強(qiáng)徑流帶條件下深部山青開采水害治理技術(shù)研究與應(yīng)用

武文清

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056200）

0 引 言

孫莊礦井田位于邯邢水文地質(zhì)南單元黑龍洞泉域的西南部強(qiáng)徑流帶上，礦井東側(cè)為F6 邊界斷層，該斷層不僅對(duì)煤層破壞嚴(yán)重，且使大青含水層與奧灰含水層對(duì)接，兩含水層發(fā)生水力聯(lián)系，大青水獲得良好的補(bǔ)給條件和豐富補(bǔ)給水源。井田西側(cè)為奧陶系灰?guī)r出露區(qū)，主要接受大氣降水的補(bǔ)給。南部以坐標(biāo)點(diǎn)孫10、孫11、孫12、孫13 連線為界，北部以4032800 緯線為界，該線為孫莊礦與沙果園礦的邊界線。井田南北走向長(zhǎng)約5.5 km，東西寬約2.0 km，面積11.830 4 km2。基于礦井復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，2006 年，該礦委托中煤科工西安研究院對(duì)12661 深部山青試采工作面進(jìn)行井下底板注漿加固，經(jīng)打鉆驗(yàn)證底板注漿加固效果差，隨即終止了深部山青的開采。隨著資源的逐漸枯竭，為確保礦井的可持續(xù)發(fā)展，深部山青的開采已成為礦井迫在眉睫的重大問題。因此，如何能解決強(qiáng)徑流帶條件下深部山青開采的防治水難題，是孫莊礦防治水工作的重中之重。

1 薄層灰?guī)r區(qū)域治理的必要性

1.1 礦井開采歷史

孫莊采礦公司始建于1958 年8 月，1972 年10月1 日簡(jiǎn)易投產(chǎn)，是一個(gè)有著近50 a 開采歷史的老礦井。全礦井劃分為6 個(gè)采區(qū)，-45 m 水平以上4 個(gè)上山采區(qū)：一采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)、五采區(qū)；-45 m 水平以下2 個(gè)下山采區(qū)：四采區(qū)、六采區(qū)。

截止2021 年末，-45 m 水平以上的一、二、三、五采區(qū)上組煤已開采完畢，-45 m 水平以下的四、六采區(qū)2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)及-100 m 以上6 號(hào)煤已經(jīng)枯竭。全礦井剩余可采儲(chǔ)量332.3 萬t，其中受大青灰?guī)r水和奧灰水威脅的深部山青煤為247.2萬t，占全礦井可采儲(chǔ)量的74.4%。由于井田位于邯邢水文地質(zhì)南單元黑龍洞泉域的西南部強(qiáng)徑流帶上，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，只有解放深部山青資源，才能實(shí)現(xiàn)礦井的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 深部山青開采遇到的難題

2003 年孫莊礦為給河北省南部煤礦開采“下三層”煤層積累經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為礦井增加一定的資源儲(chǔ)量延長(zhǎng)礦井壽命，決定進(jìn)行深部山青煤層的試采工作。2003 年8 月，委托煤炭科學(xué)總院西安分院編制了《峰峰礦務(wù)局孫莊礦深部山青12661、12662 試采工作面防治水工程總體設(shè)計(jì)》，并負(fù)責(zé)深部山青工作面開采的全部防治水工程。2006 年8月12661 工作面掘進(jìn)工作完成后，于2006 年10 月開始進(jìn)行底板注漿施工，截至2007 年10 月，在12661 工作面共完成底板注漿加固鉆孔78 個(gè)，總進(jìn)尺5 692.38 m，注水泥5 415.62 t，發(fā)生費(fèi)用443.6 萬元。盡管投資巨大，但在施工的30 個(gè)鉆孔中，仍有12 個(gè)孔的單孔涌水量在120 m3/h 以上，其中38 號(hào)孔單孔涌水量達(dá)到240 m3/h。經(jīng)分析，主要原因?yàn)樗灸弦硪徊蓞^(qū)有多個(gè)小煤窯大青出水點(diǎn)，總出水量在13.0 m3/min 以上，形成動(dòng)水注漿，水泥漿液流動(dòng)較遠(yuǎn)，損失量較大，且該區(qū)大青含水層水文地質(zhì)條件復(fù)雜，存在明顯的各向異性，造成了底板注漿加固效果差。如再進(jìn)行12661 底板注漿加固改造，不僅投資巨大，而且很難達(dá)到治理效果。因此，終止了12661 工作面一切試采工作。

