峰峰礦區(qū)深部煤層開(kāi)采水害問(wèn)題及防治對(duì)策

王鐵記，王子龍

（1.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲056107；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013）

峰峰礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜[1]，是全國(guó)有名的大水礦區(qū)，奧灰突水一直是困擾和威脅煤礦安全生產(chǎn)的突出問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，礦區(qū)淺部煤炭資源逐步枯竭，目前多對(duì)礦井的煤層開(kāi)采進(jìn)入了深部，部分礦井開(kāi)采深度已達(dá)千米。深部煤層開(kāi)采條件更加復(fù)雜，煤巖體處于高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中，煤層開(kāi)采受底板奧灰突水威脅更為嚴(yán)峻，淺部煤層開(kāi)采時(shí)傳統(tǒng)的防治水技術(shù)方法已經(jīng)不能適應(yīng)深部開(kāi)采的需要。10 年來(lái)，峰峰礦區(qū)發(fā)生了多起深部礦井煤層開(kāi)采奧灰突水事故，其中淹沒(méi)礦井4 對(duì)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究深部煤層開(kāi)采面臨的水害問(wèn)題并制定防治對(duì)策就顯得十分必要。

1 礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

峰峰礦區(qū)煤系地層為石炭二疊系，主采煤層為二疊系2 號(hào)煤和石炭系4 號(hào)煤，兩煤層分別距離煤系基底奧灰強(qiáng)含水層140、100 m。礦區(qū)奧灰含水層是威脅礦井開(kāi)采的主要含水層，具有厚度大（500～600 m）、補(bǔ)給面積大、彈性儲(chǔ)水量大、水位高、富水性不均一等特點(diǎn)。礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，褶皺以單斜構(gòu)造為主，個(gè)別礦井背向斜發(fā)育，煤層底板較破碎。截止到2019 年底，礦區(qū)內(nèi)各礦共揭露陷落柱100 多個(gè)，陷落柱大小懸殊、形狀各異、發(fā)育高度差異明顯，大部分發(fā)育到開(kāi)采煤層以上，極個(gè)別隱伏于煤層底板以下，長(zhǎng)軸直徑最小僅幾米，最大可達(dá)500 m，一般數(shù)十米，形狀多為近圓形和橢圓形，少數(shù)呈長(zhǎng)方形或不規(guī)則形狀，多數(shù)不導(dǎo)（含）水。由于礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，煤系基底的奧灰水常常沿構(gòu)造突入礦井采掘工作面，嚴(yán)重威脅著礦井的安全開(kāi)采。

2 深部煤層開(kāi)采面臨的水害問(wèn)題

隨著礦井煤層開(kāi)采逐步向深部延伸，面臨越來(lái)越顯著的與淺部開(kāi)采不同的各類安全問(wèn)題，主要表現(xiàn)在原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力不斷升高、圍巖體塑性增大，在開(kāi)采過(guò)程中導(dǎo)致礦山壓力不斷增加，產(chǎn)生較為劇烈的壓力變化,巷道底鼓嚴(yán)重，回采工程中初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的步距變小，來(lái)壓顯現(xiàn)程度明顯。與此同時(shí)，深部煤層開(kāi)采水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，煤層底板承受的奧灰水壓在7.0 MPa 以上，個(gè)別礦井甚至達(dá)到11.0 MPa，開(kāi)采時(shí)煤層底板變形嚴(yán)重，底板破壞深度異常增大，如果煤層底板存在隱伏的陷落柱、斷層等構(gòu)造，就容易發(fā)生特大突水事故。礦壓顯現(xiàn)明顯時(shí)，出現(xiàn)煤層底板裂隙面狀分散性突（涌）水，上述情況隨礦井延深將不斷加重。

2.1 底板奧灰突水的途徑和特點(diǎn)

1）陷落柱突水。峰峰礦區(qū)陷落柱普遍發(fā)育，且多數(shù)分布在淺部礦井，在淺部煤層開(kāi)采時(shí)，揭露了大量的陷落柱，但揭露的陷落柱均充填密實(shí)，不導(dǎo)（含）水。陷落柱在深部礦井成零星分布，但深部礦井開(kāi)采發(fā)生的4 起奧灰突水淹井事故中的3 起事故，是由發(fā)育于煤層底板以下的小型隱伏陷落柱（陷落柱長(zhǎng)軸直徑不超過(guò)20 m）造成的，九龍礦陷落柱突水示意圖如圖1。小型隱伏陷落柱發(fā)育層位低，位于開(kāi)采煤層以下，直徑小，在原始狀態(tài)下甚至可能不含（導(dǎo)）水，目前的鉆探、三維地震和其他物探技術(shù)提前探知難度大，但在深部采動(dòng)影響下，由于煤層底板破壞深度大，再加上陷落柱本身就是薄弱面，在高礦壓和高水壓的聯(lián)合作用下，極易成為導(dǎo)水通道而發(fā)生奧灰突水。

