侏羅系寶塔山砂巖突水風險預測及限制邊界疏降技術(shù)
2024-04-08 07:34:04呂玉廣劉光堯呂文斌馮培超陳維池
煤炭科學技術(shù) 2024年2期
喬 偉 ，呂玉廣 ，韓 港 ，劉光堯 ，呂文斌 ，馮培超 ，陳維池 ，汪 禎
（1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232000；3.山東能源新礦內(nèi)蒙古能源有限責任公司魯新煤礦，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 027399；4.山東能源新礦內(nèi)蒙古能源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299；5.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299；6.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 徐州 221116）
0 引 言
煤炭工業(yè)對我國社會經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著支撐作用，以新疆和內(nèi)蒙古為代表的西部地區(qū)是我國主要的煤炭開采區(qū)[1]。煤炭采掘活動的進行伴隨著相應的水害問題[2-3]。2015 年11 月25 日8 時左右（“11·25”底板突水事件），內(nèi)蒙古上海廟礦區(qū)新上海一號礦井一分區(qū)輸送帶暗斜井下山巷道掘進至503m 時，迎頭的巷道底板先是明顯底鼓，隨后發(fā)生突水，初始量約為1 500 m3/h，突水水量隨時間逐漸增大，11 月26日8 時水量達到3 600 m3/h，瞬時水量達到10 000 m3/h，最終造成礦井淹井事故[4]，水量之大非常罕見。經(jīng)詳細調(diào)查后確定突水水源來自21 煤底板寶塔山砂巖含水層。
我國煤炭開采報道的底板突水事故多為石炭二疊系煤層開采時底板的薄層灰?guī)r水和奧灰水[5-6]。但隨著以石炭-二疊系煤層為開采主體的礦區(qū)煤炭資源逐步枯竭，煤炭資源逐步以侏羅系煤為主。寶塔山砂巖位于侏羅系延安組含煤地層底部，廣泛分布于鄂爾多斯盆地。在以往認知中，干旱半干旱區(qū)煤系地層底板含水層普遍富水性較弱、滲透性較差，判定下組煤開采時不受含水層威脅。然而新上海一號礦井一分區(qū)巷道掘進時不僅發(fā)生底板突水事故，且發(fā)生國內(nèi)首次也是目前唯一的侏羅系煤層開采底板寶塔山砂巖突水淹井事故，威脅礦井生產(chǎn)安全[7-8]。因此，需要針對寶塔山砂巖底板突水事故進行詳細探查和提出解決方針。
煤層底板突水是突水水源、導水通道和采礦擾動共同作用的結(jié)果[9]。導水通道的隱蔽性和采礦擾動的不確定性導致底板突水的難以預測[10]，尤其當巷道底部巖層巖性強度低，結(jié)構(gòu)松散時，采掘活動更容易使底板裂隙生成并貫通，形成導水通道，造成突水事故發(fā)生[11-12]。郭國強等[13]根據(jù)奧灰含水層的水文地質(zhì)條件設計疏降工程，使含水層水壓小于隔水層力學強度；王新軍等[14]根據(jù)華北巖溶充水煤礦特點分析了不同水文地質(zhì)條件下的疏放工程適宜性；趙春虎等[15]通過井下疏水鉆孔涌水的流態(tài)轉(zhuǎn)化特征，研究鉆孔涌水量動態(tài)衰減規(guī)律。東部煤礦的特點是進行整體注漿改造含水層為奧陶系灰?guī)r含水層，其裂隙為巖溶裂隙，巖溶孔洞發(fā)育，且多為鈣質(zhì)膠結(jié)，注漿漿液在注漿壓力作用下擴散效果好，漿液擴散半徑大，利于形成整體注漿改造層。然而，寶塔山砂巖屬于弱膠結(jié)隔水層，砂巖膠結(jié)性差，浸水后容易崩解，工程劣化性較強，在此弱膠結(jié)砂巖地層中全面注漿改造疏水量大且成本極高，不能保證煤炭開采經(jīng)濟效益。因此，對侏羅系煤層底板寶塔山砂巖進行突水風險預測，探究采用“斷層注漿形成局部限制邊界+群孔疏降”的方法防控寶塔山砂巖突水的可行性。
