巨厚煤層寬大工作面綜采放頂煤開采水害防治研究

楊 程

（鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責任公司龍王溝煤礦，內(nèi)蒙古 準格爾旗 017100）

準格爾煤田龍王溝煤礦可采煤層有5 層，主采的6 煤層厚度達4～30.1 m，平均18.34 m。礦井開采主要受頂板碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組（上石盒子組、下石盒子組、山西組砂巖裂隙含水層）和底板太原組砂巖裂隙含水層及寒武奧陶系巖溶裂隙含水組[1]雙重威脅。奧陶系灰?guī)r（靜水位為869.7 m）上距6 煤層底板約44.5 m，局部富水性極強，補給水源穩(wěn)定、充足（井田位于天橋巖溶地下水系，東距黃河約10 km）[2]。6 煤層底板承受奧灰水壓0～2.7 MPa，工作面推采過程中如揭露隱伏導(dǎo)水構(gòu)造可能造成突水事故[3]；采高超過23.5 m，工作面傾向長達255 m，采動影響對底板破壞深度較大[4],易發(fā)生底板出水；頂板含水層富水性不均一，局部山西組砂巖富水性中等，頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度大于197 m[5]，導(dǎo)通上部多層含水層。因此61601 工作面作為礦井首采工作面，如何有效探查和治理水害，對準格爾煤田受水害威脅礦井的安全開采，均有十分重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 61601 工作面概況

工作面傾向長度為255 m，推采長度615 m，開采面積約0.16 km2，采用長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，綜采放頂煤一次采全高工藝。工作面煤層傾角0°～5°，沉積基底呈緩波狀起伏，底板標高846.6～858.1 m，處于奧灰水水位（869.7 m）以下24 m，水頭壓力為0.24 MPa，底板突水系數(shù)為0.005 4 MPa/m。主要含水層與煤層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 主要含水層與煤層結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作面防治水工程設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

按照《煤礦防治水細則》[6]第四十一條規(guī)定，采取物探、鉆探相互結(jié)合的方法探測工作面頂、底板富水性及隱伏導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況，并對富水異常區(qū)、構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域進行底板注漿改造或頂板砂巖水疏放，最后編制水文地質(zhì)情況評價報告和水害隱患治理消除情況分析報告。

物探選用直流電測深、音頻電透視、瞬變電磁、無線電坑透、槽波地震等方法，為鉆探設(shè)計提供依據(jù)；鉆探采用常規(guī)鉆和定向鉆相結(jié)合的方法，與物探成果相互驗證。

2.2 施工方案

2.2.1 鉆場布置及探查層位

（1）定向鉆場鉆孔布置

鉆場布置于順槽開門口附近，鉆孔與順槽方向平行布置在工作面內(nèi)側(cè)，底板孔3 個，間距50 m，探查層位為鋁土質(zhì)泥巖以上的細砂巖，距煤層底板約35 m；頂板孔2 個，間距70 m，探查層位為山西組下層粗砂巖，距煤層頂板約40 m。

（2）常規(guī)鉆場鉆孔布置

順槽掘進時每隔100 m 布置1 個鉆場，切眼內(nèi)布置2 個鉆場。鉆場內(nèi)布置3 個底板孔和2 個頂板孔：其中2 個底板孔在工作面內(nèi)側(cè)，朝向停采線的鉆孔進入鋁土質(zhì)泥巖，距工作面底板約30 m；朝向初采切眼的鉆孔進入奧陶系灰?guī)r頂界以下10 m，距工作面底板約45 m；第3 個孔垂直順槽方向布設(shè)在工作面外側(cè)，終孔于鋁土質(zhì)泥巖；頂板孔一個垂直運輔順槽、朝向工作面內(nèi)部，探查至上石盒子組上部砂巖，距巷道頂板垂深約268 m；第二個與順槽斜交、朝向工作面外側(cè)，探查至山西組上層砂巖，距巷道頂板垂深約60 m。

2.2.2 超前疏放與注漿設(shè)計

頂板砂巖水富水性弱，以靜儲量為主，采取超前疏放進行治理；底板奧灰水局部富水性強，水源補給穩(wěn)定，采取注漿封堵方式進行治理。據(jù)此，制定超前疏放與注漿方案如下。

（1）超前疏放方案：頂板鉆孔涌水量低于0.01 m3/h 視為疏干。

（2）注漿方案：探至奧灰的底板鉆孔水量不大于2 m3/h，其余孔水量不大于0.5 m3/h。驗收后封孔，探查結(jié)束。否則，注漿封堵后再掃孔驗證直至符合上述標準。

2.2.3 工作面防治水效果驗證設(shè)計

探查與治理工程施工完成后再次物探、鉆探進行治理效果驗證。

3 工作面水害探查、治理及評價

3.1 工作面物探探查

3.1.1 頂板電法成果

采用瞬變電磁進行探查，抽取三個方位數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格差值得到巷道頂板低阻異常趨勢平面圖，在頂板上50～100 m 之間發(fā)現(xiàn)富水異常。瞬變電磁法探測頂板低阻異常趨勢平面圖如圖2。

圖2 瞬變電磁法探測頂板低阻異常趨勢平面圖

3.1.2 底板電法成果

（1）直流電測深探測成果

在主運順槽發(fā)現(xiàn)2 處低阻異常區(qū)：1 號（與直流電測深成果異常共同編號）位于30～50 m 之間；3 號位于470～580 m 之間，縱向上在底板下0～80 m均有發(fā)育。輔運順槽發(fā)現(xiàn)3 處低阻異常區(qū)：1 號位于 0～50 m 之間，縱向上在底板下 0～80 m 間均有發(fā)育；2 號位于320～350 m 之間，縱向上在底板下30～40 m 間發(fā)育；3 號位于 510～570 m 之間。底板直流電測深低阻異常平面圖如圖3。