圖1 九龍礦陷落柱突水示意圖Fig.1 Schematic diagram of water inrush from collapse column of Jiulong Mine

2）斷層突水。峰峰礦區(qū)礦井?dāng)鄬影l(fā)育，對(duì)生產(chǎn)的影響較大，斷層也是潛在的突水通道。在深部開(kāi)采條件下，由于礦壓大，在高礦壓的作用下斷層極易活化造成滯后突水。1995 年，峰峰礦區(qū)在建的深部礦井梧桐莊礦掘進(jìn)井底大巷時(shí)揭露1 條落差7 m的小斷層，過(guò)斷層數(shù)天后發(fā)生了34 000 m3/h 的奧灰水特大突水事故，造成17 人工亡。

3）煤層底板裂隙突水。除陷落柱突水和斷層突水外，峰峰礦區(qū)深部煤層開(kāi)采的梧桐莊礦和九龍礦發(fā)生了多起奧灰水通過(guò)煤層底板裂隙突出事故，尤其是工作面開(kāi)采的推進(jìn)長(zhǎng)度與工作面斜長(zhǎng)大致相等時(shí)，煤層底板容易突水。突水事故的發(fā)生是由于深部煤層開(kāi)采底板巖層產(chǎn)生的超深破壞帶與奧灰承壓水導(dǎo)升帶溝通造成的，奧灰突水后雖然沒(méi)有造成淹井事故，但對(duì)工作面的開(kāi)采造成了一定的影響。裂隙突水示意圖如圖2。

圖2 裂隙突水示意圖Fig.2 Schematic diagram of fissure water inrush

2.2 深部煤層開(kāi)采存在的防治水問(wèn)題

1）突水系數(shù)安全評(píng)價(jià)方法在深部存在局限性。目前煤礦防治水采用的突水系數(shù)[2]安全評(píng)價(jià)方法是20 世紀(jì)80 年代初提出的，也是《煤礦防治水細(xì)則》中煤層回采工作面安全評(píng)價(jià)采用的主要方法。該方法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析多次突水資料而得出的，在淺部礦井防治水安全評(píng)價(jià)中起到很好的作用，是淺部礦井煤層開(kāi)采防治水方面最有效的評(píng)價(jià)方法。但是突水系數(shù)安全評(píng)價(jià)方法也有一定的缺陷，該方法只采用水壓和隔水層2 個(gè)因素進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，在淺部礦井簡(jiǎn)單的開(kāi)采環(huán)境下適用性很好，但在深部礦井圍巖的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境、圍巖應(yīng)力條件、高礦壓條件和高水壓條件下開(kāi)采破壞與淺部開(kāi)采有很大的不同，突水系數(shù)法安全評(píng)價(jià)方法難以適應(yīng)深部開(kāi)采。在深部煤層回采工作面發(fā)生的多起突水事故中，突水系數(shù)并沒(méi)有超出評(píng)價(jià)的安全范圍仍發(fā)生了突水，說(shuō)明突水系數(shù)安全評(píng)價(jià)方法在深部開(kāi)采中具有局限性。

2）存在厚隔水層無(wú)構(gòu)造突水問(wèn)題。峰峰礦區(qū)目前開(kāi)采的2 號(hào)和4 號(hào)煤層距離奧灰含水層較遠(yuǎn)，屬于厚隔水層上帶壓開(kāi)采。在淺部煤層開(kāi)采中，在煤層底板完整條件下一般不會(huì)發(fā)生突水事故，發(fā)生突水的部位往往存在斷層等構(gòu)造。但在深部煤層開(kāi)采中，由于煤層底板的超深破壞再加上奧灰高水壓的作用，發(fā)生了多起煤層底板無(wú)構(gòu)造突水。峰峰礦區(qū)九龍礦自4 號(hào)煤開(kāi)采以來(lái)，所有工作面都發(fā)生了煤層底板奧灰突水事故，大部分突水部位煤層底板完整，不存在陷落柱、斷層構(gòu)造，煤層底板出水前，工作面底鼓，回采支架被壓死，隨后煤層底板出現(xiàn)裂隙出水并達(dá)到峰值，然后逐步衰減。出水的頻率與周期來(lái)壓具有同步性。

