陳四樓礦井深部采區高承壓水治理技術研究

李 廣

（同煤集團同生宏達煤業公司，山西 大同 037003）

引言

我國是世界產煤大國，煤炭資源約占我國一次性能源消耗總量的70%以上，對我國的國民經濟發展和社會進步起著重要的作用。隨著煤炭開采量的不斷增加，開采層位也愈來愈深，時常發生礦井突水事件，地下水已成為威脅煤礦安全生產的重要因素［1－3］。自20世紀90年代以來，陳四樓煤礦由于斷層構造、底板和隔水層斷裂等原因發生了多次嚴重的突水事故，其中最大突水量超過1 000 m3／h，對礦井的生產過程造成了嚴重的破壞［4－5］。因此，本文以陳四樓煤礦為例，研究其深部采區高承壓水治理技術，對其深部突水治理提供理論基礎和技術指導，從而保證煤礦安全生產，避免水災發生。

1 深部采區底板安全范圍界定

對于礦井深部采區底板的安全范圍界定，主要受到底板構造和隔水層完整性的影響。有兩種情況，若隔水層完整無斷裂構造破壞，即正常塊段突水系數不大于0.1 MPa／m，可認為該種情況是安全的；若底板手構造破壞段突水系數小于0.06 MPa／m，可認為該種情況是安全的［6］。因此，本文對底板安全范圍的界定分為以下四種情況：

工況一：最危險區，即為深部采區底板最可能發生突水的區域，其突水系數大于0.1 MPa／m。

工況二：危險區，即該區域發生突水的可能性比較大，在具備一定安全措施的條件下，若巖層構造完整且簡單，可采取帶壓開采的方法進行開采，其突水系數在0.06 MPa／m～0.1 MPa／m之間。

工況三：較安全區，即該區域有底板突水的可能性，在具備一定放突水措施的條件下，可采取帶壓開采的方法進行開采，其突水系數小于0.06 MPa／m。

工況四：安全區，即該區域不會發生突水的可能性，其前提條件為煤層的底板位于奧灰水位以下。

其中，回采工作面底板隔水層突水系數的計算公式如下：

式中，T為突水系數，MPa／m；M 為底板隔水層厚度，m；P為底板隔水層承受安全水壓的能力，MPa。

2 深部采區回采工作面安全水頭的確定

回采工作面安全水頭值的計算公式為：

式中，Ts為臨界突水系數，MPa／m。

由此，可得陳四樓煤礦深部采區不同區域回采工作面安全水頭值：

1）2513皮帶聯絡巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·47 m＝4.7 MPa。

2）2513皮帶順槽、改造巷：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·50 m＝5.0 MPa。

3）－720輔助水平軌道巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·34 m＝3.4 MPa。

4）－720輔助水平帶巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·19 m＝1.9 MPa。

放水實驗期間井下放水孔壓力及流量見表1。

表1 井下放水孔壓力及流量表

若底板有突水的危險，則表明回采面隔水底板的實際水頭值相比較于安全水頭值大；若該值較小，則表明該回采面可安全回采。

根據放水實驗觀測到2513放水孔的壓力為4.52 MPa～5.01 MPa，大于回采工作面安全水頭值，所以存在發生突水的危險性。放水實驗期間觀測到南5聯的壓力為2.3 MPa～2.46 MPa，高于－720輔助水平皮帶巷二2煤回采工作面安全水頭值1.9 MPa，所以存在發生突水的危險性。

3 掘進巷道底板隔水層安全隔水厚度

在巷道掘進過程中，其底板隔水層允許的安全隔水厚度可按照下式進行計算：

式中，H為底板隔水層承受的水頭壓力（MPa），γ為底板隔水層的平均容重（MN／m3），t為安全隔水厚度（m），L為巷道底板寬度（m），Kp為底板隔水層的平均抗張強度（MPa）。

陳四樓煤礦－720水平：L為4.8 m；γ為2.5 t／m3；Kp為細砂巖1.1～5.77 MPa、砂質泥巖和粉砂巖 0.5 MPa～4.8 MPa、泥 巖 0.57 MPa～2.1 MPa；H 為5.5 MPa～5.9 MPa。由此可得陳四樓煤礦－720水平t＝4.7 m。陳四樓煤礦2513和－720 m輔助水平軌道巷二2煤和幅值水平皮帶巷二2煤的隔水層厚度為34 m和19 m，遠大于安全隔水層厚度。

4 深部采區高承壓水治理技術

根據前文的分析和陳四樓煤礦深部采區的實際情況，對其高承壓水可采取如下方案進行綜合治理，以降低其發生突水的可能性，且盡可能降低其發生突水的危害性：

1）方案一。疏水降壓。該方案制定的前提是回采面安全水頭值遠小于采區突水壓力，則應用該方案，可使得回采面突水壓力在安全值以下。根據陳四樓煤礦深部采區放水實驗可知，若滿足達到基本要求的條件下，可采取控制疏水量約為350 m3／h。

2）方案二。疏水降壓與注漿相結合。同理，該方案制定的前提與方案一相同，首先應用方案一的措施，且疏水控制量約為350 m3／h，但回采面的突水壓力仍無法控制于安全值以下。則在該種情況下，為使得回采面能夠安全生產，須采用注漿的方案以使得底板抗壓能力得到加強。

3）方案三。注漿加固。在前兩種方案均不能滿足條件的情況下，則需直接進行注漿加固；在現有注漿泵的壓力不能滿足注漿壓力為水壓的2～2.5倍時，推薦使用新型高壓注漿泵。

5 結語

本文根據陳四樓煤礦深部采區實際情況，確定了深部采區底板的安全范圍、回采工作面安全水頭及掘進巷道底板隔水層安全隔水厚度，并制定了三種高承壓水綜合治理方案，即疏水降壓、疏水降壓與注漿相結合和注漿加固，對陳四樓煤礦水害的防治提供了重要指導。

［1］ 張東營，閆明，周保國.石壕煤礦水文地質條件分析及防治水對策［J］.中州煤炭，2011（9）：33-37.

［2］ 李凱，茅獻彪，陳龍.采動對承壓底板斷層活化及突水危險性的影響分析［J］.力學季刊，2011（2）：2 954-2 958.

［3］ 解俊祥.李雅莊煤礦F33斷層滯后突水分析［J］.中國科技信息，2011（8）：52-55.

［4］ 楊天鴻，唐春安等.巖體破壞突水模型研究現狀及突水預測預報研究發展趨勢［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（2）：268-277

［5］ Yin Shangxian，Zhang Jincai.Impacts of karst paleo-sinkholes on mining and environment in northern China［J］.Environmental Geology，2005（48）：1 077-1 083.

［6］ 李利平，李術才，石少帥.基于應力－滲流－損傷耦合效應的斷層活化突水機制研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，28（2）：2 511-2 515.