礦井煤層底板承壓水防治措施與應用研究

鐘 凱，雷薪雍，王 濤

(1.榆林職業(yè)技術學院，陜西 榆林 719000； 2.神府開發(fā)區(qū)海灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000)

隨著我國社會經濟總量的不斷提升，對煤炭資源的需求量也越來越高[1]。我國煤礦主要位于地下，在進行煤礦開采過程中不可避免地會涌現(xiàn)出很多地下水[2]。地下水如果不加以有效防治，輕則會對煤礦開采過程造成不利影響，制約煤礦開采效率的提升，嚴重時可能引發(fā)煤礦安全事故，威脅工作人員的安全[3]，做好防治水害工作是所有礦井面臨的重要問題。基于此，有必要結合實際情況對礦井突水機理及相關防治技術進行深入分析和研究[4]。針對該問題，國內外很多學者和技術人員開展了廣泛的研究并取得了很多實踐成果，為礦井防治水害工作的不斷推進奠定了良好的基礎[5]。本文主要以某煤礦為例，分析了礦井防治水害的基本情況，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

1 礦井基本情況概述

1.1 井田特征及主要水體

井田的南北走向長度2.7 km，東西走向長4.5 km，井田面積將近10 km2。當前已經批準多個煤層可以開采，每年開采得到的煤礦資源達到了150萬t。然而在煤礦開采過程中，礦井內涌出了大量地下水，正常情況下的涌水量達到了333.5 m3/h，嚴重時涌水量可以達到683.5 m3/h。

基于地理分析發(fā)現(xiàn)，該井田周圍主要的大型水體有3個：第1條河流處在礦區(qū)的南邊，在井田范圍內由西向東北方向流動，查閱水文資料可知河流最低的流量為0.000 6 m3/s，而實際測量發(fā)現(xiàn)洪峰流量達到了80 m3/s；第2條河流在礦區(qū)的西南側，距離礦區(qū)約10 km，查閱資料發(fā)現(xiàn)該河流曾經出現(xiàn)過斷流現(xiàn)象，實際測量的洪峰流量達到了251 m3/s；第3個為水庫，處在礦井附近，是礦井地表水的重要來源，水庫的壩頂長度為126 m，壩高為19 m，水庫的總體容量和有效容量分別為104×194 m3和104×150 m3。

1.2 水文地質特征

本文主要以11100掘進工作面為例，闡述礦井煤層底板承壓水防治措施及實踐應用效果。

(1)煤層底板含水層。底板主要包含3層含水層：①中澳陶統(tǒng)灰?guī)r含水層。主要包括泥質灰?guī)r和白云質灰?guī)r等，該含水層與11100掘進工作面煤層底板之間的距離在118.3～142.6 m，內部包含有很多裂隙并且出現(xiàn)了一定程度的發(fā)育。經過探測發(fā)現(xiàn)，其滲透系數(shù)為0.7 m/d，穩(wěn)定狀態(tài)下其水位標高為+87 m；②下段灰?guī)r含水層。該含水層主要由L2、L3灰?guī)r等部分構成，其中L2灰?guī)r的發(fā)育相對較好，平均厚度大約為15 m。與11100掘進工作面底板之間的距離在89.3～104.4 m。經地質探測發(fā)現(xiàn)，其水位標高為+86.2 m，滲透系數(shù)為9.88 m/d，屬于富水層；③上段灰?guī)r含水層。該含水層主要由L7、L8、L9灰?guī)r等部分構成，其中L8灰?guī)r整體上發(fā)育相對較好，其平均厚度為8.75 m，巖溶裂隙出現(xiàn)了一定程度發(fā)育。經過地質勘探發(fā)現(xiàn),其滲透系數(shù)在9.8～11.0 m/d，與11100掘進工作面底板之間的距離在24.0～36.9 m。煤層底板主要含水層及其位置關系如圖1所示。

圖1 煤層底板主要含水層及其位置關系示意Fig.1 Schematic diagram of main aquifers in coal seam floor and their positional relationship

(2)煤層底板主要隔水層。底板主要包含3層隔水層：①鋁質泥巖隔水層。該隔水層位于中奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層和下段灰?guī)r含水層中間，整個區(qū)域范圍內都出現(xiàn)了明顯的發(fā)育。其厚度為2.8～ 28.9 m，平均厚11.8 m，性質較為穩(wěn)定，隔水性能相對較好，但是在局部厚度較小并且構造不穩(wěn)定的區(qū)域其隔水性能會有所下降。②中段砂泥巖隔水層。該隔水層位于下段灰?guī)r含水層和上段灰?guī)r含水層中間，主要由泥巖、砂巖和灰?guī)r等部分構成，厚度28.9～ 53.3 m，可以阻斷L2灰?guī)r和L8灰?guī)r之間的水聯(lián)系。③砂泥巖隔水層。該隔水層位于上段灰?guī)r含水層和煤層底板之間，主要由細粒砂巖構成，還包含有部分黑色塊狀泥巖，厚24.0～ 39.9 m，平均厚度31.9 m。通常情況下，該隔水層可以很好地阻斷底板地下水進入到煤層工作面中。

