煤層底板奧灰水害治理方案研究

卓聰志

(西山煤電(集團)有限責任公司 通風處，山西 太原 030053)

·試驗研究·

煤層底板奧灰水害治理方案研究

卓聰志

(西山煤電(集團)有限責任公司 通風處，山西 太原 030053)

針對古書院礦15#煤三盤區(qū)首采工作面面臨的底板奧灰水害威脅問題，提出了采用疏水降壓和底板注漿改造兩種治理方案，從經(jīng)濟和技術(shù)角度進行對比，最終得出疏水降壓適用于該礦井低水壓但隔水層較薄條件下的奧灰水害治理，為礦井奧灰水害治理提供依據(jù)，同時對相似條件下底板奧灰水害防治具有參考意義。

底板水害；奧灰含水層；疏水降壓；注漿改造

古書院煤礦位于山西省晉城市，是典型的華北型煤田開采區(qū)域。依據(jù)巖性及空間賦存與分布特征，井田內(nèi)含水層自下而上依次分為：奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層組、石炭系灰?guī)r巖溶裂隙含水層組、二疊系砂巖裂隙含水層、第四系沖積層孔隙含水層。

礦井上組煤開采基本結(jié)束，逐漸進入下組煤15#煤的回采工作。由于15#煤三盤區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)煤層底板奧灰含水層帶壓情況，且底板隔水層厚度較薄，水文地質(zhì)條件較為復雜，煤層底板奧灰水突水危險性較大。針對該水害特征，結(jié)合礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，提出相應的奧灰水害防治措施，對確保礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 條件概況及評價

古書院礦15#煤三盤區(qū)首采工作面位于井田西北部，為井田首個奧灰含水層帶壓開采工作面。煤層底板本溪組隔水層承受奧灰水壓為0～0.63 MPa，本溪組隔水層厚度6.7～20.3 m. 根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中提出的突水系數(shù)法進行突水系數(shù)值計算，其數(shù)學表達式見式(1)：

(1)

式中：

T—突水系數(shù)，MPa/m；

P—底板隔水層承受的水壓，MPa；

M—底板隔水層厚度，m.

通過對水壓和隔水層厚度的分析，得出15#煤層底板突水系數(shù)等值線圖，見圖1.

圖1 15#煤底板奧灰含水層突水系數(shù)等值線圖

由圖1可以看出，工作面多數(shù)區(qū)域突水系數(shù)均小于0.06，突水危險性較小。但是，由于該工作面煤層底板隔水層薄，在底板礦壓破壞深度影響下隔水層隔水能力完全缺失，突水系數(shù)值不能很好地反應該條件下水害危險程度，工作面回采前需采取相應水害防治措施。

2 水害防治措施

對于治理底板含水層帶壓開采常用疏水降壓和注漿加固措施，古書院礦15#煤三盤區(qū)首采工作面帶壓區(qū)治理均可采用這兩種方式，現(xiàn)對兩種方式的可行性進行分析：

2.1 煤層底板注漿改造

煤層底板注漿改造是降低含水層富水性的有效手段，有利于形成較為堅固的保護層而防止底板突水。具體操作時沿工作面下順槽大面積布置注漿孔，通過注漿孔將漿液送到灰?guī)r含水層裂隙中，將奧陶系峰峰組改造為不含水層或弱含水層，從而減弱含水層的富水性使其與隔水層共同作用，增強了煤層底板隔水層的強度，實現(xiàn)了工作面不突水或突小水開采。

古書院礦15#煤底板主要隔水層為本溪組泥巖，在自然情況下隔水性能較好，裂隙不發(fā)育，但是在開采條件下會受到破壞而失去隔水性能。由古書院礦勘察成果可知，本溪組底部的奧陶系峰峰組為弱含水層，富水性較差，可以對峰峰組進行注漿改造。因此，對煤層底板峰峰組含水層進行注漿改造是封堵底板突水通道，削弱底板突水的物質(zhì)基礎(chǔ)。最終改造峰峰組弱含水層為隔水層，實現(xiàn)首采工作面的安全回采。以下對首采工作面注漿工程施工量進行初步評價：

1) 注漿孔布設(shè)原則。

a) 根據(jù)其它礦區(qū)灰?guī)r注漿經(jīng)驗，結(jié)合礦井實際情況，采用漿液擴散半徑為20 m，即注漿加固范圍內(nèi)鉆孔終孔位置間距應≤40 m.

b) 注漿深度的確定。

注漿深度的確定應該結(jié)合礦壓破壞帶發(fā)育深度與隔水層隔水能力綜合確定。本次根據(jù)傳統(tǒng)突水系數(shù)公式(2)來確定注漿厚度：

(2)

式中：

T—突水系數(shù)，MPa/m；

P—改造后隔水層底板承受的水壓，MPa；

M—改造后底板隔水層總厚度，m；

Cp——礦壓破壞深度，m.