圖3 底板直流電測深低阻異常平面圖

（2）音頻電透視探測成果

在主運順槽發(fā)現(xiàn)2 組低阻異常區(qū)：2 號位于70～380 m 之間，3 號位于 490～650 m 之間（范圍同直流電測深測定3 號異常區(qū)）。音頻電透視低阻異常平面圖如圖4。

圖4 音頻電透視低阻異常平面圖

3.2 頂板水探查與治理情況

3.2.1 施工情況

2017 年 11 月—2018 年 1 月 ,施工鉆孔 30 個對頂板砂巖含水層及異常范圍進行了探查與疏放，其中常規(guī)穿層孔14 組28 孔總進尺5403 m，定向孔2個總進尺1626 m，單孔初始水量介于0～0.45 m3/h 間。

3.2.2 頂板疏放水效果及評價

頂板孔單孔初始水量均＜0.5 m3/h，且截至2018 年3 月底，所有頂板孔水量均降至0.01 m3/h 以下，累計疏放水量約2200 m3，水量衰減率達90%以上，視為疏干完成。

3.3 底板水探查與治理情況

3.3.1 施工情況

2017 年 11 月—2018 年 2 月共施工鉆孔 41 個，其中常規(guī)穿層孔14 組38 孔進尺2634 m，順層定向鉆孔3 個進尺2463 m，單孔初始水量0～0.6 m3/h。所有底板孔觀測水壓、水溫、取水樣化驗后封孔，總用水泥量25.65 t。

3.3.2 底板探查與治理效果及評價

底板孔單孔初始水量均小于0.6 m3/h，水壓均小于0.2 MPa，工作面底板距離奧灰約44 m，施工過程中未發(fā)現(xiàn)漏液、卡鉆、塌孔等現(xiàn)象，鉆孔注漿時用量小。綜合分析認為，工作面內(nèi)區(qū)域裂隙不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大型導(dǎo)水通道。

3.4 底板物探異常區(qū)驗證

在物探發(fā)現(xiàn)的9 個異常區(qū)內(nèi)（與常規(guī)鉆結(jié)合）扇形施工3 個穿層孔，共施工8 組15 孔1765 m，單孔涌水量在0.01～0.4 m3/h 間。綜合分析認為，異常區(qū)域富水性弱，對回采無影響。鉆場及鉆孔施工圖如圖5。

圖5 鉆場及鉆孔施工圖

4 防治水治理效果驗證

防治水工程施工結(jié)束后，采用無線電坑透驗證施工效果，僅在輔運順槽外側(cè)發(fā)現(xiàn)1 處底板異常并施工驗證孔4 個325 m，單孔涌水量在0～0.1 m3/h 間，證明區(qū)域內(nèi)富水性弱，對回采無影響。

5 工作面防治水措施

（1）確保足夠的排水能力和排水系統(tǒng)暢通。工作面總排水能力大于300 m3/h，大于預(yù)測的最大涌水量77.4 m3/h（采用大井法和富水性系數(shù)比擬法），礦井主、副水倉容量5600 m3，最大排水能力為2900 m3/h，抗災(zāi)能力較強。

（2）加強頂板初次來壓、“見方”等特殊時期水文觀測，教育職工增強水患意識，提高水害征兆的判別能力，發(fā)現(xiàn)水害威脅，立即按避災(zāi)路線有序撤出所有受水威脅地點的人員，并報告礦調(diào)度室。

（3）杜絕長時間停采，堅持正規(guī)循環(huán)作業(yè)，保證工作面快速、連續(xù)、均衡推進，避免來壓集中。

（4）加強地表塌陷區(qū)觀測，對塌陷坑、裂縫、低洼點等容易積水的地點及時填平填實、疏浚泄洪通道或采取排水措施，防止積水進入井下。

（5）嚴格執(zhí)行災(zāi)害性天氣停產(chǎn)撤人制度。編制水害應(yīng)急預(yù)案及現(xiàn)場處置措施并進行應(yīng)急預(yù)案演練，教育職工熟知避災(zāi)路線。

6 工作面回采防治水安全性評價

工作面共施工常規(guī)鉆孔85 個，定向鉆孔5 個，總進尺14 216 m，鉆孔布置與鉆探量滿足生產(chǎn)要求；頂板含水層組賦水性弱，以靜儲量為主且已疏干，對回采無影響；工作面突水系數(shù)小于底板受構(gòu)造破壞底板臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，并經(jīng)過有效探查與治理，可安全回采；排水系統(tǒng)滿足生產(chǎn)需要，防治水措施可行，可作為工作面帶壓開采依據(jù)。

7 結(jié) 語

該工作面共投入防治水資金860 余萬元，采用物探與鉆探結(jié)合、常規(guī)鉆與定向鉆相結(jié)合對工作面內(nèi)部導(dǎo)水構(gòu)造進行探查，對異常區(qū)進行注漿加固治理，大大降低了突（出）水風險，為工作面安全回采提供了保障。

截至回采結(jié)束時，測得工作面的正常涌水量為13.2 m3/h，最大涌水量19.5 m3/h（防滅火注漿影響），未發(fā)生異常涌水，安全開采煤量近500 萬t，防治水工程效果得到有效驗證。