從上述治理深部山青情況分析，礦井深部開采表現(xiàn)出了與淺部開采不同的水文地質(zhì)規(guī)律，深部開采受雙重水害威脅，由于南翼地區(qū)水文地質(zhì)復(fù)雜，采取井下底板注漿加固的防治水措施是不可行的，礦井也未實(shí)現(xiàn)深部山青煤層的開采。

1.3 薄層灰?guī)r區(qū)域治理的必要性

礦井經(jīng)過近50 a 的開采，目前剩余可采儲(chǔ)量332.3 萬t，其中受大青灰?guī)r水和奧灰水威脅的深部山青煤為247.2 萬t，占全礦井可采儲(chǔ)量的74.4%，如不解放受水威脅的深部山青煤，礦井將面臨關(guān)閉的嚴(yán)峻局面。因此，盡快解放受水患威脅的深部山青煤，已成為礦井迫在眉睫的重大問題。

為了解決深部山青開采受雙重水害威脅的防治水難題，該礦決定采用地面區(qū)域治理的方法對(duì)大青灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿加固，使其改造為弱含水層或相對(duì)隔水層，阻斷了奧灰含水層對(duì)上伏薄層灰?guī)r的補(bǔ)給通道，增強(qiáng)了煤層底板的阻隔水能力，來解決礦井深部山青煤層開采受雙重水害威脅的難題。

2 12661 深部山青試采工作面情況

2.1 工作面概況

12661 試采工作面位于井下六采區(qū)向斜軸西翼，西至運(yùn)料巷與南大巷相鄰，北至停采線與孫莊村煤柱相鄰，南至切眼與向斜軸相鄰，東至運(yùn)輸巷與-200 m 等高線相鄰，附近無其它采掘情況。對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高+191.2—+222.4 m，起伏不平，沖溝發(fā)育。

12661 試采工作面掘進(jìn)過程中共揭露8 條斷層，落差0.5 ～1.5 m，均對(duì)回采生產(chǎn)有一定影響。工作面開采標(biāo)高為-103—-196 m，煤巖傾角16°～31°，平均傾角23°，平均厚度1.3 m，下距大青灰?guī)r含水層約40 m，距奧灰含水層約70 m（圖1）。工作面走向長(zhǎng)約720 m，傾向?qū)捈s135 m，可采儲(chǔ)量19.3 萬t。

圖1 12661 工作面下伏含水層柱狀圖Fig.1 Columnar diagram of underlying aquifer in No.12661 Face

2.2 采取防治水措施

（1） 地面區(qū)域治理。

12661 試采工作面地面區(qū)域治理工程于2017年11 月施工，2020 年5 月完工，共施工2 個(gè)主孔，24 個(gè)水平分支孔，治理層位大青灰?guī)r，水平孔間距40 m。共計(jì)鉆探工程量17 642.72 m，探查漏失點(diǎn)89 個(gè)，注漿量53 398.27 t。

（2） 采前綜合物探。

根據(jù)瞬變電磁、音頻電透視、無線電波坑道透視探測(cè)結(jié)果，該工作面影響范圍內(nèi)共圈定3 處相對(duì)低阻異常區(qū)。針對(duì)3 處相對(duì)低阻異常區(qū)，施工9 個(gè)驗(yàn)證鉆孔，未發(fā)現(xiàn)異常。

（3） 工作面區(qū)域治理驗(yàn)證孔。

為了驗(yàn)證地面區(qū)域治理效果，在井下對(duì)12661試采工作面及其外圍煤層底板進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，完成大青鉆孔49 個(gè)，鉆探工程量4 667.3 m，注水泥139.05 t。鉆孔水量0.18 ～8.1 m3/h，水壓0.1～1.9 MPa，水位-150 ～43.7 m，經(jīng)鉆探正式工作面底板大青灰?guī)r含水層得到了有效治理，由強(qiáng)含水層改造為弱含水層。

2.3 取得成效及認(rèn)識(shí)

（1） 取得成效。

經(jīng)地面區(qū)域治理后，將大青灰?guī)r含水層改造為弱含水層或相對(duì)隔水層，實(shí)現(xiàn)了礦井深部山青開采防治水技術(shù)的突破。12661 深部山青煤試采工作面于2022 年8 月安全回采結(jié)束，安全采出煤量19萬t。

