二3-13170工作面水害綜合治理技術(shù)研究與應(yīng)用

王菲

（河南平禹煤電有限責(zé)任公司一礦，河南 禹州 461670）

1 概況

1.1 工作面概況

平禹一礦二3-13170采面位于三采區(qū)東翼，北臨二3-15040采空區(qū)和二1-15040采空區(qū)，東部為五采區(qū)回風(fēng)下山，西臨三采區(qū)皮帶下山，南部為未開采區(qū)域。采面對應(yīng)地面為莊稼地。采面標(biāo)高-370～-480 m，地面標(biāo)高+128～+138 m，埋深498～618 m。采面可采走向長1 070 m，平均斜長167 m，面積164 780 m2。煤層傾角平均29°，煤厚平均1.8 m，預(yù)計可采儲量0.354 Mt，采面煤層賦存相對穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單。工作面風(fēng)巷西段460 m采用錨桿+錨索支護(hù)，其余為U型鋼支護(hù)，機(jī)巷采用錨桿、錨索支護(hù)，采煤方法為走向長壁后退式，綜采工藝回采，全部跨落法管理頂板。

1.2 煤層底板含水層情況

煤層底板主要含水層有三層，由上至下分別為：寒武系上統(tǒng)灰?guī)r含水層、太原組下段灰?guī)r含水層以及太原組上段灰?guī)r含水層。

（1）寒武系上統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層

寒武系上統(tǒng)（包含固山組、長山組、鳳山組）巖性為灰白色白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖夾薄層泥巖，平均厚度192 m。該層上距二l煤80 m左右，巖溶裂隙發(fā)育，為含水豐富但不均一的強(qiáng)含水層，為二l煤層底板間接充水含水層。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組下段灰?guī)r巖溶裂隙含水層

由四層深灰色灰?guī)r（L1-4）組成，L4上距二l煤層42 m，是二l煤層底板間接充水含水層，本段厚度10.88～27.40，平均為13.00 m。

（3）石炭系上統(tǒng)太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙含水層

主要由L5～L11七層深灰色隱晶質(zhì)石灰?guī)r組成，夾砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，該段厚20～37 m，一般厚度27 m，該層上距二l煤層一般12～16 m，富水性弱，導(dǎo)水性弱～中等，是二l煤層底板直接充水含水層。

1.3 工作面不安全因素

目前，機(jī)巷和風(fēng)巷已經(jīng)貫通，切眼尚在掘進(jìn)之中。影響工作面安全生產(chǎn)的水文地質(zhì)問題主要是：

（1）工作面最低點(diǎn)運(yùn)輸聯(lián)巷處標(biāo)高-480 m，二3-13170采面附近泄水巷1#鉆場實測寒灰水位-200 m，作用在工作面煤層底板的寒灰?guī)r溶承壓水的水壓為2.8 MPa，帶壓開采存在底板巖溶水突水問題。

（2）二3-13170工 作 面 風(fēng) 巷 布 置 于 原 二1-15040工作面機(jī)巷下側(cè)，且二1-15040機(jī)巷呈下山布置，經(jīng)分析采空區(qū)內(nèi)存在積水，積水上限標(biāo)高-357.19 m，下限標(biāo)高-394.37 m，積水量約13 770 m3，對二3-13170工作面安全生產(chǎn)有很大威脅。

工作面安全生產(chǎn)的潛在水害問題是：帶壓開采條件下，煤層底板寒灰水通過底板采動破壞裂隙和隱伏導(dǎo)水通道向礦井充水，以及存在老空水害威脅，所以有必要對工作面水害采取綜合治理技術(shù)，以確保工作面的安全生產(chǎn)。

2 水害綜合治理技術(shù)介紹

二3-13170工作面水害綜合治理技術(shù)主要包括：先對工作面進(jìn)行物探探測，然后根據(jù)物探情況，進(jìn)行底板注漿加固，注漿加固工程結(jié)束后采用物探及鉆探驗證檢驗底板注漿效果；同時對相鄰工作面老空水害通過施工探放水鉆孔及驗證孔對老空水進(jìn)行疏放；最后在該采面建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)水害實時監(jiān)測預(yù)警，確保采面安全回采［1-2］。

3 具體實施步驟

3.1 水害治理技術(shù)

（1）物探探測技術(shù)［3］

為查明二3-13170工作面煤層底板太灰和寒灰的富水性，于2022年2月12日～17日，委托平禹煤電公司物探隊對工作面底板含水層進(jìn)行了瞬變電磁物探。探測時機(jī)、風(fēng)巷均停電，探測條件滿足要求。共取得測線11條，130個點(diǎn)位，共計42 900組物探數(shù)據(jù)，數(shù)量和質(zhì)量滿足探測要求。物探結(jié)果確認(rèn)，二3-13170工作面煤層底板太灰L7-8灰?guī)r、L1-3灰?guī)r和探測深度內(nèi)的寒灰整體富水性弱，僅局部存在富水性略強(qiáng)的相對富水區(qū)。