1 研究區(qū)概況
新上海一號煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗境內(nèi)，行政區(qū)劃屬鄂托克前旗上海廟鎮(zhèn)管轄。井田內(nèi)鉆孔揭露地層主要有三疊系延長組(T3y)，侏羅系延安組(J2y)、直羅組(J2z)，白堊系志丹群(K1zd)，古近系(E)及第四系(Q)，其中含煤地層為侏羅系延安組，蓋層為白堊系、古近系及第四系，三疊系延長組為侏羅系含煤巖系的基底。
井田內(nèi)含煤地層延安組的厚度根據(jù)完整揭露的鉆孔統(tǒng)計，平均為293.09 m。穿見煤層的鉆孔73 個，穿見煤層2～29 層，煤層總厚度1.45～38.40 m；含可采煤層或大部可采煤層10 層，可采煤層總厚度平均21.19 m。18 煤位于延安組下部，屬下含煤組上部煤層，與16 煤間距為10.09～45.60 m，平均33.59 m。煤層厚度0.50～5.29 m，平均2.45 m。煤層厚度總體上呈南厚北薄趨勢，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，局部含兩層夾矸，夾矸厚度0.17～0.92 m，平均0.43 m。巖性為砂質(zhì)泥巖或泥巖。為穩(wěn)定煤層。煤層頂、底板巖性主要為粉砂巖、細砂巖或粗砂巖，局部為泥巖或砂炭質(zhì)泥巖（圖1）。井田主體構(gòu)造形態(tài)為一向東傾伏的單斜構(gòu)造，北部在此基礎上發(fā)育有寬緩的次級褶曲，區(qū)內(nèi)巖層較為平緩，一般巖層傾角為3°～13°，除斷層附近，基本無突然傾斜變化，褶曲不發(fā)育但斷層發(fā)育程度高。礦井采用一次采全高綜合機械化開采，全部垮落法管理工作面頂板。
圖1 礦區(qū)柱狀結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the columnar structure of the mining area
2 水文地質(zhì)條件
2.1 含（隔）水層特征
根據(jù)含水介質(zhì)、孔隙類型及含水特征等，新上海一號井田內(nèi)主要含水層自上而下可分為新生界松散含水層、白堊系礫巖含水層、侏羅系直羅組含水層、21 煤頂板上延安組含水層、延安組寶塔山砂巖含水層、三疊系延長組砂巖含水層，隔水層主要有新生界與白堊系間的隔水層、白堊系與侏羅系直羅組間的隔水層、侏羅系直羅組與延安組間的隔水層和延安組內(nèi)煤層間的隔水層。
寶塔山砂巖位于21 煤底板以下0～29.55 m，平均距離為5.62 m；巖性由灰白色及肉紅色中粗細砂巖構(gòu)成，以含礫粗砂巖為主。砂巖結(jié)構(gòu)疏松，固結(jié)程度差，孔隙發(fā)育?？箟簭姸葹?2.6 MPa、抗拉強度為0.4 MPa、抗折強度為0.8 MPa，屬弱膠結(jié)軟巖，且隨著巖石含水率增加，其抗壓強度、抗拉強度、抗折強度等均顯著降低，平均軟化系數(shù)0.4，巖石對水十分敏感[15-16]。寶塔山砂巖含水層厚度為18.55～82.65 m，平均厚度52.97 m。寶塔山砂巖在井田西部和北部，多為砂巖和泥巖交互發(fā)育，而井田東部和南部多發(fā)育厚層狀中、粗砂巖，其巖性特征為底板突水提供隱蔽通道。統(tǒng)一口徑單位涌水量為0.041 9～1.084 0 L/(s·m)，富水性不均一，南部富水性好于北部。寶塔山砂巖含水層具有水量大，水位恢復快的特點，發(fā)生突水事故時會威脅礦井生產(chǎn)安全[17-18]。
