育，并且具有一定的導(dǎo)水性，采動(dòng)影響下很可能會(huì)發(fā)生采煤工作面或采空區(qū)突水事故，根據(jù)瞬變電磁勘探結(jié)果設(shè)計(jì)對(duì)底板進(jìn)行局部注漿改造，注漿后進(jìn)行瞬變電磁復(fù)探及后期工作面回采期間的涌水量表明，取得了良好的底板改造效果，消除了工作面的突水可能。