榆樹坡煤礦5105工作面底板富水異常區治理技術

狄應龍

(山西寧武榆樹坡煤業有限公司， 山西 寧武 036700)

1 礦井概況

山西寧武榆樹坡煤業有限公司位于山西省寧武縣城東北約2 km處，行政隸屬寧武縣鳳凰鎮和陽方口鎮兩鎮管轄。井田地處晉北山區，溝谷縱橫，梁峁綿延，地形比較復雜，呈中低山地貌。最高海拔1 665.1 m；最低海拔1 323 m，最大相對高差342.1 m. 井田面積15.02 km2，地質儲量3.8億t，可采儲量約1.4億t. 全區含煤8層，其中2、5號煤層為全井田穩定可采煤層。2號煤層厚度2.55～6.41 m，平均4.42 m. 頂板巖性為粗中砂巖，底板為砂質泥巖。5 號煤層厚度13～16 m，平均15.07 m.

主要地質構造以北北東向新華夏系構造為主，發育為北東向區域張性大斷裂為主，一般斷層規模較大。斷距2～48 m，平均5～9 m. 全井田經3次三維地震及精細解釋探明斷層條數54條，其中正斷層52條，逆斷層2條。

5煤位于太原組下部，結構復雜，含1～6層夾矸，為全區穩定開采的巨厚煤層。工作面附近施工的ZK702鉆孔煤厚16.27 m， 煤層結構較簡單，含夾矸4層，為穩定可采的巨厚煤層，其頂板為泥巖，厚度22.65 m，底板為砂質泥巖，厚度2.6 m. 5105面為礦井5號煤首采工作面，上部為1201采空區和1201小1采空區，四周無其他采空區存在。工作面進風順槽長1 496 m，回風順槽長1 511 m，傾向長177 m. 煤層傾角2°～11°，平均6°，工作面標高+980～1 115 m. 除切眼位置小范圍不帶壓外，工作面其它區域受奧灰水威脅，需帶壓開采。工作面底板隔水層承受奧灰水壓0.34～1.5 MPa，突水系數小于0.06 MPa/m，由于工作面內構造發育，采掘過程中具有突水危險性。

2 構造發育區及富水異常區的確定

2.1 構造發育物探探查技術

槽波地震勘探[1-2]可以探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區及廢舊巷道等地質異常，具有探測距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征較易于識別及最終成果直觀的優點。

為了進一步查明首采面隱伏地質異常體的發育情況，采用槽波探測技術，確定采用全排列的采集方案，以最大限度地接收有效數據，提高成像精度。沿進風巷兩側幫、回風巷兩側幫、切眼布置激發點和接收點。首采面進風巷兩側幫、回風巷兩側幫、切眼激發點與接收點布置如下：接收點間距10 m，共布置609個；激發點間距20 m炮距，布置369個。首采面槽波透射CACT成像結果見圖1，槽波透射RACT成像結果見圖2.

圖1 首采面槽波透射CACT成像結果圖

圖2 首采面槽波透射RACT成像結果圖

探測區域內共解釋斷層5條，均為正斷層，分別命名為DF41、DF42、DF45、DF53、CF1. 其中，CF1為新發現斷層，修正三維解釋斷層走向及位置4條(DF41、DF42、DF45、DF53)；按落差分，DF41、DF53落差大于1/2煤厚小于煤厚，DF42、DF45、CF1落差在1/2煤厚左右；按可靠程度分，均為可靠斷層。槽波地震探查成果表見表1.

表1 槽波地震探查成果表

2.2 富水異常區物探探查技術

采用電法探測技術[3]對富水異常區進行探測。針對首采面富水異常區，采用音頻電穿透和直流電法兩種電法探測技術進行綜合物探。

2.2.1 音頻電穿透技術

音頻電穿透[4]設計布置兩順槽發射點的間距為50 m，接收點距10 m，共計60個發射點、294個坐標接收點。針對每個發射點，在另一巷道與之對稱點附近一定區段進行扇形掃描接收，每個發射點一般對應10～20個接收點。施工時采用15 Hz、120 Hz雙頻點進行測量。5煤底板下60 m范圍內砂泥巖和灰巖的富水異常情況見圖3.