2.2 地下水補徑排特點
礦井主要含水層自下而上分別為基巖孔隙、裂隙承壓水含水層、松散含水層，含煤地層富水性普遍較弱，補徑排條件相對簡單（表1）。底部寶塔山砂巖含水層具有強富水特征，井田北部是含水層的補給邊界，東部和西部大部分為隔水邊界，部分為補給邊界，天然狀態(tài)下徑流方向為東北向西南方向，受煤礦開采影響將在開采區(qū)形成降落漏斗。
表1 礦井內(nèi)含水層補徑排特征Table 1 Characteristics of replenishment and drainage of aquifers in mines
3 突水危險性評價
18 煤的開采對煤層底板隔水層產(chǎn)生進一步破壞，削弱了18 煤弱膠結(jié)底板隔水層有效厚度，降低了隔水層對寶塔山砂巖含水層突水的抵抗能力。傳統(tǒng)的底板突水評價方法考慮的是C-P 煤層開采底板突水的評價方法，不能有效考慮寶塔山砂巖含水層滲透性及18 煤底板隔水層有效厚度兩個因素對底板突水的影響，需要依據(jù)寶塔山砂巖水文地質(zhì)特性考慮多重因素對底板突水影響。模糊德爾菲層次分析法是將模糊數(shù)學評價方法、層次分析法和德爾菲群體決策方法結(jié)合起來的一種模糊群體決策方法。在底板突水危險性評價過程中，每個主控指標之間具有一定的差異性，模糊德爾菲層次分析法中每個主控指標對計算結(jié)果的貢獻是一樣的，難以體現(xiàn)每一個指標之間的差異。模糊C均值聚類在計算過程中引入了模糊控制參數(shù)m∈[1,∞)，而m的大小直接影響聚類效果。模糊C均值聚類算法對隸屬度進行改進，每個數(shù)據(jù)點對各個簇類的隸屬度u∈[0,1]，隸屬度之和為1，可以很好確定每一種因素在研究對象中的比重以及影響大小，將兩種方法結(jié)合在一起形成的模糊德爾菲層次分析法計算加權(quán)權(quán)重，結(jié)合加權(quán)模糊C均值聚類方法，在聚類過程中引入各因素的權(quán)重，考慮多種因素使結(jié)果更準確[19-20]。因此，通過分析18 煤底板寶塔山砂巖含水層厚度、寶塔山砂巖含水層富水性、寶塔山砂巖含水層滲透性、寶塔山砂巖含水層水壓力及18煤底板隔水層有效厚度，進行18 煤開采弱膠結(jié)底板突水危險性評價。
常用的指標類型分為效益型和成本型指標。效益型指標對目標為正相關(guān)（式1），成本型指標對目標是負相關(guān)（式2）。含水層厚度、單位涌水量、滲透系數(shù)和含水層水壓均為效益型指標，即數(shù)值越大，寶塔山砂巖含水層發(fā)生突水危險性越高；有效隔水層厚度屬成本型指標，即數(shù)值越大，突水危險性越小，依據(jù)公式對各指標標準化后如圖2所示。
圖2 寶塔山砂巖含水層突水危險性評價主控指標標準化Fig.2 Standardization of main control indicators for water inrush risk assessment of Baotashan sandstone aquifer
式中：xij為主控指標在柵格圖層在第i行第j列的屬性值，sij為標準化主控指標在柵格圖層在第i行第j列的屬性值，sij∈[0,1]。max(xij)和min(xij)分別表示第k各指標下xij的最大值和最小值。
板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m，則視為相對安全區(qū)，因此，將井田內(nèi)Ts≤0.06 MPa/m 范圍劃分為安全區(qū)，0.06 MPa/m
圖3 寶塔山砂巖含水層突水危險性評價分區(qū)Fig.3 Water inrush risk assessment zoning of Baotashan sandstone aquifer
4 局部限制邊界疏降技術(shù)