2 井田水文地質鉆孔實測結果分析

為了對11100掘進工作面的水文地質情況進行研究，在整個工作面共布置了22個鉆場，部分鉆場布置多個鉆孔，整個工作面共完成鉆孔25個。11100采掘工作面鉆孔的布置情況如圖2所示，由圖2可知，鉆孔主要布置在工作面的運輸巷中。

圖2 11100掘進工作面鉆孔的布置情況Fig.2 Layout of boreholes in 11100 tunneling face

11100掘進工作面鉆孔數(shù)據(jù)及結果統(tǒng)計情況見表1。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，19號鉆場的23號鉆孔的承壓值最大，達到了0.76 MPa。經過前期開展的大量地質勘查發(fā)現(xiàn)，11100掘進工作面所處的地質以寒武系灰?guī)r和石炭系灰?guī)r為主，但2種灰?guī)r之間的水聯(lián)系相對較少。寒武系灰?guī)r包含有大量的地下水，并且呈現(xiàn)出縱向、孤立的分布特點，橫向的連續(xù)性相對較差，相互之間不連通。

表1 11100采掘工作面鉆孔數(shù)據(jù)及結果統(tǒng)計Tab.1 Drilling data and result statistics of 11100 mining face

通過對工作面鉆孔結果數(shù)據(jù)的研究，并結合已有的文獻資料發(fā)現(xiàn)，11100掘進工作面的水文地質情況可以劃分為2個區(qū)域，分別為簡單區(qū)域(突水威脅區(qū))和復雜區(qū)域(突水危險區(qū))。復雜區(qū)域通過鉆孔發(fā)現(xiàn)包含有很多水，涌水量相對較大，且水壓很大，灰?guī)r之間的水具有很好的連通性。簡單區(qū)域通過鉆孔發(fā)現(xiàn)涌水量相對較小，徑流和水壓都較小，灰?guī)r之間的水均呈現(xiàn)出孤立狀態(tài)，相互之間不聯(lián)通。

3 礦井煤層底板突水機理和危險性分區(qū)

3.1 突水機理分析

掌握礦井煤層底板發(fā)生突水的原因是對其進行治理的基礎和前提。煤層附近的圍巖可以分為不同的富水區(qū)，不同區(qū)域存在隔水巖層將其進行隔離，相互之間不連通。但是在掘進過程中，設備會對附近的圍巖造成擾動，再加上靜水壓力的綜合作用，會導致隔水巖層產生裂縫并不斷變粗變長[6]。縫隙的不斷變粗變長會導致隔水巖層的強度降低，當靜水壓力超過了巖層強度時，會導致巖層徹底破裂，從而導致2個富水區(qū)連通，最終大量的水從底板涌入工作面[7]。

基于流體力學理論可知，縫隙水流從底板突出時，其水流可以近似成為2種形式的組合，分別為剪切流和壓差流[8]。但是在不同時期2種水流的主導地位存在一定程度的差異。在突水形成剛開始階段，壓差流占主要地位，在突水后期則是剪切流占主導地位。

3.2 突水危險性分區(qū)

關于礦井煤層底板發(fā)生突水的臨界標準，我國學者和技術人員開展了很多研究，目前普遍通過突水系數(shù)來評判突水的危險性。突水系數(shù)描述的是單位隔水巖層能夠承受的最大極限靜水壓力，實踐中可以用下述公式進行計算：Ts=P/(M-Cp)。式中，Ts為突水系數(shù)，P和M分別為隔水巖層的承壓值和厚度；Cp為底板采動造成的破壞帶深度。

根據(jù)突水系數(shù)計算值的大小，可以按照發(fā)生突水的概率，將整個工作面區(qū)域劃分成為3種類型，即突水安全區(qū)、突水危險區(qū)和突水威脅區(qū)。①突水安全區(qū)，表示隔水巖層的強度能夠承受靜水壓力的作用，這部分區(qū)域基本不會發(fā)生突水的危險；②突水威脅區(qū)，表示隔水巖層的抗壓強度與實際靜水壓力之間數(shù)值相接近，特殊情況下有發(fā)生突水的可能性，根據(jù)突水系數(shù)計算結果，將突水系數(shù)在0.06 MPa/m的區(qū)域稱之為突水威脅區(qū)；③突水危險區(qū)，該區(qū)域表示隔水巖層的強度值比靜水壓力值要小很多，發(fā)生突水的概率非常大，危險性相對較高，實際計算中將突水系數(shù)不小于0.06 MPa/m的區(qū)域稱為突水危險區(qū)。