圖3 首采面底板下0～60 m層段音頻電穿透平面異常圖

工作面底板下0～60 m層段范圍內地層綜合電導率值為0.33～1.13 S/m，平均值為0.66 S/m，標準偏差為0.12 S/m，根據數據統計選定異常閥值為0.75 S/m，即綜合電導率值大于閥值的為異常區。首采面0～60 m層段范圍內共發現5處異常區段。1號異常主要在上巷0#點沿巷道向東北50～70 m以及下巷0#點沿巷道向東北0～50 m，異常范圍相對較小，異常幅值相對較弱；2號異常主要在下巷0#點沿巷道向東北210～230 m、300～340 m、410～430 m，異常范圍相對較小，異常幅值相對較弱；3號異常主要在上巷0#點沿巷道向東北490～550 m、580～610 m以及下巷0#點沿巷道向東北500～640 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強。4號異常主要在上巷0#點沿巷道向東北850～920 m、1 100～1 120 m、1 250～1 360 m以及下巷0#點沿巷道向東北760～780 m、840～950 m、1 050～1 250 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強。5號異常主要在上巷0#點沿巷道向東北1 420～1 430 m、1 500～1 530 m以及下巷0#點沿巷道向東北1 400～1 420 m、1 540～1 560 m，異常范圍相對較小，異常幅值相對較弱。

2.2.2 直流電法測深技術

直流電法測深[5-7]設計點距為10 m，回風巷布置147個物理點，進風巷布置147個物理點，選取最小極距20 m，最大極距120 m的三極裝置進行探測，探測深度可達80 m. 首采面直流電測深視電阻率斷面異常圖見圖4.

1) 上巷底板視電阻率斷面異常特征。

上巷底板下共存在5處低阻異常區。1號異常位于0#點沿巷道向東北0～60 m，異常范圍相對較小，異常幅值相對較弱，異常主要集中在底板下20～80 m；2號異常位于0#點沿巷道向東北170～280 m、300～320 m，異常范圍相對較小，異常幅值相對較弱，其中170～280 m異常中心主要集中在深部，300～320 m異常主要集中在底板下40～60 m；3號異常位于0#點沿巷道向東北360～560 m、560～680 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強，其中360～560 m異常主要集中在中深部，560～680 m異常主要集中在淺部；4號異常位于0#點沿巷道向東北840～960 m、970～1 020 m、1 110～1 220 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強，970～1 020 m異常范圍較小，僅在80 m以深層段發育；5號異常位于0#點沿巷道向東北1 250～1 400 m、1 530～580 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強。

2) 下巷底板視電阻率斷面異常特征。

下巷底板下共存在5處低阻異常區。1號異常位于0#點沿巷道向東北0～80 m、100～140 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強，其中0～80 m異常主要集中在中深部；2號異常位于0#點沿巷道向東北170～220 m、260～290 m，異常范圍相對較小，異常幅值相對較弱；其中170～220 m異常主要集中在深部，260～290 m異常主要集中在底板下30～60 m；3號異常位于0#點沿巷道向東北450～520 m、560～600 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強；其中450～520 m異常貫穿整個探測深度，520～640 m異常主要集中在淺部。4號異常位于0#點沿巷道向東北870～960 m、1 040～1 160 m、1220～1 240 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較強；其中870～960 m、1 040～1 160 m異常貫穿整個探測深度，1 220～1 240 m異常僅集中在底板下40～70 m；5號異常位于0#點沿巷道向東北1 340～1 440 m、1 520～1 560 m，異常范圍相對較大，異常幅值相對較弱。

3 注漿鉆孔布置

3.1 鉆孔平面布置

依據物探成果顯示低阻異常區、構造發育塊段重點加密布設鉆孔，其他區域兼顧探查治理原則，對首采面注漿鉆孔進行鉆探鉆孔參數設計。注漿鉆孔平面布置圖見圖5.

3.2 鉆孔結構

鉆探鉆孔結構：開孔孔徑為d133 mm，鉆進16 m，下入15 m，d108 mm×6 mm地質套管，固管掃孔后更換d75 mm鉆頭繼續鉆進至終孔。注漿鉆孔結構見圖6.

圖5 注漿鉆孔平面布置圖

圖6 注漿鉆孔結構圖

3.3 鉆孔終孔層位

根據《煤礦防治水細則》要求，帶壓開采礦井采用底板治理工程后，突水系數應小于0.1 MPa/m. 結合該治理區域水文地質條件進行計算，突水系數T取0.1 MPa/m，奧灰水位取+1 080～+1 090 m，5號煤層底板標高取+935～+1 090 m，隔水層厚度取34.8 m，工作面采后底板破壞帶發育深度按25 m考慮。

依據突水系數計算公式：

T=P/M

式中：

T—突水系數，MPa/m；

P—奧灰水壓，MPa；

M—隔水層厚度，m，取34.8.

可得：M=P/T

其中：P=[H1-(H2-M-M3)]/100

式中：

H1—奧灰水位，m，取1 090；

H2—煤層底板標高，m，取935；

M3—奧灰改造厚度，m.

當T取0.1 MPa/m時，M3奧灰改造厚度為10 m；當T取0.06 MPa/m時，M3奧灰改造厚度為26 m.