為詳細探明寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)特征，并對18 煤煤層進行安全開采提供疏水降壓方案，對寶塔山砂巖含水層進行了大規(guī)模群孔放水試驗。根據(jù)放水試驗結(jié)果分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件和含水層之間水力聯(lián)系，并通過建模探索寶塔山砂巖含水層疏水降壓工程實踐的可能性，為侏羅系煤層開采弱膠結(jié)隔水層突水提供水害防治方案。
4.1 群孔放水試驗
4.1.1 井下疏放水工程設置
寶塔山砂巖含水層大規(guī)模放水試驗采取井下鉆孔放水，地面鉆孔觀測的試驗方案。在寶塔山砂巖含水層放水試驗期間利用地表水文觀測孔對白堊系、直羅組、延安組、寶塔山及三疊系含水層的水位進行觀測，放水孔與觀測孔平面布置如圖4 所示。
圖4 群孔放水試驗觀測孔位置Fig.4 Location of observation holes for water release test in group holes
4.1.2 寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)特征
通過群孔放水試驗得到井田范圍內(nèi)寶塔山砂巖含水層滲透系數(shù)為0.1～2.0 m/d（圖5）。在井田中部區(qū)域滲透系數(shù)大于南、北部，主要原因為該區(qū)域?qū)毸缴皫r厚度大，且存在多條張性正斷層。
圖5 基于抽水試驗結(jié)果的寶塔山砂巖含水層滲透系數(shù)等值線Fig.5 Contour map of permeability coefficient of Baotashan sandstone aquifer based on pumping test results
通過放水試驗對寶塔山砂巖含水層富水性特征進行了刻畫，井田范圍內(nèi)寶塔山砂巖含水層大部分區(qū)域富水性為中等富水，西部及南部局部區(qū)域為弱富水，中部靠近F2斷層區(qū)域及西南小部分區(qū)域為強富水，整體上西部富水性弱于東部，北部富水性弱于南部，井田中部富水性優(yōu)于南、北部（圖6）。
圖6 寶塔山砂巖單位涌水量等值線Fig.6 Contour map of unit water inflow of Baotashan sandstone aquifer
4.1.3 寶塔山砂巖含水層滲流場補給來源
探明礦井含水層間水力聯(lián)系可以為制定相應的防治水措施提供科學合理的依據(jù)?；谌嚎追潘囼灥母饔^測孔水位曲線（圖7）得到寶塔山砂巖含水層滲流場補徑排結(jié)果。
圖7 觀測孔水位變化Fig.7 Observation hole water level changes
在進行放水試驗后，可以觀測到各含水層水位下降情況。白堊系含水層4 個觀測孔水位歷時變化如圖7a-7d 所示。第一次放水后，B9 觀測孔水位出現(xiàn)顯著下降；第二次放水后，B9 觀測孔水位再次下降，停止后B9 觀測孔水位再次回升，說明B9 觀測孔水位與放水孔放水呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，B9 觀測孔附近寶塔山砂巖含水層與白堊系含水層具有較好的水力聯(lián)系，G1 孔次之，其他白堊系長觀孔關(guān)聯(lián)性不大。
直羅組含水層4 個觀測孔水位(圖7e-7h)并沒有表現(xiàn)出與寶塔山砂巖含水層放水試驗明顯的關(guān)聯(lián)特性，但在“11·25”底板突水事故中Z1、Z3、Z10 皆出現(xiàn)明顯的水位下降，因此分析可能寶塔山砂巖含水層出現(xiàn)大規(guī)模水位下降時，直羅組含水層補給寶塔山砂巖含水層水力通道才會觸發(fā)。