11100掘進工作面不同標高部位的突水系數(shù)計算結果如圖3所示。由圖3可知，11100掘進工作面底板位于不同標高時，計算得到的突水系數(shù)存在很大的差異。底板標高為-450、-500、-550 m時，突水系數(shù)分別為0.007、0.029、0.051 MPa/m，這些突水系數(shù)均沒有超過0.06 MPa/m，所以這些區(qū)域全部為突水威脅區(qū)；當工作面底板標高為-600、-650 m時，對應的突水系數(shù)分別為0.073、0.096 MPa/m，這些突水系數(shù)均超過了0.06 MPa/m，所以這些區(qū)域全部屬于突水危險區(qū)。

圖3 工作面底板不同標高部位的突水系數(shù)Fig.3 Water inrush coefficient at different elevations of working face floor

4 防治措施

4.1 礦井綜合探測技術方法

本研究中使用的礦井綜合探測技術方法如圖4所示。

圖4 礦井綜合探測方法Fig.1 Comprehensive mining method

共使用探放水專用鉆機12臺，分為2種型號(ZLJ1600型和ZLY537型)，另外還使用了磁電流量儀、瑞利波探測儀、高分辨電法儀和音頻儀各1臺。以上這些先進的儀器設備為礦井綜合探測工作奠定了良好的基礎。

在采掘工作面開口部位開始進行物探，工作面每推進70 m開展一次物探工作，物探有效距離需要嚴格控制在100 m范圍以內，超前距需要控制在30 m以上。在進行超前物探過程中，如果發(fā)現(xiàn)存在低阻異常情況需要停止掘進，應該先通過超前鉆探對前方地質情況進行檢測，驗證無危險后再繼續(xù)掘進[9]。如果驗證后發(fā)現(xiàn)前方確實存在富水區(qū)，應結合實際情況補充疏水降壓鉆孔。礦井綜合探測流程圖如圖5所示。

圖5 礦井綜合探測流程Fig.5 Flow chart of comprehensive mine exploration

4.2 礦井水害隱患分析及水文水害預報編制

礦井中安排了專門的礦井水害防治人員。工作人員應該結合已有的工作面地質和水文地質資料，結合工作面的實際地質勘查情況，分析礦井煤層工作面可能存在的水害隱患，在此基礎上制定水文水害預報。預報中需要明確工作面中存在的充水水源，并對潛在的涌水量進行理論計算，以上工作嚴格根據(jù)《煤礦防治水細則》執(zhí)行。由于11100掘進工作面經過前期分析認為存在水害威脅，在掘進施工過程中必須根據(jù)前期設計的防治水方案執(zhí)行。針對工作面實施超前物探或者鉆探，提前掌握掘進工作面前方的基本情況，并提前采取措施解決水害隱患，避免工作面涌水量過大威脅礦井安全。必須由地質探測人員確認安全后，才可以進行掘進施工。

4.3 疏水降壓技術

根據(jù)前期勘探數(shù)據(jù)結果，按照水文水害危險程度，可以將整個工作面的水文水害情況劃分成為3個區(qū)域，即突水危險區(qū)、突水威脅區(qū)和安突水安全區(qū)，以上3個區(qū)域的危險程度依次降低。針對不同的區(qū)域需要采用不同的處理措施，其中安全區(qū)無需采取特殊的措施。對于突水威脅區(qū)和危險區(qū)，構建完善的排水系統(tǒng)是確保疏水降壓工作順利推進的前提和基礎。

本文所述礦井的主排水系統(tǒng)設置在-450 m的部位，設計的水倉容量大小超過了1萬m3。共設置了5臺水泵，水泵型號為MD580-60×9，其中2臺水泵處于工作狀態(tài)，2臺水泵處于備用狀態(tài)，1臺水泵處于檢修狀態(tài)，所有水泵采用雙供電線路，通過冗余供電確保設備運行過程的可靠性。排水管路用厚14 mm、直徑377 mm的無縫鋼管，共設置了4條管路，其中2條管路處于工作狀態(tài)，2條管路處于備用狀態(tài)。經過前期測試發(fā)現(xiàn)，排水系統(tǒng)的最大排水能力和正常排水能力分別為2 100、1 080 m3/h，可以滿足實際使用需要。

