底板高承壓水上開采防突水技術的實踐應用

祁新波++李新芳++毛維林

摘 要：超化煤礦隨著開采性深部延伸，底板水壓增大，底板水害威脅已成為影響安全開采的主要因素。通過底板注漿加固，將灰巖含水層改造成為隔水層，并通過加固前后的物探對比，檢驗孔驗證，確保注漿改造效果，有效的解除工作面底板水害威脅，為工作面安全回采保證。

關鍵詞：煤層底板 灰巖含水層 直流電法物探

中圖分類號：TD 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0073-02

鄭煤集團超化煤礦主采為二疊系山西組二1煤，礦井采用單水平上、下山開采，上山煤炭資源已基本采盡，現主采工作面轉至下山及井田邊緣水文地質條件復雜區域開采，水害威脅已成為影響開采的主要因素。隨著礦井開采向深部延伸，開采標高降至-200～-497 m，帶壓最大達5.71 MPa，均為高承壓水上采煤。高承壓水上開采時防底板突水已成為威脅超化煤礦安全生產、制約礦井穩定發展的重要因素。

1 31001工作面情況

1.1 工作面概況

31001工作面位于31采區，地面標高為+189.9～+226.5 m，工作面標高為-330～-167 m，設計可采走向長度780 m，切巷長145 m。本工作面煤層結構簡單，煤層走向50°～110°，傾向140°～200°，煤層傾角11～38°，平均傾角為18°；煤厚0.3～16 m，平均煤厚7.0m。

1.2 工作面底板主要含水層情況

該工作面底板巖溶水含水層賦水性強，水量補給豐富，是威脅礦井安全生產的主要含水層。上部L7-8灰巖，厚度10 m左右，上距二1煤12 m左右，是本區煤層底板直接充水含水層，該含水層賦水性不均一，局部裂隙較發育區域，賦水性較強；中部L5-6灰巖，厚約18 m，上距二1煤33.5 m左右，該層灰巖賦水中等；下部L1-4灰巖，厚度17 m左右，上距二1煤約55.5 m左右，該層灰巖賦水性強，多數鉆孔出現明顯消耗和嚴重漏水現象；奧陶、寒武系灰巖含水層，厚度大于300 m，上距二1煤77 m左右，在水力聯系上通常連為一體，是本區的主要含水層，巖溶裂隙普遍發育，含水豐富，通過構造或其它導水通道，補給上部含水層，是礦井間接充水含水層。

2 回采前期的底板水防治

2.1 突水性分析

（1）用突水系數法進行分析：由于本面底板直接充水含水層L7-8灰，L7-8灰水壓較小，涌水量不大，對工作面的回采不會造成大的威脅。距二1煤層底板最近的強含水層為L1-4灰，故針對L1-4灰的突水性危險性進行評價。

根據突水系數公式T=進行計算。

式中：T為突水系數（MPa/m）；P為底板隔水層承受的水頭壓力（MPa），取O2灰含水層觀測孔平均水頭高度+75 m的絕對值+本面最低標高-330 m的絕對值+底板隔水層厚度55.5 m=460.5 m水柱=4.605 MPa；M為底板隔水層厚度（m），取二1煤底到L1-4灰頂的距離55.5 m；

經計算，T=0.083 MPa/m。

本面地質構造復雜，采煤工作面構造復雜區段的臨界突水系數取0.06 MPa/m，由此可得，故本面的突水系數0.083 MPa/m>0.06 MPa/m，說明本面底板L1-4灰含水層具有突水危險性。

2.2 防治底板水的方案確定

根據對31001工作面底板L1-4灰含水層的突水性分析，結合物探資料，提出了針對底板含水層進行注漿改造的方案。在理論上，對底板L1-4灰含水層進行底板注漿改造以后，底板L1-4灰含水層將成為隔水層，不再具有突水性。

底板注漿加固進行底板注漿改造含水層，是區域性治理高承壓水突水的一項有效措施。其關鍵是在工作面回采前向回采工作面的下部承壓含水層裂隙、構造等導水通道施工一定數量的注漿改造鉆孔，用高壓泥漿泵向其注入水泥漿或水泥粘土（黃土）混合漿液，讓漿液充填承壓含水層和底板隔水層中的裂隙和溶洞，將煤層底板的隔水層和含水層粘結成一體，增強煤層底板的隔水能力，最終達到將工作面下部承壓含水層的水阻隔在工作面之外的目的。

2.2.1 鉆場及鉆孔布置

鉆孔設計原則：（1）終孔層位進入L1-4灰巖含水層底部；（2）鉆孔全部設計為斜孔，使鉆孔揭露的含水層和隔水層盡量延長；（3）鉆孔方向盡量和斷裂構造的發育方向斜交，盡可能的多揭露裂隙；（4）對裂隙發育地段、有斷層地段、褶曲構造的軸部重點布孔；（5）注漿改造范圍達到工作面以外25 m；（6）注漿鉆孔分別布設在上、下付巷，每隔60m施工一個鉆場，每個鉆場設計6～9個鉆孔，成扇形布置，終孔平距間隔一般在30 m左右，在鉆場內以不同的方位和傾角分別向工作面上、中、下部位施工鉆孔，共設計27個鉆場，上付巷13個鉆場，下付巷14個鉆場。