煤系含水層各觀測孔Z6 及Z7 孔觀測煤系含水層水位與放水試驗具有明顯相關(guān)性。第一次放水后，Z6 和Z7 觀測孔水位出現(xiàn)顯著下降，當?shù)诙畏潘囼為_始后，Z6 和Z7 觀測孔水位再次下降，說明Z6 和Z7 觀測孔附近寶塔山砂巖含水層與煤系含水層具有較好的水力聯(lián)系，其余煤系含水層觀測孔水位受放水試驗影響而持續(xù)下降。
在放水試驗中，三疊系含水層B36 和B39 觀測孔水位歷時變化如圖7o-7p 所示，第一次放水試驗后，B36 和B39 觀測孔水位出現(xiàn)顯著下降，第二次放水試驗后，B36 和B39 觀測孔水位再次下降，停止放水后，B36 和B39 觀測孔水位再次回升，說明B36和B39 觀測孔水位與放水孔放水呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。各含水層均有通道補給寶塔山砂巖含水層。
寶塔山砂巖含水層滲透性較好，富水性較強，在進行抽水試驗時其他含水層對寶塔山砂巖含水層均有一定程度的補給，且多通過導水斷層相互連通。同時，利用FEFLOW 軟件的水均衡分析模塊對寶塔山砂巖疏放水模擬過程中水均衡進行統(tǒng)計，對模型各邊界補給情況進行計算，得到主要導水斷層的水量補給，得知FD5 斷層補給量最大（表2），F(xiàn)D5 斷層為礦區(qū)南部主要補給通道，需要對FD5 斷層進行注漿改造。
表2 寶塔山砂巖疏放水邊界補給量補給統(tǒng)計Table 2 Boundary water recharge statistics of Baotashan sandstone drainage water m3/d
4.2 注漿方案設計
弱膠結(jié)軟巖因其巖體強度低、膠結(jié)差，自承載能力低，對開挖擾動敏感，需要注漿加固[21-23]。根據(jù)礦井規(guī)劃確定布置4 個鉆場。依據(jù)《煤礦防治水細則》對突水系數(shù)的規(guī)定（突水系數(shù)小于0.06 MPa/m）對寶塔山砂巖含水層進行疏水工作，間接依靠鉆孔安全水位觀測保證18 煤安全開采（表3）。根據(jù)放水試驗在限制斷層邊界段選擇對FD5 斷層進行注漿改造封堵井田南部寶塔山砂巖含水層的水力補給行為。
表3 寶塔山砂巖含水層水文長觀孔疏降水壓及安全水位Table 3 Hydrology of Baotashan sandstone aquifer long observation hole drainage water pressure and safe water level
依據(jù)DL/T 0825—2015《礦山帷幕注漿規(guī)范》[24]和SL31—2003《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》[25]中透水率的介紹判定對FD5 斷層注漿改造后透水率最大應為2×10-2m/d。將FD5 斷層滲透系數(shù)設計為2×10-2、2×10-4、2×10-6和2×10-8m/d，探究不同注漿性質(zhì)對疏水效果的影響。
疏放水方案在對寶塔山砂巖進行疏放過程中分為3 個階段：疏放水開始至1 號鉆場退出疏放水工作（第一階段）、疏放水繼續(xù)至3 號鉆場退出疏放水工作（第二階段）、2 號和4 號鉆場持續(xù)進行疏放水工作至模型補排平衡（第三階段）。
4.3 數(shù)值模擬
4.3.1 模型建立
在統(tǒng)計礦區(qū)內(nèi)含（隔）水層頂?shù)装鍢烁邤?shù)據(jù)后通過FEFLOW 建立地下水系統(tǒng)三維數(shù)值模型（圖8a）。
圖8 礦區(qū)三維數(shù)值模型Fig.8 Three-dimensional numerical model of the mining area
4.3.2 邊界條件概化
