含水厚煤層綜放開采水害防治技術(shù)的研究應(yīng)用

張學(xué)偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 煤峪口礦，山西 大同 037041）

1 礦井概況

煤峪口礦是大同煤礦集團(tuán)下屬的礦井，是全國(guó)首個(gè)進(jìn)行綜合機(jī)械化試驗(yàn)開采的礦井，累計(jì)生產(chǎn)1.2 億t 高質(zhì)量煤礦。礦井位于大同煤礦東南翼，東西走向10.5 km，南北走向1.8 km，總面積15.154 5 km2[1]。煤礦水害是煤礦安全開采的一大嚴(yán)重阻礙因素，5812 工作面主采6 號(hào)煤，煤層厚約5 m，屬于厚煤層開采。在煤礦開采過程中，頂板、底板、采空區(qū)等均存在不同程度的水害隱患，為確保煤礦開采安全高效的進(jìn)行，對(duì)存在的水害問題進(jìn)行研究及防治尤為必要。

1.1 地質(zhì)概況

煤峪口礦5812 工作面走向長(zhǎng)2 km，開采寬度為230 m，煤層傾角為0～5°，工作面內(nèi)可采煤層有2 號(hào)、3 號(hào)、6 號(hào)、9 號(hào)共4 層，其中6 號(hào)煤層相對(duì)穩(wěn)定，煤層厚約5 m，可穩(wěn)定開采，開采方式為綜放開采，頂板采用全部垮落法管理，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。開采工作面為首采工作面，巷道掘進(jìn)過程中出水點(diǎn)較多，且涌水量較大，單孔出水量最大達(dá)120 m3/h。

1.2 構(gòu)造特征

6 號(hào)煤層直接頂由中砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，厚度為2～30 m，整體不穩(wěn)定，開采中容易發(fā)生離層塌落；老頂為細(xì)砂巖，厚4 m，整體性比較好，裂隙不發(fā)育；偽頂為泥巖，厚0.5～0.7 m，發(fā)育于中部，如圖1 所示。工作面內(nèi)已完成施工的6 號(hào)煤層底板距離下伏奧陶系灰?guī)r45～70 m，如圖2 所示。

圖1 6 煤頂板150 m 內(nèi)砂巖、泥巖厚度比值等值線圖Fig.1 Thickness ratio contour diagram of sandstone and mudstone within 150 m roof of No.6 coal seam

圖2 6 號(hào)煤層底板至奧灰等值線圖Fig.2 Contour diagram from floor to Ordovician limestone of No.6 coal seam

6 號(hào)煤層頂板含水層，巖性以中砂巖為主，平均厚6 m，根據(jù)抽水試驗(yàn)資料可知，水量最大達(dá)23 m3/h，單位涌水量為0.06 L/s·m。底板隔水層以粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，局部位置砂巖直接覆蓋于奧灰含水層上，隔水層厚20～60 m。

1.3 水源勘探

回采過程中存在水害隱患的是頂板和底板。頂板砂巖裂隙發(fā)育，鉆孔發(fā)現(xiàn)，鉆孔單位涌水量平均為0.05 L/s·m，滲透系數(shù)為0.001～0.08 m/d，可知雖然裂隙發(fā)育，但富水性弱。底板水水源為奧灰水，勘探中，設(shè)計(jì)施工了見6 號(hào)煤層同時(shí)見奧灰的鉆孔44 個(gè)，底板到奧陶系灰?guī)r含水層頂板距離在20～60 m，經(jīng)勘探得知，該區(qū)域裂隙發(fā)育，受裂隙發(fā)育的影響，局部富水性較強(qiáng)，工作面內(nèi)水位穩(wěn)定，標(biāo)高約880 m，最大涌水量3.6 L/s·m，滲透系數(shù)為5.4 m/d，富水性強(qiáng)，水位標(biāo)高與煤層底板標(biāo)高比較可知煤層底板有水壓，靜水壓約1.5 MPa。

2 水害防治方案研究

2.1 水害隱患

綜上可知，6 號(hào)煤層頂板富水性較弱，底板富水性強(qiáng)，因此文章主要進(jìn)行底板防治水研究，6 號(hào)煤層開采方式為帶壓開采，通過計(jì)算突水系數(shù)、安全隔水層厚度比值系數(shù)、安全水壓3 個(gè)數(shù)據(jù)來分析水害隱患。

2.1.1 安全隔水層厚度比值系數(shù)

通過水壓、巖石容重、開采面寬度及抗壓強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，基于斯列薩遼夫公式計(jì)算分析安全隔水層厚度比值系數(shù)，同樣取上述7 個(gè)鉆孔原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果在0.503 5～0.720 6，小于1，說明突水發(fā)生可能性較小[2]。