2.2.2 施工技術要求

（1）設備選型：鉆探采用ZY-300型鉆機，鉆桿每根長0.76 m。注漿設備采用地面注漿站注漿。

（2）注漿材料及配比：根據相關資料及自身的注漿經驗，在裂隙含水層采用普通水泥或水泥、黃土混合漿堵水效果就很明顯，基本上能夠封堵含水層的過水通道，本次注漿材料采用525#普通硅酸鹽水泥漿或黃泥漿，泥漿比重控制在1.2～1.3之間。

（3）鉆孔結構：開孔Φ160 mm，下入一級Φ146 mm孔口管6m（進入煤層底板2～3m）；向下孔徑Φ130 mm，下入二級Φ114 mm套管（進入L8灰巖1～2m），再向下使用Φ94 mm鉆頭鉆進至L6灰1～2m，下入三級Φ89 mm套管，終孔Φ65 mm裸孔。孔口管固定后均要進行耐壓試驗，其中一級、二級耐壓值不小于3.9 MPa，三級耐壓值不小于8.5 MPa，并持續20 min以上，否則，重新加固孔口管。

（4）注漿方法：注漿方法采用下行式注漿法，鉆一段孔，注一段漿，交替往下進行直至設計層位。在鉆進過程中，逢漏即注，見水即注。endprint

（5）注漿系統要求：孔口閥門要上緊，整個注漿管道應固定牢固；停泵時關閉孔口閥并壓注清水沖洗管路，以防注漿管路堵塞；注漿站各項儀表、設備運行正常，井下壓力表顯示正常，管路、閥門均達到耐壓要求。

（6）注漿鉆孔注漿結束標準：孔口壓力達到6.5～8.5 Mpa，且吸漿量也應小于40 L/min，閉漿穩定時間30 min以上。

（7）排水：根據單孔涌水量公式計算，按孔徑Φ75 mm，出水水源為L1-4灰巖水，預計單孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道內鋪設的300×350 mm鐵水槽靠水自流即可滿足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概況及效果檢驗

31001工作面底板注漿改造工程歷時兩年零一個月，對整個工作面底板灰巖含水層進行了鉆探驗證及預注漿改造。共施工183個鉆孔，總工程量18955 m，累計注水泥漿8389 t，注黃土1245 t。

31001工作面底板注漿改造含水層工程完工后，以二次施工直流電法物來檢驗注漿改造的效果。注漿改造前后物探資料對比顯示工作面西部區域視電阻率整體上較原來增了30～40 Ω·m；工作面內部施工了三個檢驗孔，單孔涌水量2～5 m3/h，說明注漿達到了預期的效果，基本將含水層改造成為了隔水層。

底板注漿改造后，工作面從開始回采到回采結束，底板總涌水量在35 m3/h以下，對安全生產的影響不大，沒有出現斷層水。

3 效益分析

效益主要表現在兩個方面：

（1）通過對底板水防治，具有較高的經濟效益。單從底板水方面來說，工作面回采時預計正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h。回采結束后涌水量控制在35 m3/h以下。根據現有統計資料，揚程100 m，每排1 m3的水需消耗電能0.6 kW。結合超化礦實際情況工作面涌水從31水倉至地面距離685 m，每排1 m3的水需消耗電能 4.11 kW，每1 kW·h的電費按0.65元計算，僅電費一項至少每年節約排水電費：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480萬元。而工作面底板注漿改造直接投入為：水泥8389噸×288.9元/噸=242.4萬元，套管145.15噸×7864.5元/噸=114.2萬元，其它費用約60萬元，總費用約416.6萬元。投入的費用只需10個半月便可節約回來，長期經濟效益十分可觀。

（2）通過采取底板水防治措施來解放高承壓含水層區域的煤炭資源，確保超化礦正常的采掘接替和穩產高產，具有良好的社會效益。

4 結語

通過對復雜的水文地質條件分析與研究，采用物探、鉆探、注漿改造含水層多項并舉，是預防頂板突水、底板突水造成事故的有效途徑之一，并能夠降低生產成本，減少礦井涌水量，提高了礦井排水系統的抗災能力，具有明顯的的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 武強.礦井水害防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2] 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].北京：煤炭工業出版社，2009.endprint

（5）注漿系統要求：孔口閥門要上緊，整個注漿管道應固定牢固；停泵時關閉孔口閥并壓注清水沖洗管路，以防注漿管路堵塞；注漿站各項儀表、設備運行正常，井下壓力表顯示正常，管路、閥門均達到耐壓要求。

（6）注漿鉆孔注漿結束標準：孔口壓力達到6.5～8.5 Mpa，且吸漿量也應小于40 L/min，閉漿穩定時間30 min以上。

（7）排水：根據單孔涌水量公式計算，按孔徑Φ75 mm，出水水源為L1-4灰巖水，預計單孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道內鋪設的300×350 mm鐵水槽靠水自流即可滿足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概況及效果檢驗