垂向上，將研究區(qū)含（隔）水層系統(tǒng)概化為七層結(jié)構(gòu)立體化的水文地質(zhì)模型（圖8b），第一層白堊系承壓含水層，第二層為直羅組上部隔水層，第三層為直羅組承壓含水層，第四層為延安組上部隔水層，第五層為煤系含水層，第六層為延安組下部隔水層，第七層為寶塔山砂巖含水層。
水平上，依據(jù)抽水試驗各區(qū)域滲透性和涌水量變化將側(cè)向邊界概化：南北兩側(cè)定義為導水邊界；西部中間區(qū)域為弱透水邊界，兩側(cè)區(qū)域主要為導水邊界；東部中間區(qū)域為導水邊界，兩側(cè)區(qū)域為弱透水邊界（圖9）。
圖9 數(shù)值模型邊界條件概化Fig.9 Generalization of numerical model boundary conditions
4.4 疏水效果
通過數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整和反演得到正確的數(shù)值模型后，根據(jù)寶塔山含水層疏放條件進行疏放方案模擬。通過沿著斷層加密網(wǎng)格以模擬斷層注漿改造隔水效果，并對加密的斷層賦以設計的注漿帷幕滲透系數(shù)，表現(xiàn)不同的注漿改造效果。
1）第一階段：疏放水開始至1 號鉆場退出疏放水工作。模型模擬獲得了1 號鉆場退出疏放水工作前各注漿效果寶塔山砂巖含水層流場（圖10）。當FD5 注漿改造滲透性分別為2×10-2、2×10-4、2×10-6、2×10-8m/d 時，達到安全水位時，1 號鉆場退出疏放水工作時間分別為70 、68 、63 、63 d，礦區(qū)內(nèi)中心水位分別為950、930 、920 和920 m。隨著注漿效果的逐漸增強，F(xiàn)D5 斷層南側(cè)含水層水位逐漸增高，表明其補水行為被有效阻隔，且FD5 斷層兩側(cè)水位差持續(xù)增大。當FD5 注漿改造由滲透性2×10-6m/d 變?yōu)?×10-8m/d 時，注漿斷層外區(qū)域水位變化較小，此時滲透性變化對隔水效果的影響程度不再明顯，滲透性為2×10-6m/d 即可滿足疏降設計要求。
圖10 階段一疏放水寶塔山含水層流場分布Fig.10 Flow field distribution of Baotashan aquifer in stage 1 of water drainage
2）第二階段：2 號、3 號和4 號鉆場持續(xù)進行疏放水工作至3 號鉆場退出。模型模擬獲得了3 號鉆場退出疏放水工作前各注漿效果寶塔山砂巖含水層流場（圖11）。當FD5 注漿改造滲透性分別為2×10-2、2×10-4、2×10-6、2×10-8m/d 時，第二階段內(nèi)達到安全水位時疏放水工作時間分別為44 、41 、35、35 d, 在第一階段的基礎上，第二階段疏放水工作進一步使寶塔山砂巖含水層水位降低，礦區(qū)中心水位分別為910 、910 、900 和890 m，較第一階段水位降低20 m。由于此時含水層水位降低，漏斗擴散范圍進一步增大，導致補給量增大，因此第二階段FD5 斷層南側(cè)含水層對礦區(qū)補給作用增強，水位降至約980 m。同第一階段相類似，當FD5 注漿改造滲透性為2×10-6m/d 及2×10-8m/d 時，注漿斷層外區(qū)域水位變化較小，滲透性為2×10-6m/d 即可達到疏水效果。
圖11 階段二疏放水寶塔山含水層流場分布Fig.11 Flow field distribution of Baotashan aquifer in stage 2 of water drainage