（2）注漿加固技術(shù)實施［4］

①注漿加固工程的原則。對二3-13170工作面采取“前期全面布孔超前疏放，中期物探檢驗，后期重點(diǎn)加固”的原則，即在二3-13170機(jī)巷掘進(jìn)期間，每隔150 m施工一個疏放水鉆場，通過疏放水，降低該工作面承壓水水頭高度，待工作面貫通前再對有水鉆孔進(jìn)行注漿加固封孔；工作面貫通后立即對工作面底板進(jìn)行全面物探探測；后期再針對物探異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)加固；異常區(qū)加固完成后，首先進(jìn)行物探驗證，然后施工鉆探檢驗孔，對異常區(qū)域進(jìn)行驗證。驗證鉆孔數(shù)量應(yīng)根據(jù)異常區(qū)大小確定，但不得少于2個，且終孔間距不得大于30 m，待異常區(qū)全部消除后，方可進(jìn)行回采。

②注漿層位。

一般太原組下段灰?guī)r富水性弱，寒武系灰?guī)r富水性強(qiáng)，L1-3灰?guī)r位于太原組下段的下界面，所以選擇該層位作為注漿加固終孔層位。通過對底板注漿加固改造，減弱含水層富水性，增加底板隔水層厚度，并對裂隙進(jìn)行有效充填，進(jìn)一步降低水害威脅。

寒灰水位按照2022年2月28日各觀測孔的實測水位值以及繪制的水位等值線圖加以確定，二3-13170工作面寒灰水位為-200 m，工作面最低點(diǎn)位于設(shè)計停采線的機(jī)巷處，標(biāo)高為-480 m，則作用在煤層底板的水壓為2.8 MPa。二3煤底板至太灰下段灰?guī)r（L3頂界面）間隔水層平均值為67.7 m，至寒灰（頂界面）之間隔水層度平均值為87.7 m。在未對工作面底板地層進(jìn)行預(yù)注漿加固改造前，寒灰雖然是區(qū)域上的強(qiáng)含水層，但L1-3灰也是煤層底板的含水層，并與寒灰有較為密切的水力聯(lián)系。故隔水層按照二3煤底板至太灰下段灰?guī)r（L3頂界面）間地層厚度計算，其厚度為67.7 m。因此，突水系數(shù)為：

故對二3-13170工作面底板地層進(jìn)行預(yù)注漿加固改造。

根據(jù)二3-13170工作面底板地層注漿加固設(shè)計、實際工程布置及工程量、注漿加固效果檢驗等因素，注漿鉆孔設(shè)計深度及加固層位重點(diǎn)是L1-3灰，也包括L5灰和L7-8灰，一些進(jìn)入寒灰的鉆孔，對出水段或漏水段也進(jìn)行了注漿。對工作面煤層底板下的太原組灰?guī)r含水段或漏水段普遍進(jìn)行了注漿加固改造。在完成二3-13170工作面底板地層注漿加固工程后，二3煤底板下的地層已普遍成為隔水層，寒灰是未來影響安全生產(chǎn)的關(guān)鍵水源，二3煤至寒灰頂界面上的地層能起到阻隔寒灰水進(jìn)入礦井、工作面的作用，隔水層厚度可按87.7 m取值，寒灰水位仍取-200 m。突水系數(shù)為：

通過底板注漿加固改造后，底板隔水層厚度增加了20 m，降低了底板突水系數(shù)，確保了采面能夠安全回采。

③注漿加固范圍

根據(jù)二1-15040、二3-15040工作面采動影響范圍，并參考二1-15010工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，工作面底板受采動影響范圍為工作面風(fēng)巷、機(jī)巷向外約10 m以內(nèi)。根據(jù)《河南省煤礦防治水管理辦法》，要求煤層底板注漿加固及改造含水層的范圍必須超過回采工作面采動影響范圍外30 m，所以將二3-13170工作面底板注漿加固范圍確定為工作面風(fēng)巷、機(jī)巷向外40 m。

④注漿孔參數(shù)

注漿加固鉆孔參數(shù)根據(jù)“前期全面布孔、超前疏放，中期物探檢驗，后期重點(diǎn)加固”的原則進(jìn)行設(shè)計，鉆孔按照先施工巷道中間的，再施工兩邊的順序進(jìn)行施工，若遇地質(zhì)構(gòu)造區(qū)或富水區(qū)，對鉆孔參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

