顧北煤礦A組煤首采區(qū)灰?guī)r水害探查治理技術(shù)探討

蔡有京，竇春遠(yuǎn)，魏 健

(淮浙煤電有限公司顧北煤礦，安徽省淮南市，232001)

礦井水害一直以來(lái)是兩淮煤田的重大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)[1-2]。雖然淺部煤炭資源逐漸枯竭，但深部煤炭資源儲(chǔ)量豐富、煤質(zhì)較好，因此，煤礦逐步向深部水平延伸開(kāi)采，不得不面臨灰?guī)r水害的威脅。近年來(lái)，兩淮礦區(qū)發(fā)生過(guò)較大的灰?guī)r突水事故，如2013年2月3日淮北礦業(yè)集團(tuán)桃園煤礦發(fā)生一起奧灰陷落柱突水，事故造成1人死亡，礦井被淹；2017年潘二煤礦“5·12”灰?guī)r突水事故，最大突水量為14 520 m3/h，事故造成礦井被淹[3-4]。深部灰?guī)r水一旦通過(guò)導(dǎo)水通道涌入工作面，就會(huì)造成難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。筆者以淮南礦區(qū)顧北煤礦南-1煤采區(qū)為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了深部灰?guī)r水害探查治理技術(shù)方法[5-7]，論證了防治水工程治理效果。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

淮南礦區(qū)根據(jù)斷層分布及富水性特征將水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐譃槟稀⒅?、北三大類，而中部和南部單元又分別有3～4個(gè)亞類，即中-1～中-3和南-1～南-4。淮南礦區(qū)水文地質(zhì)劃分如圖1所示。顧北煤礦南-1煤采區(qū)含水層自上而下有新生界松散含水層、二疊系煤層砂巖裂隙含水層及深部灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。

圖1 淮南礦區(qū)水文地質(zhì)劃分

在井下實(shí)際生產(chǎn)期間，松散含水層不會(huì)造成威脅，而在煤巖巷掘進(jìn)期間，煤系砂巖水常以淋、滴水為主，通常也不會(huì)造成突水威脅。研究區(qū)內(nèi)A組煤層底部太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層由于水壓較高，且隔水層間距較小，對(duì)工作面開(kāi)采構(gòu)成的威脅較大。

同時(shí)區(qū)內(nèi)奧灰鉆孔揭露資料顯示，奧灰厚度65.4～68.9 m，區(qū)內(nèi)補(bǔ)勘鉆孔抽水試驗(yàn)資料顯示，單位涌水量q為0.000 46～0.000 70 L/(s·m)、滲透系數(shù)K為0.000 63～0.000 97 m/d，富水性弱。通常在沒(méi)有垂向?qū)ǖ阑蛳萋渲l(fā)育區(qū)域內(nèi)，奧灰水與上部太灰水之間的水力聯(lián)系較弱。

2 研究區(qū)灰?guī)r疏放性試驗(yàn)

為查明南-1煤采區(qū)C3Ⅰ組灰?guī)r含水層巖溶發(fā)育、富水性、滲透性等特征及其空間變化規(guī)律，查明C3Ⅰ組灰?guī)r含水層與下部相鄰含水層C3Ⅱ組、C3Ⅲ組灰?guī)r含水層以及奧陶系和寒武系灰?guī)r含水層之間水力聯(lián)系，確保受灰?guī)r水影響礦區(qū)A組煤層安全開(kāi)采，顧北煤礦先后在南-1煤采區(qū)對(duì)C3Ⅰ組灰?guī)r含水層實(shí)施兩期多階段井下灰?guī)r群孔放水試驗(yàn)工程[8]。

第一期放水試驗(yàn)于2020年3月、12月分兩階段在13121運(yùn)輸巷底抽巷開(kāi)展井下C3Ⅰ組灰?guī)r群孔放水試驗(yàn)。試驗(yàn)實(shí)施期間(2020年3月20日-29日、2020年12月7-23日)利用地面27個(gè)水位觀測(cè)孔、129個(gè)灰?guī)r鉆孔對(duì)C3Ⅰ組灰?guī)r含水層的疏放情況進(jìn)行研究分析。