2.1.2 安全水壓

根據(jù)地質(zhì)條件可知，研究工作面奧灰水壓最大值為1.5 MPa，根據(jù)工作面隔水層厚度及平均厚度、巷道寬度、隔水層平均抗拉強(qiáng)度參數(shù)信息，可計(jì)算得出底板隔水層安全水壓為60 MPa，兩者比較可知奧灰水層對(duì)掘進(jìn)危害性較小[3]。

2.1.3 突水系數(shù)Ts

式中：Ts為突水系數(shù)[2]，臨界值取0.06 MPa/m；P 為底板隔水層水壓，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。

在研究工作面取7 個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)分析突水系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 6 號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculating results of sudden water coefficient of No.6 coal seam

由表1 可知，突水系數(shù)最大為0.068 MPa/m，高于臨界值，有發(fā)生突水水害的可能性。此外，由于裂隙發(fā)育，在裂隙區(qū)域，底板隔水層基本失去隔水作用，將會(huì)對(duì)掘進(jìn)造成威脅，因此需進(jìn)行防治水設(shè)計(jì)。

2.2 注漿加固防治方案設(shè)計(jì)

帶壓開采時(shí)，在開采工作面前方和構(gòu)造周圍發(fā)生突水危害的可能性較大，水害防治的原則是“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”，根據(jù)工作面實(shí)際結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)“防、探、堵、疏、排、截”的預(yù)防治理措施。本文采用注漿加固地板巖層的方法來進(jìn)行底板突水事故的預(yù)防和治理。

2.2.1 注漿孔設(shè)計(jì)

注漿孔的設(shè)計(jì)根據(jù)煤峪口礦以往注漿經(jīng)驗(yàn)，以及注漿擴(kuò)散半徑約30 m 設(shè)計(jì)，為確保阻止側(cè)向來水，注漿孔設(shè)計(jì)延長(zhǎng)至溜子道和材料道兩側(cè)各50 m，共設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)32 個(gè)，開采工作面端頭鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)8個(gè)鉆孔，其他均設(shè)計(jì)為4 個(gè)，如圖3 所示。

圖3 注漿孔布局示意Fig.3 Grouting holes layout presentation

2.2.2 注漿工藝

注漿加固主要是對(duì)底板隔水層進(jìn)行架構(gòu)鞏固，同時(shí)增強(qiáng)底板強(qiáng)度，以確保開采過程安全。此次底板突水防治采用的注漿設(shè)備為150 型鉆機(jī)、高壓水泵、φ127 mm 和φ75 mm 無芯鉆頭、以及φ108 mm 套管等。選用的注漿材料為425 號(hào)新鮮普通硅酸鹽水泥，漿液與水灰比值初始為2∶1，注漿施工過程中，注漿流暢，稍增加漿液濃度，水灰比整體控制在1.8∶1～1.2∶1。注漿壓力根據(jù)鉆孔出水的情況，設(shè)計(jì)為1.5～2 倍水源壓力。注漿巖層為奧灰頂巖層[4]。

3 注漿效果分析

通過對(duì)注漿設(shè)計(jì)后的工作面進(jìn)行勘察分析，發(fā)現(xiàn)底板隔水層有效厚度增加，底板強(qiáng)度大大提高，原有裂隙也被封堵完善，底板抗壓能力進(jìn)一步增強(qiáng)，經(jīng)計(jì)算，底板突水系數(shù)不高于0.03 MPa/m，有效解決了工作面開采過程中底板突水水害問題。

4 結(jié)論

（1）以煤峪口礦5812 工作面為研究對(duì)象，工作面6 號(hào)煤層開采持續(xù)穩(wěn)定，煤層厚約5 m，屬于厚煤層，開采過程中，頂板、底板存在不同程度的水害隱患。

（2）分析工作面頂板特征，發(fā)現(xiàn)頂板富水性弱，發(fā)生水害的可能性較低；分析底板結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)富水性較強(qiáng)，且通過計(jì)算底板安全隔水層厚度比值系數(shù)、安全水壓、突水系數(shù)，得到突水系數(shù)超過臨界值，存在突水危險(xiǎn)。

（3）提出利用注漿加固技術(shù)防治工作面底板突水危害，通過合理選擇注漿設(shè)備，合理設(shè)計(jì)注漿孔、注漿工藝，封堵了原發(fā)育裂隙，并有效加強(qiáng)了底板抗突水能力，使突水系數(shù)降至0.03 MPa/m，遠(yuǎn)低于臨界值，實(shí)現(xiàn)了工作面安全可靠的開采，提高了開采效率，有一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。