在極限情況下，回采后底板破壞深度達到35 m，隔水層完全失效，在這種情況下需要改造的奧灰含水層厚度為21 m(突水系數取0.1 MPa/m). 綜合以上分析，注漿改造奧灰含水層厚度不得小于10 m，考慮一定的安全系數，該次注漿層位選擇在奧灰頂面下10～20 m較為適合。

4 注漿治理工藝

針對首采面底板的富水性不均一、隔水層薄的特點，設計分段下行注漿工藝方法。采用高壓射流制漿機進行制漿，可注性較好，漿液比較細膩且流動性強，單孔的注漿量高，可以減少鉆孔的數量。注漿主要是將巖層裂隙進行封堵，根據鉆孔的出水量和吸漿量，對漿液密度進行調整，水灰比在(3∶1)～(1.5∶1)，密度在1.20～1.37 g/cm3. 注漿工藝流程見圖7.

圖7 注漿工藝流程圖

1) 注漿原則。對煤層底板進行鉆孔注漿時，要確保注漿的連續性，減少鉆孔的工作量，對導水通道及底板裂隙進行有效封堵。如果一個單孔的注漿量大于2 000 m3時，可以選擇在注漿的過程中留有間歇，一般為4 h，在間歇期間，要確保將注漿管路清洗干凈，如果在采用間歇方式后仍然達不到工程要求，可采用注固體材料的方式進行加固。

2) 注固體材料。注漿材料以PO42.5水泥為主。在進行注漿的過程中，如果出現注漿壓力長時間保持穩定，或者巷道的底板出現跑漿等狀況，則需要更改注漿材料，使用鋸沫、大豆、海帶絲等固體材料對導水裂隙進行充填。在吸漿池中均勻地撒上鋸沫，要注意控制鋸沫的撒入量，不能影響泵的正常運轉，或是在井下的孔口處安裝注入器，將海帶絲和大豆等固體材料輸送到鉆孔中。

3) 終孔標準。在注漿完成后，設計的終孔壓力為3 MPa，在一檔注漿達到所設定的壓力后，需進行二檔注漿，注漿時要保持恒定壓力10～30 min，完成后方可結束注漿。

5 效果評價

單孔注漿量較大的鉆孔，可以分為兩類：其一是涌水量較大的鉆孔，單孔涌水量介于14～100 m3/h，這類鉆孔吃漿量較大，注漿漿液進入受注層位后，裂隙較發育，導水通道較通暢，漿液迅速擴散，因此單孔注漿量較大；其二是鉆孔涌水量較小，但鉆孔揭露斷層等構造，受斷層帶內地層不完整、膠結程度差、裂隙帶發育等因素影響，該類鉆孔雖然涌水量小，但通道、裂隙發育，單孔注漿量依然較大。

切眼外側DF53斷層，注漿水泥用量97 t；進風巷外幫DF43斷層，注漿水泥用量180 t；工作面內DF45斷層，注漿水泥用量601 t；回風巷外側DF40、DF41斷層，累計注漿995 t；工作面內部其它低阻異常區累計注漿水泥用量2 900 t.

針對重點異常區和大型構造，在探查治理竣工后重新布置了24個檢查孔，開展查缺補漏和前期治理效果檢查，單孔涌水量小于1 m3/h，證明治理效果較好。截止2021年5月，該工作面已安全回采過半，未發生底板涌水事件，從回采效果上充分證明了底板注漿治理工藝在山西寧武榆樹坡煤礦得到了成功應用。

6 結 論

1) 采用綜合物探技術手段對工作面內構造發育情況和富水異常區情況進行探查。經過鉆探驗證，綜合物探成果較為準確，可作為鉆探探查設計的參考依據。

2) 通過超前區域治理加固隔水層-改造含水層，可以實現薄隔水層條件下奧灰安全帶壓開采，具有較好的經濟效益。

Treatment Technology for Abnormal Water-rich Area in Floor of 5105 Working Face in Yushupo Coal Mine

DI Yinglong

AbstractThe first mining face of No.5 coal seam in Yushupo coal mine is a working face under water pressure, and there are many faults inside the working face, which increases the possibility of water inrush from the floor during mining. In order to realize safe mining under water pressure on this surface, comprehensive geophysical methods are adopted to explore structural development areas and water-rich abnormal areas on the working face before mining, and the floor advanced pre-grouting technology strengthens the water-resistant layer. Through the floor grouting treatment process, the safety mining under pressure has been realized on this face, and good economic benefits have been obtained. It has provided water prevention and control ideas for the mine and surrounding mining shafts under water pressure, and the social benefits are significant.

KeywordsMining under safe waterpressure of aquifer; Integrated geophysical exploration techniques; Structural development area; Water-rich abnormal area; Advanced pre-grouting