通過(guò)收集放水試驗(yàn)過(guò)程中水位、水壓及水溫變化資料，表明淺部灰?guī)r含水層與試驗(yàn)區(qū)域深部灰?guī)r含水層之間水力聯(lián)系不密切，采區(qū)A組煤底板灰?guī)r含水層以靜儲(chǔ)量為主，巖溶裂隙不發(fā)育，C3Ⅰ 組含水層與下部灰?guī)r含水層之間的補(bǔ)給和徑流條件較差，C3Ⅰ 組含水層具有“衰減快、易疏放”的特點(diǎn)。

2021年4-5月開(kāi)展了顧北煤礦南-1煤采區(qū)第二期群孔放水試驗(yàn)，本次放水試驗(yàn)選取37個(gè)試驗(yàn)孔，其中井下放水及測(cè)壓孔24個(gè)，包含13121運(yùn)輸巷底抽巷C3Ⅰ組灰?guī)r疏放水孔1個(gè)，地面灰?guī)r水位觀測(cè)孔13個(gè)。地面觀測(cè)孔的位置分布如圖2所示。

圖2 地面觀測(cè)孔位置分布

在對(duì)井下灰?guī)r鉆孔進(jìn)行疏放試驗(yàn)期間，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地面灰?guī)r觀測(cè)孔水位變化情況，如圖3～圖5所示，井下灰?guī)r疏放水體主要為C3Ⅰ組灰?guī)r水體，在疏放及恢復(fù)過(guò)程中，采區(qū)內(nèi)C3Ⅲ組、奧陶系、寒武系灰?guī)r組水體水位未有明顯變化。此現(xiàn)象分析認(rèn)為：采區(qū)內(nèi)C3Ⅰ組灰?guī)r水體與深部奧陶系、寒武系灰?guī)r水體之間未存在水力聯(lián)系，同時(shí)反映采區(qū)地面區(qū)域探查治理工程效果顯著，成功封堵了C3Ⅰ組灰?guī)r水體與深部C3Ⅲ組、奧灰含水層水體之間的垂向裂隙通道。

圖3 C3Ⅰ組灰?guī)r含水層水位曲線

圖4 C3Ⅱ及C3Ⅲ組灰?guī)r含水層水位曲線

圖5 奧灰和寒灰含水層水位曲線

3 研究區(qū)地面區(qū)域探查治理

從注漿設(shè)計(jì)原則中鉆孔間距的合理性角度進(jìn)行研究分析，運(yùn)用COMSOL Multiphysic數(shù)值模擬不同注漿參數(shù)下水泥漿液在灰?guī)r地層中的擴(kuò)散規(guī)律[9-10]。本次研究注漿參數(shù)以注漿壓力7 MPa，粘度系數(shù)0.008 Pa·s，水灰比1.9為基準(zhǔn)，通過(guò)修改注漿壓力P、粘度系數(shù)μ和水灰比R等參數(shù)，羅列出4種工況進(jìn)行注漿模擬分析，具體情況見(jiàn)表1。不同工況條件下漿液擴(kuò)散模擬如圖6所示。

表1 不同工況條件下的注漿模擬

圖6 不同工況條件下漿液擴(kuò)散模擬

圖6中棕色區(qū)域?yàn)闈{液充填完全密實(shí)區(qū)，其范圍外有一層半密實(shí)區(qū)漿液擴(kuò)散圈層，再往外延伸至無(wú)壓區(qū)。當(dāng)漿液擴(kuò)散至半密實(shí)區(qū)邊緣時(shí)，注漿壓力顯著降低，注漿效果較差，在密實(shí)區(qū)范圍時(shí)，注漿壓力較大，巖層中的裂隙被漿液完全充填，注漿效果較好。

通過(guò)對(duì)以上4種工況條件進(jìn)行模擬分析，探究出注漿參數(shù)與漿液有效擴(kuò)散半徑之間的關(guān)系，為實(shí)際地面區(qū)域治理工程中注漿參數(shù)選擇提供一定的理論指導(dǎo)。本次研究的各種工況條件下漿液有效擴(kuò)散半徑見(jiàn)表2。