（2） 深部山青防治水工作。

雖然工作面進(jìn)行了地面區(qū)域治理，但在回采過程中仍發(fā)生了一定程度的出水，目前工作面穩(wěn)定涌水量1.4 m3/min。分析原因主要為，基于礦井南翼地區(qū)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，大青灰?guī)r含水層既有奧灰水的垂向補(bǔ)給，也存在側(cè)向補(bǔ)給。雖然工作面經(jīng)地面區(qū)域治理后，將大青灰?guī)r含水層改造為弱含水層或相對(duì)隔水層。但山青煤距離大青灰?guī)r平均厚度37 m，間距較近。工作面推采300~460 m 時(shí)，工作面中部49 號(hào)~52 號(hào)處有2 條1.5 m 斷層，呈地塹構(gòu)造，底板原生裂隙比較發(fā)育。隨著工作面推采，在礦壓和水壓的共同作用，容易致使煤層底板原生裂隙擴(kuò)展，造成工作面底板出水。目前，工作面已安全推采結(jié)束，通過分析工作面推采過程中底板出水的原因，為確保深部山青試采工作面安全保水開采，創(chuàng)新總結(jié)了“全周期”水害治理模式，對(duì)工作面薄弱帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)治理，保證工作面安全保水開采。

3 深部山青“全周期”水害治理模式

礦井深部山青受大青含水層和奧灰含水層雙重水害威脅，為了解決其隔水層薄、相對(duì)采深大、水壓高，同時(shí)防止工作面在開采過程中，受礦壓和水壓的共同作用，容易致使煤層底板原生裂隙擴(kuò)展出水的防治水難題，礦井制定了“采前綜合改造-采中動(dòng)態(tài)加固-采后減水治理”的“全周期”水害治理模式，來確保深部山青的安全保水開采。

3.1 采前綜合改造

工作面回采前，采用地面區(qū)域治理、采前綜合物探、井下底板驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)12661 試采工作面進(jìn)行綜合改造，將大青灰?guī)r含水層改造為弱含水層或相對(duì)隔水層。

3.2 采中動(dòng)態(tài)加固

工作面回采過程中，采取井上下相結(jié)合的防治水措施，對(duì)工作面斷層帶附近進(jìn)行動(dòng)態(tài)加固。

井下措施：在12661 運(yùn)輸巷4 號(hào)鉆場(chǎng)，施工了4 個(gè)大青鉆孔，共注水泥67 t；在12661 運(yùn)料巷12號(hào)鉆場(chǎng)，已施工完成2 個(gè)鉆孔，共注水泥36 t，對(duì)工作面薄弱帶進(jìn)行注漿加固補(bǔ)強(qiáng)。

地面措施：利用區(qū)域治理注2 孔，設(shè)計(jì)施工了注2（2） -1 分支孔，對(duì)工作面斷層帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)加固，鉆探工程量981 m，注水泥4 972 t，注鋸末12 331 斤，海帶477 斤，麻繩930 斤，對(duì)工作面進(jìn)行動(dòng)態(tài)加固（圖2）。

圖2 12661 工作面注2（2） -1 分支孔采中動(dòng)態(tài)加固斷層成果圖Fig.2 The results of mining dynamic reinforcement fault by injection 2(2)-1 branch hole in No.12661 Face

3.3 采后減水治理

目前12661 工作面穩(wěn)定涌水量1.4 m3/min，12662 工作面正準(zhǔn)備回采。由于12662 工作面與12661 工作面相連，為減少12662 工作面回采時(shí)采動(dòng)應(yīng)力對(duì)12661 工作面的影響，從而影響減水效果，待12662 工作面回采結(jié)束后，利用地面區(qū)域治理鉆孔對(duì)12661 工作面出水點(diǎn)，進(jìn)行減水治理，同時(shí)減少排水費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)礦井保水開采。

4 結(jié) 論

（1） 通過分析礦井深部山青工作面受“雙重”水害的特點(diǎn)，采用地面區(qū)域治理的方法對(duì)大青灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿加固，使其改造為弱含水層或相對(duì)隔水層，阻斷了奧灰含水層對(duì)上伏薄層灰?guī)r的補(bǔ)給通道，是可行的。

（2） 針對(duì)工作面采深大、隔水層薄、斷層多、底板原生裂隙發(fā)育等情況，創(chuàng)新總結(jié)了“采前綜合改造-采中動(dòng)態(tài)加固-采后減水治理”的“全周期”水害治理模式，確保實(shí)現(xiàn)深部山青的安全保水開采。

（3） 工作面經(jīng)全周期水害治理后，有效降低了大青和奧灰大水量突水的風(fēng)險(xiǎn)，最終達(dá)到了保水開采的目的。

（4） 12661 深部山青試采工作面的安全開采，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，保證了礦井可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，對(duì)下一步回收下組煤煤具有推廣價(jià)值。