考慮煤層底板采動破壞深度為19.3 m，注漿加固的目的層為煤層底板礦壓破壞帶底界以下峰峰組含水層。工作面煤層帶壓區(qū)含水層水壓約為0.158 MPa，取臨界突水系數(shù)值為0.06 MPa/m，然后采用式(2)進行計算，得出注漿厚度M1為2.75 m，示意圖見圖2. 由于不同區(qū)域隔水層厚度會有所不同，所以采取保守厚度值3.3 m.

圖2 注漿厚度計算示意圖

2) 注漿改造方案。

峰峰組灰?guī)r是本次注漿工程的主要受注層位。施工方案為:在地面建造漿站，通過送料孔(地面鉆孔)向井下153302工作面帶壓區(qū)巷道鋪設(shè)疏漿管路，并在井下打注漿孔。造好的漿液通過注漿泵沿疏漿管路、注漿孔壓入受注含水層裂隙，把裂隙中的水置換成漿液并凝固，從而達到改造峰峰組含水層為隔水層的目的。注漿改造的分項工程如下：

a) 造漿站。參考我國其它底板承壓水水害比較嚴重的礦區(qū)，如焦作、永城、肥城等礦區(qū)注漿改造的經(jīng)驗，古書院礦最好選用建立地面注漿站。由于建立地面注漿站與井下注漿站相比，技術(shù)較為成熟，且注漿效率高，大多數(shù)礦區(qū)都是選擇在地面建立注漿站方案。

地面造漿站為永久性建筑，可以為三盤區(qū)后續(xù)開采的其他工作面服務。

b) 注漿孔。根據(jù)漿液的擴散半徑及峰峰組灰?guī)r的富水性，預計注漿共需6個鉆孔。在工作面1533021巷相隔100 m向工作面內(nèi)開一個鉆窩，每個鉆窩打一組鉆孔(3個)，每個孔的方位和傾角不等，傾角取20°～45°，并使其盡可能與地層走向垂直，具體參數(shù)要根據(jù)峰峰組含水層具體水文地質(zhì)條件確定。

注漿孔初步預計單孔平均深度150 m，共約6個鉆孔，總進尺約900 m.

c) 主要設(shè)備選型。注漿泵的選取根據(jù)計算所得所需的最大壓力以及注漿量進行選取。

根據(jù)初步計算，需選取鉆進能力在250 m以上的鉆機，以滿足鉆進深度較大的要求。

疏漿管路也應該按照注漿壓力等參數(shù)進行合理選取。

3) 注漿工程造價。

通過對153302工作面底板注漿改造含水層工程的初步分析，對注漿工程的造價進行簡要分析：

工程分井上造漿站和井下注漿兩部分，預計初期投資為643萬元，具體明細如下：

a) 地面造漿站土建工程及設(shè)備：220萬元

b) 疏漿系統(tǒng)：140萬元

c) 鉆探設(shè)備：120萬元

d) 注漿孔：900 m(1 200元/m)，108萬元

e) 注漿材料：30萬元

f) 注漿材料測試及技術(shù)服務：10萬元

g) 不可預見費：15萬元

2.2 煤層底板疏水降壓

疏水降壓是通過疏降使煤層底板含水層水壓降低至采煤安全水壓。疏水降壓有兩個目的：1) 要把充水含水層中的水疏排出去，使富水的含水層變?yōu)樨毸畬由踔帘皇韪伞?) 通過疏放降低含水層水位和作用在煤層底板的承壓水頭，實現(xiàn)不帶壓開采或在安全水頭壓力下開采。

153302工作面標高564～592 m，底板隔水層的厚度為14.75～16.25 m，平均15.7 m.奧灰含水層的水壓為0.065～0.170 MPa，工作面小部分區(qū)域帶壓。加上工作面開采過程中底板礦壓破壞的影響，底板隔水層受到破壞，帶壓區(qū)有底板突水的危險。因此在工作面開采帶壓區(qū)過程中需要對底板含水層水進行疏降，排除突水隱患。

底板巖溶水疏水降壓可行性分析：

1) 底板巖溶水補給、徑流、排泄條件。古書院礦區(qū)位于三姑泉西南部，奧灰含水層水流向受到區(qū)域含水層補給、徑流、排泄條件的影響。由本區(qū)勘察成果以及水化學分析結(jié)果可以大致推斷三盤區(qū)范圍內(nèi)奧灰含水層整體流向為由北向南，其中由于石城溝背斜核部部分區(qū)域地層標高高于區(qū)域地下水位標高，可能在該部位形成一個局部的地下分水嶺。由此可知，153302工作面奧灰地下水的補給主要來源于北部含水層的側(cè)向補給，東部由于石城溝背斜的存在而補給量較為有限。在天然條件下奧灰水形成由北向南的流向，部分區(qū)域也會出現(xiàn)由東北向西南的順層流。