3）構(gòu)造活化突水問(wèn)題突出。峰峰礦區(qū)陷落柱發(fā)育，在淺部開(kāi)采中，所揭露的陷落柱均不含（導(dǎo)）水，甚至在開(kāi)采過(guò)程中為了工作面連續(xù)推進(jìn)，直接在陷落柱中推采。峰峰礦區(qū)深部礦井陷落柱不發(fā)育，偶爾揭露，但發(fā)生了3 起位于開(kāi)采煤層底板以下、陷落柱頂部距離煤層底板43～60 m 的隱伏小型陷落柱突水事故。這些陷落柱在開(kāi)采前都進(jìn)行了探查，由于采前陷落柱不含水并沒(méi)有提前發(fā)現(xiàn)，但開(kāi)采到陷落柱位置后，在采動(dòng)影響、高礦壓和高水壓的聯(lián)合作用下，陷落柱發(fā)生活化發(fā)生了滯后突水淹井事故。如峰峰礦區(qū)梧桐莊礦182306 工作面在開(kāi)采前進(jìn)行的煤層底板探查和注漿加固工程中，未發(fā)現(xiàn)陷落柱和水文地質(zhì)異常，但工作面開(kāi)采時(shí)發(fā)生了特大奧灰突水事故，后經(jīng)堵水鉆探工程證實(shí)，隱伏陷落柱頂部距離煤層底板60 m 左右，為1 個(gè)隱伏的小型陷落柱。

4）傳統(tǒng)的煤層底板注漿加固方法無(wú)法避免煤層底板突水。煤層底板注漿加固及改造方法在淺部煤層底板防治水中得到了成功的應(yīng)用，是煤層底板水害防治最有效的方法之一，但該方法在深部煤層開(kāi)采中實(shí)用性大大降低，在采取了煤層底板注漿加固的多個(gè)工作面仍不能避免奧灰突水事故的發(fā)生。

3 深部煤層開(kāi)采突水機(jī)理

1）裂隙突水機(jī)理。正常巖層煤層底板突水不外乎薄隔水層的整體破壞和厚隔水層的水壓裂導(dǎo)升破壞2 種模式。由于峰峰礦區(qū)開(kāi)采的2 號(hào)和4 號(hào)煤層距離奧灰含水層較遠(yuǎn)，薄隔水層突水模式在峰峰礦區(qū)深部煤層開(kāi)采中不存在。對(duì)于淺部隔水層厚度較大且完整的煤層底板，一般具有足夠的強(qiáng)度以克服承壓水對(duì)煤層底板的剪切破壞，不會(huì)發(fā)生突水。但是對(duì)于深部巖體所處的應(yīng)力場(chǎng)而言，隨著埋深的增加，地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，垂向和水平主應(yīng)力相應(yīng)變大，當(dāng)主應(yīng)力作用于底板巖層時(shí)，會(huì)在橫（縱）向產(chǎn)生破壞，尤其在煤層開(kāi)采后，煤層底板巖層的原始應(yīng)力平衡遭到破壞，形成煤層底板采動(dòng)破壞帶，泄壓后上部垂向應(yīng)力解除，導(dǎo)致原巖三向應(yīng)力狀態(tài)不平衡，巖體的有效應(yīng)力降低，形成剪切破壞產(chǎn)生裂隙。當(dāng)奧灰水的壓力大于巖層的最小主應(yīng)力時(shí)，裂隙帶擴(kuò)張，當(dāng)和上部煤層底板破壞帶溝通時(shí)，就會(huì)形成管涌，使奧灰水向上導(dǎo)升而突水。

2）陷落柱、斷層突水機(jī)理。陷落柱、斷層本身就是薄弱帶，在高礦壓、高水壓的聯(lián)合作用下，煤層底板產(chǎn)生超深破壞、構(gòu)造容易活化而突水。