⑤注漿方式

一般采用全段連續(xù)注漿方式，分孔分次序連續(xù)灌注，直至達(dá)到終孔壓力為止，以最大量進(jìn)漿，最大范圍擴(kuò)散，最大限度地充填巖溶裂隙為目的。對初始水量大于100 m3/h的鉆孔，采取分段注漿，穿透含水層或構(gòu)造破碎帶，最終達(dá)到注漿終孔標(biāo)準(zhǔn)。相鄰鉆孔在含水層段間距小于50 m時，不得同時穿透含水層，以免串漿。若發(fā)現(xiàn)井下跑漿時可采取間歇注漿，間歇時間一般為24小時。

⑥單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及注漿效果檢驗

⑦注漿工程量

截至2022年3月27日，在二3-13170工作面機(jī)巷和風(fēng)巷已施工注漿孔55個，鉆孔工程量6 248 m，注漿量747 t。

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：實踐證明，黏土水泥漿注漿壓力越大，擴(kuò)散的范圍越大，對裂隙充填越飽滿，形成的結(jié)實體強(qiáng)度也就越高，但壓力超過一定限度時，容易造成巷道底鼓、跑漿。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為泵量40 L/min以下，孔口壓力不得低于水壓的2.5倍（7.8 MPa），持續(xù)時間為30 min以上。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)巷道底鼓或大量跑漿時，采用間歇法或調(diào)整漿液比重和注漿參數(shù)進(jìn)行封堵。

施工鉆孔注漿結(jié)束達(dá)到要求后，施工檢查孔進(jìn)行檢查，也可利用物探手段進(jìn)行檢測。

3.2 探放相鄰工作面老空水措施［5-6］

對與二3-13170工作面相鄰的二1-15040采面老空積水通過施工探放水鉆孔來消除老空水害的威脅。共施工24個探放水孔，鉆探工程量7 550.5 m，累計放水量15 524 m3，大于預(yù)計積水量13 000 m3。在風(fēng)巷西段施工的2個驗證孔，水量僅為1 m3/h。在二3-13170工作面回采期間，一直用排放二1-15040老空區(qū)的動水作為工作面補(bǔ)給水。

3.3 回采期間的水害預(yù)測預(yù)警措施

在二3-13170工作面回采期間，除繼續(xù)對寒灰水位和太灰水位繼續(xù)觀測外，還將安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)二3-13170工作面微震監(jiān)測設(shè)計，在風(fēng)巷、機(jī)巷各布置單軸檢波器12個，共布置24個檢波器，24通道。布置監(jiān)測分站2臺，風(fēng)巷、機(jī)巷各1臺（如圖1所示）。檢波器采用包圍方式布置，間距100 m。

圖1 二3-13170工作面微震監(jiān)控點(diǎn)及分站布置

通過微震監(jiān)測系統(tǒng)，精確地計算出微裂隙的破壞位置、能量以及可能影響的區(qū)域，實時監(jiān)測采動過程中工作面底板含水層破裂引起的微震信號，分析微震事件的空間展布，實現(xiàn)水害實時監(jiān)測預(yù)警，為工作面安全回采和防范水害提供依據(jù)。

4 實施效果

1）對二3-13170工作面煤層底板地層進(jìn)行了預(yù)注漿加固，截至2022年3月27日，在二3-13170工作面機(jī)巷和風(fēng)巷已經(jīng)施工55個注漿孔，鉆探工程量6 248 m，注漿量747 t。揭露L7-8灰?guī)r時出水鉆孔12個，單孔水量一般小于5 m3/h，最大出水量為10 m3/h。揭露L1-3灰?guī)r時出水鉆孔10個，單孔水量一般小于5 m3/h，最大出水量為15 m3/h。揭露寒灰鉆孔19個，最大水量僅8 m3/h。從單孔注漿量、單孔出水量、總注漿量等指標(biāo)來看，二3-13170工作面底板太灰和寒灰富水性均較差，與物探結(jié)論基本一致。另外通過采用瞬變電磁物探和鉆探兩種手段檢查驗證了注漿效果。因此，在正常條件下，寒灰水不會進(jìn)入工作面，不會對礦井的安全構(gòu)成威脅。

（2）對二3-13170工作面北鄰的二1-15040已采面的老空積水進(jìn)行了徹底探放，總放水量為15 524 m3，超出預(yù)計的13 000 m3積水量，消除了相鄰采面的老空積水的影響。

5 結(jié)語

通過對二3-13170工作面進(jìn)行物探，然后實施底板注漿加固以及對相鄰工作面老空水進(jìn)行探放、疏排，最后建立微震觀測系統(tǒng)的水害綜合治理技術(shù)，徹底消除底板水害及老空水害對工作面安全生產(chǎn)的威脅。該項目的成功應(yīng)用，使礦井在受底板水害及老空水害威脅的區(qū)域能順利布置采面，并做到安全生產(chǎn)，避免因治理措施不當(dāng)而造成水害事故的發(fā)生。同時該項目主要采用底板注漿加固以及建立微震觀測系統(tǒng)來確保采面安全回采，可為制定底板水害治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。