表2 漿液擴(kuò)散半徑數(shù)值模擬結(jié)果 m

由注漿工程質(zhì)量分析結(jié)果可知，采區(qū)內(nèi)所有注漿孔壓力均在7.0 MPa以上，注漿孔間距為60 m。漿液擴(kuò)散范圍數(shù)值模擬結(jié)果顯示，注漿壓力為7.0 MPa時(shí)，巖體漿液有效擴(kuò)散半徑為30 m以上，并且隨著注漿壓力的增大，漿液擴(kuò)散半徑呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)；粘度系數(shù)與漿液擴(kuò)散半徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即粘度系數(shù)越小，擴(kuò)散半徑越大；水灰比與漿液擴(kuò)散半徑呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。綜合以上4種工況分析：注漿壓力對(duì)注漿擴(kuò)散半徑的影響最為明顯，粘度系數(shù)次之，水灰比影響最小。

由于地面區(qū)域治理期間實(shí)際注漿參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要高于以上4種工況條件的標(biāo)準(zhǔn)，因此能夠滿足13521工作面底板探查治理工程中注漿鉆孔間距60 m的要求，其鉆孔設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

4 研究區(qū)井下綜合驗(yàn)證

地面區(qū)域探查及注漿治理結(jié)束后，利用井下鉆探和物探相結(jié)合的方法對(duì)采區(qū)底板灰?guī)r治理效果進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)。

4.1 井下綜合物探

采區(qū)內(nèi)工作面回采前煤礦開(kāi)展了多種物探工程，如三維電法、音頻電透視法及瞬變電磁法綜合探查煤層底板以下60 m范圍內(nèi)的相對(duì)低阻異常區(qū)分布情況，綜合分析后共發(fā)現(xiàn)11處低阻異常區(qū)，分別為13121工作面D-YC1～D-YC4、13321工作面D-DZ1～D-DZ6及13521工作面D-DZ1。富水異常區(qū)具體位置如圖7所示。

圖7 采區(qū)底板物探綜合富水異常區(qū)分布

4.2 井下鉆孔驗(yàn)證

工作面相關(guān)物探施工結(jié)束后，通過(guò)施工井下定向長(zhǎng)鉆孔方式對(duì)地面區(qū)域注漿治理效果及物探富水異常區(qū)情況進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔終孔層位為C35灰?guī)r含水層。鉆孔施工至終孔層位后，部分鉆孔無(wú)水，其余出水鉆孔的出水量小，單孔最大出水量小于3.0 m3/h。

5 結(jié)論

礦井以“先探查后治理，治理評(píng)價(jià)合格后開(kāi)采”的原則，先后開(kāi)展了地面和井下綜合物探和鉆探工程，對(duì)南-1煤采區(qū)底板灰?guī)r水害進(jìn)行治理，并得出以下結(jié)論：

(1)C3Ⅰ組灰?guī)r含水層為A組煤開(kāi)采的直接充水水源，通過(guò)井下疏放水試驗(yàn)表明淺部C3Ⅰ組灰?guī)r含水層與下部灰?guī)r含水層之間水力聯(lián)系不密切，C3Ⅰ組灰?guī)r含水層以靜儲(chǔ)量為主、補(bǔ)給差，具有可疏放性的特點(diǎn)。

(2)井下綜合物探和鉆探成果表明，井下出水驗(yàn)證鉆孔的水源不是來(lái)自于深部C3Ⅲ組和奧灰含水層。地面區(qū)域治理后，有效阻隔深部C3Ⅲ組和奧灰含水層與上部灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系，注漿效果較好。

(3)地面區(qū)域探查治理技術(shù)克服了井下水害治理空間局限的問(wèn)題，地面多分支定向水平鉆孔探查治理技術(shù)逐漸成熟并推廣為我國(guó)煤礦深部灰?guī)r水害防治提供技術(shù)支撐。