4 防治對(duì)策

1）全面探查。包括地面探查和井下超前探查[3-9]。地面探查主要利用鉆探（區(qū)域治理探查是其中的一部分）和三維地震等手段對(duì)陷落柱、較大落差的斷層等構(gòu)造進(jìn)行超前探查，為采區(qū)和工作面設(shè)計(jì)、井下防治水工作提供依據(jù)；井下探查分工作面掘進(jìn)階段和回采前階段，沒(méi)有進(jìn)行區(qū)域治理的地段，掘進(jìn)時(shí)利用鉆探結(jié)合物探手段對(duì)工作面掘進(jìn)前方的地質(zhì)構(gòu)造和水文異常區(qū)進(jìn)行超前探查，進(jìn)行了區(qū)域治理的地段，采用超前物探手段（對(duì)區(qū)域治理發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證）進(jìn)行探查，工作面形成后開(kāi)采前，利用瞬變、坑透、音頻電透視等手段對(duì)工作面內(nèi)部及其周邊煤層底板的富水情況進(jìn)行探查，對(duì)探查出的異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，必要時(shí)進(jìn)行注漿治理。井上下超前探查的目的之一是尋找導(dǎo)水通道并進(jìn)行治理，切斷奧灰水通過(guò)構(gòu)造突入采掘工作面的通道，消除突水三要素中的突水通道因素。

2）在奧灰頂部通過(guò)區(qū)域探查和治理切斷導(dǎo)水通道。區(qū)域超前探查與治理技術(shù)是煤礦防治水治理新技術(shù)，最早于2012 年應(yīng)用在峰峰礦區(qū)煤層底板水害治理中，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐探索，目前基本成熟。區(qū)域治理的主導(dǎo)思想是從過(guò)去在井下采掘工作面進(jìn)行防治水工作轉(zhuǎn)向工作面采掘以前進(jìn)行地面打鉆注漿治水，從過(guò)去和水害的“短兵相接”變成“遠(yuǎn)距離打擊”，從過(guò)去的一面一治理轉(zhuǎn)向多個(gè)工作面甚至水平開(kāi)拓和采區(qū)準(zhǔn)備開(kāi)始前的治理，達(dá)到采掘工作面不發(fā)生大的突水事故的目的。在深部開(kāi)采厚隔水層條件下，當(dāng)存在陷落柱、斷層等構(gòu)造時(shí)，高承壓的奧灰水就有可能突入采掘工作面造成重大突水災(zāi)害。這些構(gòu)造往往從奧灰中向上發(fā)育到開(kāi)采煤層底板或超越煤層，因此，進(jìn)行區(qū)域治理的目的之一就是在奧灰頂部地段施工水平孔時(shí)發(fā)現(xiàn)這些導(dǎo)水構(gòu)造并進(jìn)行超前治理。通過(guò)在奧灰中注漿封堵導(dǎo)水構(gòu)造，切斷導(dǎo)水通道，消除突水3 要素中的突水通道因素，從而保證采掘工作面不突大水，不出現(xiàn)淹井事故。峰峰礦區(qū)目前進(jìn)行區(qū)域治理的3 對(duì)礦井在區(qū)域治理中共發(fā)現(xiàn)5 個(gè)陷落柱，并提前進(jìn)行陷落柱注漿治理，峰峰礦區(qū)開(kāi)展區(qū)域治理工作以后成功地避免奧灰突水事故的發(fā)生。區(qū)域治理鉆孔布置圖如圖3。

圖3 區(qū)域治理鉆孔布置圖Fig.3 Layout of boreholes for regional treatment

3）井下工作面煤層底板注漿加固與改造。當(dāng)煤層底板裂隙發(fā)育，煤層底板存在陷落柱、斷層等導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，可進(jìn)行煤層底板注漿改造與加固，使煤層底板含水層變成弱含水層或相對(duì)隔水層，增強(qiáng)煤層底板隔水層的阻水能力，從而阻斷奧灰水突入采掘工作面的通道，消除突水3 要素中的突水通道因素。此方法在淺部煤層礦井開(kāi)采時(shí)，是一種十分成熟和有效的手段，但在大采深、高承壓水上開(kāi)采條件下是不能完全保證安全開(kāi)采的，僅作為補(bǔ)充手段使用。