31001工作面底板注漿改造工程歷時兩年零一個月，對整個工作面底板灰巖含水層進行了鉆探驗證及預注漿改造。共施工183個鉆孔，總工程量18955 m，累計注水泥漿8389 t，注黃土1245 t。

31001工作面底板注漿改造含水層工程完工后，以二次施工直流電法物來檢驗注漿改造的效果。注漿改造前后物探資料對比顯示工作面西部區域視電阻率整體上較原來增了30～40 Ω·m；工作面內部施工了三個檢驗孔，單孔涌水量2～5 m3/h，說明注漿達到了預期的效果，基本將含水層改造成為了隔水層。

底板注漿改造后，工作面從開始回采到回采結束，底板總涌水量在35 m3/h以下，對安全生產的影響不大，沒有出現斷層水。

3 效益分析

效益主要表現在兩個方面：

（1）通過對底板水防治，具有較高的經濟效益。單從底板水方面來說，工作面回采時預計正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h。回采結束后涌水量控制在35 m3/h以下。根據現有統計資料，揚程100 m，每排1 m3的水需消耗電能0.6 kW。結合超化礦實際情況工作面涌水從31水倉至地面距離685 m，每排1 m3的水需消耗電能 4.11 kW，每1 kW·h的電費按0.65元計算，僅電費一項至少每年節約排水電費：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480萬元。而工作面底板注漿改造直接投入為：水泥8389噸×288.9元/噸=242.4萬元，套管145.15噸×7864.5元/噸=114.2萬元，其它費用約60萬元，總費用約416.6萬元。投入的費用只需10個半月便可節約回來，長期經濟效益十分可觀。

（2）通過采取底板水防治措施來解放高承壓含水層區域的煤炭資源，確保超化礦正常的采掘接替和穩產高產，具有良好的社會效益。

4 結語

通過對復雜的水文地質條件分析與研究，采用物探、鉆探、注漿改造含水層多項并舉，是預防頂板突水、底板突水造成事故的有效途徑之一，并能夠降低生產成本，減少礦井涌水量，提高了礦井排水系統的抗災能力，具有明顯的的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 武強.礦井水害防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2] 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].北京：煤炭工業出版社，2009.endprint

（5）注漿系統要求：孔口閥門要上緊，整個注漿管道應固定牢固；停泵時關閉孔口閥并壓注清水沖洗管路，以防注漿管路堵塞；注漿站各項儀表、設備運行正常，井下壓力表顯示正常，管路、閥門均達到耐壓要求。

（6）注漿鉆孔注漿結束標準：孔口壓力達到6.5～8.5 Mpa，且吸漿量也應小于40 L/min，閉漿穩定時間30 min以上。

（7）排水：根據單孔涌水量公式計算，按孔徑Φ75 mm，出水水源為L1-4灰巖水，預計單孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道內鋪設的300×350 mm鐵水槽靠水自流即可滿足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概況及效果檢驗

31001工作面底板注漿改造工程歷時兩年零一個月，對整個工作面底板灰巖含水層進行了鉆探驗證及預注漿改造。共施工183個鉆孔，總工程量18955 m，累計注水泥漿8389 t，注黃土1245 t。

31001工作面底板注漿改造含水層工程完工后，以二次施工直流電法物來檢驗注漿改造的效果。注漿改造前后物探資料對比顯示工作面西部區域視電阻率整體上較原來增了30～40 Ω·m；工作面內部施工了三個檢驗孔，單孔涌水量2～5 m3/h，說明注漿達到了預期的效果，基本將含水層改造成為了隔水層。

底板注漿改造后，工作面從開始回采到回采結束，底板總涌水量在35 m3/h以下，對安全生產的影響不大，沒有出現斷層水。

3 效益分析

效益主要表現在兩個方面：

（1）通過對底板水防治，具有較高的經濟效益。單從底板水方面來說，工作面回采時預計正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h。回采結束后涌水量控制在35 m3/h以下。根據現有統計資料，揚程100 m，每排1 m3的水需消耗電能0.6 kW。結合超化礦實際情況工作面涌水從31水倉至地面距離685 m，每排1 m3的水需消耗電能 4.11 kW，每1 kW·h的電費按0.65元計算，僅電費一項至少每年節約排水電費：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480萬元。而工作面底板注漿改造直接投入為：水泥8389噸×288.9元/噸=242.4萬元，套管145.15噸×7864.5元/噸=114.2萬元，其它費用約60萬元，總費用約416.6萬元。投入的費用只需10個半月便可節約回來，長期經濟效益十分可觀。

（2）通過采取底板水防治措施來解放高承壓含水層區域的煤炭資源，確保超化礦正常的采掘接替和穩產高產，具有良好的社會效益。

4 結語

通過對復雜的水文地質條件分析與研究，采用物探、鉆探、注漿改造含水層多項并舉，是預防頂板突水、底板突水造成事故的有效途徑之一，并能夠降低生產成本，減少礦井涌水量，提高了礦井排水系統的抗災能力，具有明顯的的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 武強.礦井水害防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2] 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].北京：煤炭工業出版社，2009.endprint