3）第三階段：2 號和4 號鉆場持續(xù)進行疏放水工作至模型補排平衡。模型模擬獲得了模擬結(jié)束時刻各注漿效果寶塔山砂巖含水層流場（圖12）。當FD5 注漿改造滲透性分別為2×10-2、2×10-4、2×10-6、2×10-8m/d 時，模型補排平衡時間分別為110 、106、97 、95 d。隨著注漿效果的逐漸增強，疏降水達到模型補排平衡時間逐漸減短。寶塔山砂巖含水層疏放中心水位則分別下降為870、850、820、810 m。井田南部區(qū)域由于注漿斷層的阻隔，寶塔山含水層水位與斷層內(nèi)區(qū)域逐漸形成水位差，可有效阻隔FD5 南部含水層的補給。但當滲透性為2×10-6m/d 和2×10-8m/d 時，F(xiàn)D5 南側(cè)含水層水位相似（900 m），此時滲透率減小對礦區(qū)南翼含水層的阻隔效果影響較小。
結(jié)合礦區(qū)水位對模擬效果進行評價（表4）。當FD5 注漿改造滲透性為2×10-2m/d 時，僅有B-4、B-12 觀測孔疏降至安全水位；當FD5 注漿改造滲透性為2×10-4m/d 時，B-4、B-12、B-44、B-45、直1 孔疏降至安全水位；當FD5 注漿改造滲透性為2×10-6m/d 和2×10-8m/d 時，所有觀測孔均降至安全水位，但疏降水位下降幅度較小。當注漿改造滲透性達到2×10-6m/d 及更小量級時，注漿取得較好效果，可有效阻隔南部區(qū)域?qū)ぷ髅娴乃ρa給。
表4 局部限制邊界疏降技術(shù)模擬水位Table 4 Simulated water level using local restricted boundary drainage technology
表5 寶塔山砂巖疏放水統(tǒng)計Table 5 Statistics of drainage of Baotashan Sandstone
表6 不同滲透效果下費用計算Table 6 Cost calculation under different infiltration effects
根據(jù)寶塔山含水層模擬水位及其距18 煤有效隔水層厚度計算各注漿效果突水系數(shù)分布（圖13）。相較于未進行斷層注漿時的寶塔山砂巖突水危險性分布（圖3），隨著滲透性的降低，安全區(qū)占礦區(qū)的比例分別為43.34%、52.54%、63.36% 和67.37%，F(xiàn)D5斷層進行注漿改造后疏放取得較好效果。寶塔山砂巖含水層突水系數(shù)小于0.06 的區(qū)域逐漸向東部區(qū)域擴展，最終延伸至整個工作區(qū)。
圖13 疏降效果Fig.13 Drainage effect
4.5 工程實例
在工程現(xiàn)場采用分段下行式、連續(xù)與間歇注漿相結(jié)合的注漿方式對FD5 斷層進行注漿，通過注漿體取心觀察注漿質(zhì)量。觀察巖心填充情況發(fā)現(xiàn)(圖14)，在FD5 斷層中的破碎巖層段，觀察到明顯的水泥漿充填，并且通過檢查孔檢驗水泥膠結(jié)程度，膠結(jié)良好，強度較硬，達到FD5 斷層注漿阻水效果。
圖14 注漿后巖心情況Fig.14 Core condition after grouting
5 結(jié) 論
1）針對18 煤底板隔水層屬于弱膠結(jié)地質(zhì)軟巖，而寶塔山砂巖含水層具有強富水，厚度大，水位恢復快的特點。通過加權(quán)模糊C 均值聚類方法判定井田中東部區(qū)域位于突水危險區(qū)，易發(fā)生底板突水事故。
2）通過群孔放水試驗判定其他含水層均對寶塔山砂巖含水層產(chǎn)生水力補給，且斷層作為主要導水通道，依據(jù)補水特點和隔水層弱膠結(jié)屬性進行斷層注漿，限制局部邊界水力補給。
3）結(jié)合注漿工藝難度和經(jīng)濟成本，滲透系數(shù)為2×10-4m/d 時滿足一定的安全性。斷層注漿形成局部限制邊界+群孔疏降技術(shù)即可有效阻隔礦區(qū)外水量補給。礦區(qū)安全區(qū)范圍隨滲透性較低而增大，最高可達67.37%，有效防控寶塔山砂巖水害。