另外，在11100掘進工作面中設置了完善的排水系統(tǒng)，工作面排水倉與礦井排水系統(tǒng)連接。工作面排水倉中使用2臺200D-43×3型電機，所有電機采用雙回路進行供電。

4.4 底板注漿加固技術

煤層厚度在3.83～ 9.98 m，平均厚6.17 m。煤層的平均埋藏深度大約為550 m，水頭壓力大約為7.6 MPa，經過計算分析，突水危險區(qū)的突水系數(shù)達到了0.096 MPa/m。隨著科學技術水平的不斷提升，不同時期礦井工作面底板的注漿加固工藝在不斷發(fā)生變化。

根據(jù)傳統(tǒng)的底板注漿加固工藝，如果掘進工作面的高度為3 m時，需要注漿加固的深度為60 m，如果掘進工作面的高度為5.5 m時，那么對應的加固深度需要控制在82 m，進行鉆孔注漿時，孔間距需要設置為50 m，注漿過程中壓力控制在15 MPa。王偉東等在對新橋煤礦進行防治水工作時，結合實際情況創(chuàng)新設計了方格網(wǎng)布孔注漿法(圖6)。這種注漿加固工藝方法突破了傳統(tǒng)的主要根據(jù)實踐經驗來設置注漿工藝的局面，使注漿加固效率和效果均得到了很大的提升[10]。

圖6 煤層底板的注漿加固技術示意Fig.6 Schematic diagram of grouting reinforcement technology for coal seam floor

本文所述的煤礦工作面整體上呈現(xiàn)出水壓大、富水性強以及隔水層薄等不良特征，給防治水工作帶來了比較大的難度。結合煤礦工作面底板實際情況，基于傳統(tǒng)的注漿加固工藝，設計研究了注漿加固藝方法。具體如下：為了提升制得的漿液的可注性，采用分散制漿機來獲得漿液；另一方面，為了避免注漿過程中發(fā)生堵塞或者其他問題，采用多路輸漿管進行注漿，結合不同位置實際情況設計了二級和三級套管結構，通過這種措施可以在很大程度上提升管道的強度，防止發(fā)生噴射問題。

二級和三級套管結構如圖7所示，通過這種反復透管注漿的方式，能在一定程度上提升注漿效果。單孔注漿結束的標準如下：在保證注漿壓力控制在15 MPa基本不變的情況下，如果注漿量不超過30 L/min，并且這種狀態(tài)持續(xù)20 min以上，凝固時間超過30 h以上才能夠透孔，通現(xiàn)檢測發(fā)現(xiàn)實際的涌水量不超過5 m3/h。達到以上所有標準才視為注漿工藝合格；如果達不到上述標準，則需要進行反復注漿，直到達到以上標準為止。

圖7 二級和三級套管結構的示意Fig.7 Schematic diagram of secondaryand tertiary casing structure

5 治理效果分析

在對礦井煤層底板承壓水進行深入分析的基礎上，提出了對應的防治水技術方案，并將其應用到煤礦開采工程實踐中，取得了較好的應用效果。以11100掘進工作面為例，目前在該工作面累積的疏放水量達到了2萬m3，工作面底板的鉆孔承壓值由最大時的0.76 MPa降低到了0，有效解決了底板突水對煤礦掘進過程構成的威脅，保障了煤礦生產的安全性。截至目前，該煤礦所有工作面均沒有出現(xiàn)明顯的底板突水問題，說明本文所述的防治水技術方案是科學、有效的，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

6 結論

以煤層底板承壓水防治為研究對象，在介紹煤層圍巖基本屬性的基礎上，分析了底板出現(xiàn)突水的機理，并提出了底板突水的防治措施。

(1)井田附近有三大水源，是導致地下水豐富的原因。通過探測發(fā)現(xiàn)煤層底板以下主要包含3個含水層和3個隔水層。在掘進擾動及靜水壓力的綜合作用下，隔水層發(fā)生破裂是導致底板突水的根本原因。

(2)利用理論方法對11100掘進工作面不同區(qū)域的突水風險程度進行計算分析，發(fā)現(xiàn)比-550 m淺的區(qū)域主要為突水威脅區(qū)存在突水的風險，比-600 m深的區(qū)域主要為突水危險區(qū)，發(fā)生底板突水的概率非常大。

(3)基于綜合探測技術、疏水降壓技術和注漿加固技術對礦井的水害進行防治，實踐發(fā)現(xiàn)取得了較好的應用效果，整個采掘過程中工作面沒有發(fā)生明顯的突水問題，有效保障了礦井的生產安全。