4）切斷水源和減少含水層的富水性。對(duì)峰峰礦區(qū)深部礦井開(kāi)采威脅大的奧灰水是防范和治理的對(duì)象，目前切斷水源的方法就是利用地面區(qū)域治理技術(shù)在奧灰頂界面以下40 m 范圍內(nèi)對(duì)奧灰進(jìn)行注漿改造，即含水層治理鋪底，把奧灰頂部一定范圍內(nèi)的含水層變成弱含水層或相對(duì)隔水層，減弱奧灰水突水的3 大因素中的突水水源和突水量2 大因素。奧灰頂部經(jīng)注漿治理后，即使發(fā)生奧灰突水，不至于發(fā)生淹沒(méi)礦井事故。

5）分區(qū)隔離開(kāi)采。切斷通道是防止突水淹井最有效的手段，切斷水源和減弱含水層的富水性是輔助手段，采取上述手段后，可大大減少礦井突水事故的發(fā)生。但為進(jìn)一步保證安全生產(chǎn)，還需要采取除上述手段外的其他一些手段。分區(qū)隔離開(kāi)采就是輔助手段之一[10]。礦井分區(qū)隔離或預(yù)隔離工作就是在礦井大巷中選擇有利地段建立防水閘墻或建好水閘墻基礎(chǔ)、防水閘門(mén)等隔離設(shè)施，將開(kāi)采區(qū)域人為隔離開(kāi)來(lái)，一旦發(fā)生不可控的突水事故，立即進(jìn)行區(qū)域隔離，把突水災(zāi)害限定在一定范圍內(nèi)，避免整個(gè)礦井被淹。區(qū)域隔離分2 種情況：①奧灰水壓低于5 MPa的區(qū)域，采用水閘門(mén)隔離；②奧灰水壓高壓5 MPa的區(qū)域，由于承壓高于5 MPa 的水閘門(mén)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有定型產(chǎn)品，采用先施工水閘墻基礎(chǔ)、并在水閘墻附近備好建墻的石子、片石等措施，一旦發(fā)生不可控的奧灰突水快速建墻，把突水災(zāi)害控制在一定范圍內(nèi)。2010 年，峰峰礦區(qū)黃沙礦發(fā)生特大突水災(zāi)害后，及時(shí)構(gòu)建了水閘墻，把突水災(zāi)害控制到了-500 m 水平，避免全礦井被淹。目前峰峰礦區(qū)梧桐莊礦、羊東礦、辛安礦、九龍礦等均建立水平或采區(qū)隔離工程，并在隔離工程附近備足了建墻所需物料及配件。

6）增大礦井排水能力，提高礦井抗災(zāi)水平。排水能力是礦井防治水工作的最后1 道防線[11]，一旦這道防線被突破，就會(huì)造成淹井。因此峰峰礦區(qū)深部礦井都十分重視礦井排水能力建設(shè)，提出了“突水不淹井，淹井不傷人”的大安全觀，建立了強(qiáng)大的排水能力，除建有臥泵排水系統(tǒng)外還增建了潛水泵排水系統(tǒng)[9]。對(duì)水文地質(zhì)條件極復(fù)雜的深部礦井，在礦井原排水能力的基礎(chǔ)上，成倍地增加礦井排水能力，如梧桐莊礦為提高礦井的抗災(zāi)能力并適應(yīng)梧桐莊礦防治水工作的實(shí)際需要，增建了潛水泵排水系統(tǒng)，使礦井排水能力達(dá)到9 600 m3/h，九龍礦、羊東礦羊東區(qū)的礦井排水能力達(dá)到了5 400 m3/h。

5 結(jié) 語(yǔ)

深部煤層開(kāi)采防治水工作不同于淺部，深部煤層開(kāi)采在高礦壓和高水壓的聯(lián)合作用下極易發(fā)生突水事故，但目前淺部礦井傳統(tǒng)的防治水技術(shù)已經(jīng)不能滿足深部煤層開(kāi)采的需要，因此，必須有新的防治水技術(shù)解決深部煤層開(kāi)采突水問(wèn)題。在揭示深部礦

井突水機(jī)理的基礎(chǔ)上，采取區(qū)域治理切斷奧灰突水通道、弱化奧灰含水層頂部的富水性，是深部煤層開(kāi)采防治突水最有效的途徑之一。做好區(qū)域治理工作，再輔之于其它手段，深部煤層開(kāi)采防治水安全是有保證的, 峰峰礦區(qū)深部煤層開(kāi)采利用區(qū)域治理技術(shù)就實(shí)現(xiàn)了多年的防治水安全生產(chǎn)。