2) 含水層水文地質(zhì)條件分析。153302工作面帶壓區(qū)疏降目標含水層為奧陶系灰?guī)r含水層，該含水層一般厚度較大，富水性較好，因此疏放之前必須開展專門的水文地質(zhì)勘查工作，確定含水層是屬于強補給型、純消耗型，或是補給—消耗型。目前，在三盤區(qū)內(nèi)部有兩個水文孔進行了水文地質(zhì)試驗，滲透系數(shù)為0.004 9～0.007 0 m/d，單位涌水量標準值為0.023～0.032 L/(s·m)，但是考慮到三盤區(qū)東部水文孔抽水試驗成果，推測153302工作面單位涌水量值可達到0.112 5～0.225 0 L/(m·s)，屬于中等富水含水層。

3) 疏降水量預測。153302工作面底板隔水層相對較薄，為保證煤礦安全開采，需對15#煤帶壓區(qū)進行疏水降壓，疏降區(qū)面積F=28 150 m2. 本次預測對奧灰含水層采取疏排降壓方案，將水頭降至煤層底板以下，涌水量采用“大井”法的無限邊界承壓穩(wěn)定流公式進行預測：

a) 計算參數(shù)確定。

滲透系數(shù)(K)值的確定：選取盤區(qū)內(nèi)二仙掌水文孔和牛山磚廠水文孔抽水試驗成果，滲透系數(shù)取兩個水文孔的平均值，即K=0.005 95 m/d.

含水層厚度(M)值的確定：選取牛山磚廠水文孔石灰?guī)r含水段累計厚度值，M=277.69 m.

水位降深(S)值的確定：本次取自然水位標高(選取現(xiàn)有水文孔最大水位標高571.5 m)至疏降標高(566 m)的距離5.5 m，得出S=5.5 m.

b) 15#煤奧灰涌水量預測結(jié)果。

將各參數(shù)代入，經(jīng)計算可得出15#煤三盤區(qū)首采工作面奧灰涌水量：

c) 疏放水工程。

疏水降壓工程主要通過井下疏放水鉆孔進行放水，通過排水渠、排水泵等排水設(shè)備進行排放。

153302首采工作面帶壓區(qū)初步設(shè)計奧灰疏放鉆孔5眼，具體布置位置按實際情況約60 m施工一個硐室，靠南部兩個硐室分別施工一個疏水孔，最北部施工一個疏水孔。疏水孔均為斜孔，終孔層位需進入馬家溝組富水巖段，預計每孔平均孔深100 m. 同時需要施工一個井下水文觀測孔用于底板疏水時觀測水位動態(tài)，預計孔深200 m，可留作礦井以后的井下長觀水文孔。

此外，需要在巷道施工配備的水渠、水倉、水泵等排水設(shè)施。

4) 疏水降壓經(jīng)費預算。

通過對153302工作面底板疏水降壓方案的初步分析，對疏水降壓的造價進行簡要分析。

疏水降壓造價主要包括工程造價和日常排水費用兩部分，預算共計431.5萬元，具體明細：

a) 排水設(shè)施的改造：250萬元

b) 鉆探設(shè)備：80萬元

c) 疏水鉆孔：500 m(1 100元/m)，55萬元

d) 水文觀測孔：200 m(1 400元/m)，28萬元

e) 日常排水費用：8.5萬元

f) 不可預見費：10萬元

其中，a)b)d)屬于礦井正常防治水工程范疇，可供其他工作面長期使用。

3 水害防治措施優(yōu)選

注漿改造首采工作面峰峰組含水層方案在古書院礦基本可行，可以有效減小底板突水的可能性，實現(xiàn)首采工作面的安全回采。地面造漿站等建筑修造需要一定的時間，而153302工作面將要面臨回采問題，且首次工作面帶壓區(qū)范圍小，注漿量相對較小。整套注漿設(shè)備施工周期長，費用高，即首采面投入偏高。

由于水倉、水渠、水泵等排水設(shè)施也是工作面開采之后的必要設(shè)施，不屬于單獨的底板含水層疏水降壓工程的范疇。因此，疏水降壓方案主要投入為日常排水費用和疏水鉆孔的施工，費用較為合理，建議首采工作面開采過程中對帶壓區(qū)采取疏水降壓的方式，將底板奧灰含水層水位降到煤層底板標高以下，確保首采工作面的安全回采。

4 結(jié) 論

1) 通過對古書院礦煤層底板水文地質(zhì)條件分析，采用突水系數(shù)法評價認為礦井15#煤開采處于安全區(qū)域。但是，由于煤層底板隔水層厚度薄，在礦壓破壞條件下將失去隔水能力，存在底板奧灰突水威脅。

2) 通過對水害治理方案設(shè)計，對比疏水降壓和含水層改造的治理工藝和所需費用可得，礦井疏水降壓可以較好地解決煤層底板奧灰水害威脅，同時費用相對較低，可供礦井實施使用。

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2017-05-25

卓聰志(1986—)，男，四川隆昌人，2011年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，助理工程師，主要從事煤礦防治水工作(E-mail)304858435@qq.com